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Dec 28, 2023

±40

Para aquellos que desaprueban cualquier forma o forma de fuente de alimentación de modo conmutado (SMPS) para el amplificador de potencia Fortissimo-100 de gama alta, este proyecto produce un regulador de voltaje simétrico, lineal y de más de 500 VA.

Para aquellos que desaprueban cualquier forma o forma de fuente de alimentación de modo conmutado (SMPS) para el amplificador de potencia Fortissimo-100 de gama alta, este proyecto produce un regulador de voltaje simétrico lineal de más de 500 VA marcado por un voltaje de caída bajo y un alto rendimiento. actual y excelente estabilidad, ¡todo obtenido a partir de componentes discretos y construido a partir de un kit! Teniendo en cuenta que casi todos los amplificadores de potencia de audio de alto rendimiento se benefician de una tensión de alimentación estabilizada, esta fuente de alimentación lineal está diseñada específicamente para una tensión de salida simétrica de ±40 V y corrientes máximas de 13 A (pico alcanzable de 15 A). Como ejemplo, la corriente promedio consumida por un Fortissmo-100 amperios que impulsa una carga de 3 Ω es aproximadamente 4 A por regulador.

Se demostró que el amplificador de potencia de audio de alta gama Elektor Fortissimo-100 funciona mejor con una fuente de alimentación regulada de ±40 V, descartando una fuente "básica" que consista en un transformador, un rectificador (puente) y un conjunto de cables gruesos. condensadores de depósito. Es posible que una fuente de alimentación de modo conmutado tampoco sea la adecuada, pero esto es más una cuestión de gusto personal, ya que el SMPS800RE hace un buen trabajo. Aún así, puede haber razones de peso para favorecer un regulador lineal construido únicamente con componentes de orificio pasante, como el propio amplificador. Para que el regulador de voltaje funcione sin caídas (caídas de voltaje de salida), el voltaje de entrada del circuito debe exceder el voltaje de salida. al menos 3 V más, o incluso más en caso de fluctuaciones de la tensión de red. En comparación con la mayoría de los SMPS (con un amplio rango de entrada de voltaje de CA), un regulador lineal es menos eficiente y se requiere un transformador de potencia grande con una potencia nominal más alta que sin el regulador lineal. Hoy en día, la mayor parte de la energía disponible en el mercado (" red”) los transformadores están marcados por tensiones secundarias estandarizadas. Para crear ±40 VCC directamente, la opción más probable es un transformador con capacidad nominal de 2× 30 V. El voltaje CC sin carga resultante suele ser de alrededor de 42 VCC, dependiendo en gran medida de la regulación interna del transformador y la caída de voltaje en los diodos rectificadores. En la práctica, la tensión de salida sin carga de un transformador de potencia es siempre un pequeño porcentaje mayor que la tensión cargada. El siguiente voltaje secundario estándar más alto es 35 V, lo que resulta en aproximadamente 49 a 50 VCC o más a baja potencia de salida; se midieron cerca de 52 V en una configuración de prueba de laboratorio. Con una carga de 8 Ω en el amplificador de potencia, el regulador requiere una pequeña capacitancia de suavizado solamente. La ventaja de una tensión de ondulación mayor es una pérdida de potencia algo menor en el/los regulador(es) de suministro. Pero, a impedancias más bajas, la ondulación no debe ir más allá del voltaje de caída (43 V a 10 A). En una prueba de laboratorio, un transformador toroidal (núcleo de anillo) de 2 × 35 V, 300 VA con una capacitancia de suavizado de 20.000 µF parecía lo suficientemente resistente como para alimentar el regulador. La potencia de onda sinusoidal máxima (casi de recorte) a 20 Hz y 0,1% THD+N en una carga de 3 Ω provocó una caída de apenas 1,8 V pico en la salida de suministro. Eso sí, la potencia de salida continua es de 227 vatios en la carga de 3 ohmios y el transformador de 300 VA está ligeramente sobrecargado. Sin embargo, esto no fue suficiente para activar la protección del Fortissimo-100.

La base de cualquier regulador de voltaje es medir el voltaje de salida, compararlo con un nivel de referencia y controlar la etapa de salida en consecuencia para contrarrestar cualquier cambio. Aunque el circuito regulador actual sigue ese concepto, una diferencia marcada es su voltaje de referencia secundario mucho más alto, que, con un poco más de 33 V, está relativamente cerca del voltaje de salida objetivo de 40 V. Cuanto mayor sea el voltaje de referencia (33,6 V aquí), más ganancia le quedará a un circuito (simple) para aumentar tanto el rechazo de ondulación del voltaje de entrada como la regulación del voltaje de salida. En pocas palabras, el circuito consta de un voltaje de referencia, un amplificador diferencial. y un búfer de salida. Además, se agrega protección de área de operación segura (SOA) a ambos reguladores. Miremos aCifra1explorar el funcionamiento del regulador positivo.

