Spannungsversorgung des Design Amps

Der auf dieser Seite vorgestellte Design Amp wird mit +-30-40V betrieben. Diese Spannung wird für die Endstufen benötigt. Andere Teile wie die Vorverstärker, das VU Meter oder die Lüfterregelung brauchen eine geringere Spannung zwischen 5 und 14V, die Vorverstärker werden mit +-5V betrieben.

Es gibt grundsätzlich drei Möglichkeiten, diese kleineren Spannungen zu erzeugen: 1) Erweiterung des Netzteils welches diese Spannungen direkt herstellt, 2) lineare Regelung auf die benötigte Spannung, oder 3) den Einsatz eines step-down DC/DC Wandlers. Die beiden letztgenannten Möglichkeiten werden im Design Amp genutzt.

Lineare Regelung

Die lineare Regelung wird im Design Amp für die Erzeugung der -5V für die beiden Vorverstärker (OpAmps) eingesetzt. Die Vorteile der linearen Regelung sind: geringe Kosten, wenige Bauteile und eine sehr geringe Restwelligkeit der Spannung. Nachteile: eine je nach Spannungsdifferenz geringe Effizienz und damit hohe Verlustleistung.

Die Spannungsdifferenz zwischen -30-40V und den angestrebten -5V ist zwar hoch, da aber nur ein kleiner Strom fließt halten sich die