Voltaje de referencia El voltaje de referencia no lo crea un diodo Zener, ya que los Zener estándar suelen tener coeficientes de temperatura considerables. Hoy en día es difícil encontrar versiones especiales con compensación de temperatura, especialmente las de 33 V. En lugar de un diodo Zener, se utiliza una referencia de voltaje en derivación de precisión ajustable tipo TL431 con un voltaje de trabajo máximo de 36 V. Su voltaje de referencia interno (es decir, el voltaje de referencia primario del regulador de 40 V) suele ser de 2,495 V. El cátodo La corriente a través del TL431 se establece mediante la resistencia R1. Si el voltaje de entrada está entre 43 y 50 V, la corriente se establece entre 1,9 y 3,4 mA, lo que resultó ser suficiente para crear un voltaje de referencia estable de 33,9 V. Los 33,9 V se ajustan mediante las resistencias R2 y R3, de la siguiente manera:

AVK = 2,495 x (1 + R2/R3) + IREF x R2

La corriente de ajuste del TL431, IREF, suele ser de 1,8 µA, por lo que el voltaje de referencia es teóricamente de 33,95 V. Sin embargo, esto se especifica con una corriente catódica de 10 mA, mientras que en el prototipo esta corriente es menor y también lo es el voltaje: 33,55 V. se midió en la práctica. El TL431 está desacoplado por C1 mientras que C2 mejora la estabilidad general.Amplificador diferencial El amplificador diferencial es minimalista y consta de T1 y T2 con R4 como fuente de corriente. El voltaje en la base de T1 es bastante constante. Lo mismo ocurre con el voltaje en R3, incluso con el voltaje ligeramente variable (con la temperatura) en la unión base-emisor de T1 y en D1. Los diodos Schottky D1 y D2 limitan un voltaje inverso (simplemente concebible) de los voltajes base-emisor de T1 y T2. Para reducir la influencia de la caída de voltaje en cada diodo, sin afectar demasiado el voltaje de compensación de entrada del par diferencial debido a los cambios. En temperatura, el par se coloca uno al lado del otro en la PCB para que ambas uniones de diodos estén a la misma temperatura. Unos pocos milivoltios (o incluso decenas de milivoltios) compensados ​​también causados ​​por diferencias entre T1 y T2 no tienen ningún efecto real en el voltaje de salida mucho más alto de 40 V. Incluso un cambio de compensación de 30 mV significa menos del 1% de variación en el voltaje de salida, lo cual no tiene consecuencias para el funcionamiento del amplificador de potencia. El voltaje a través de la resistencia del colector R6 se utiliza para controlar la etapa de salida. R5 y C3, así como C4 y C5, forman la compensación de frecuencia para mantener estable el regulador, incluso con la protección SOA (área de operación segura) T3/R7/R8/R9 activa. El divisor de potencial R16-P1-R17 mide el voltaje de salida y presenta la retroalimentación negativa para el amplificador diferencial. Para compensar todas las tolerancias, el rango de voltaje de salida de P1 es aproximadamente de 38,6 V a 41,1 V. Con el limpiador del potenciómetro de compensación a mitad de recorrido, el voltaje de salida será bastante cercano a 40 V.Etapa de salidaAunque hay transistores que pueden manejar la corriente de salida máxima requerida cuando se aplica un voltaje de entrada constante de 50 V al regulador, se eligen dos transistores, T5/T6, para:

La implementación de estos criterios reduce el riesgo de daños a la etapa de salida en caso de que haya una condición de sobrecarga o incluso un cortocircuito. Los transistores de potencia PNP más grandes son del tipo TIP36C (cf. el NPN TIP35C en el regulador negativo) y están fácilmente disponibles en varios fabricantes. Los transistores PNP se utilizan en el regulador positivo para mantener la caída de voltaje mínima de la etapa de salida lo más baja posible, las corrientes de base fluyen hacia tierra. El voltaje de caída es la suma del voltaje de saturación de los transistores y la caída de voltaje a través de las resistencias del emisor. . Un valor más bajo para las resistencias del emisor reduciría un poco el voltaje de caída, pero las corrientes a través de los dos transistores pueden desviarse demasiado. A altas corrientes de colector, la ganancia de los transistores es muy baja y se necesita un transistor adicional (T4) para amortiguar la salida de la etapa diferencial. Para evitar que el voltaje de saturación de T4 aumente el voltaje de caída de la etapa de salida, su colector está conectado a tierra a través de una conexión en serie de resistencias. Esto limita la disipación de energía del T4 así como su requisito de disipador de calor. Sin embargo, hay un problema al hacer esto: si, por cualquier causa, el voltaje de entrada cae por debajo del voltaje de caída, T4 conducirá permanentemente y la disipación en su resistencia del colector será bastante alta: 16 vatios a 100 Ω de resistencia total y 40 V. tensión de entrada aplicada. Sin embargo, esto nunca debería ocurrir, por lo tanto, se utilizan tres resistencias de 5 W para evitar que esta resistencia del colector se queme. Una ventaja adicional de esta resistencia del colector es que limita las corrientes de base de T5 y T6 y, por lo tanto, actúa como un límite de corriente simple. La verdadera protección, sin embargo, la forma T3. La corriente de salida se mide mediante el divisor de voltaje R7/R8 como la caída de voltaje a través de la resistencia del emisor de T5, y esto impulsa la base de T3. Cuando, por ejemplo, la corriente a través de R14 es de aproximadamente 7 A, la corriente de salida total es 14 A. La corriente de salida más alta esperada es un poco más de 12 A pico con una carga de 3 Ω en la salida del amplificador. T3 comenzará a conducir y, debido a R9, incluso antes, dependiendo del voltaje en T5. El nivel exacto en el que T3 tiene polarización directa depende de la temperatura y será menor a medida que aumente la temperatura: una protección adicional y, con música, esto no será un problema. D3 protege la etapa de salida en caso de que el voltaje de entrada sea desconectado repentinamente o en cortocircuito. T5 y T6 están desacoplados con un par de condensadores de baja ESR de 1000 µF. El LED1 indica la presencia del voltaje de salida de +40 V. Aunque en las fotos parece que D6 está instalado al revés en la PCB, de hecho, tanto D6 como D3 se pueden instalar en cualquier sentido y aún funcionan correctamente. El diodo HTR20L120CT en su caja TO220 de 3 conductores tiene dos diodos internos con un cátodo común conectado al conductor central del dispositivo. La entrada del regulador está protegida por un fusible de 15 A. Se debe considerar la corriente RMS (media cuadrática) máxima, y ​​en la corriente sinusoidal máxima de media onda, el valor RMS es Ipico/2, es decir, 6,5 A. Sin embargo, a frecuencias muy bajas como 16,4 Hz (si se prefiere música de órgano), la corriente máxima puede durar varios milisegundos. Para asegurarse de que el fusible no se funda en tales condiciones, aquí se utiliza uno del tipo 15 A, que, como beneficio adicional, también reduce la caída de voltaje. Si el amplificador y/o el regulador consume mucha más energía, el fusible primario conectado al transformador de potencia se funde. El fusible de 15 A se quemará de forma fiable en caso de que se produzca un cortocircuito repentino "detrás de él".

La Tienda Elektor ofrece un kit completo para el proyecto del Regulador de voltaje lineal, que contiene la placa de circuito impreso (PCB) y todas las piezas enumeradas en la lista de materiales (BoM o lista de componentes). Es de esperar que este excelente kit supere los esfuerzos de los lectores por comprar piezas (electrónicas y mecánicas) y fabricar PCB a pedido. Junto con el kit viene un manual de construcción de 12 páginas que brinda instrucciones paso a paso sobre cómo ensamblar el proyecto y, con suerte, alcanzar un resultado perfecto. resultado. El manual es rico en dibujos y fotografías, algunos de los cuales se muestran enCifra2 . También contiene muchos consejos y detalles sobre soldadura precisa, posicionamiento de piezas, manejo de herramientas y trabajo mecánico simple necesario para completar la construcción del proyecto.

Dado que el regulador propuesto no es una fuente de alimentación completa sin el circuito habitual de un transformador de potencia, un rectificador y condensadores de suavizado agregados, enCifra3 . Las piezas de esta sección no están incluidas en el kit del regulador de voltaje lineal de ±40 V y deben adquirirse localmente.

Aunque la construcción del proyecto y su uso práctico se detallan en el Manual de construcción, nos sentimos obligados a imprimir el siguiente aviso de seguridad también en este artículo: Los disipadores de calor grandes están conectados al voltaje de salida de ±40 V, no a GND. ¡Elimine siempre el voltaje de entrada antes de tocar o trabajar en el regulador!

En Elektor Labs, se construyó una configuración de prueba para verificar el funcionamiento del amplificador Fortissimo-100 en combinación con el regulador de voltaje lineal de ±40 V que se describe aquí. Ambas unidades se construyeron a partir de sus respectivos kits de Elektor. Los siguientes ingredientes clave entraron en la sección de suministro no regulado:

A niveles de salida bajos del Fortissimo-100, el espectro de frecuencia muestra que se pueden lograr mejoras muy pequeñas en comparación con la fuente de alimentación de modo conmutado SMPS800RE (Cifra4 ). El gráfico muestra el espectro de frecuencia de 1 W a 8 Ω. Los artefactos de conmutación del SMPS800RE desaparecieron, pero el resto del espectro es esencialmente el mismo. El rendimiento general del combo es impresionante, con distorsión armónica más ruido tan bajo como:

El regulador de voltaje lineal de ±40 V descrito aquí y disponible como kit de Elektor es una buena alternativa a las mejores, aunque asequibles, fuentes de alimentación de modo conmutado del mercado actual, y debería satisfacer a aquellos que se oponen, aunque sea ligeramente, al concepto o desempeño de “ellos @#!%^ conmutadores”. No dude en unirse a las discusiones técnicas sobre el regulador de voltaje lineal de ±40 V en la página de Elektor Labs creada para el proyecto.

Nota del editor: este artículo (220581-01) está previsto que aparezca en Elektor en septiembre/octubre de 2023.

Si tiene alguna pregunta técnica, puede ponerse en contacto con el equipo editorial de Elektor por correo electrónico a [email protected].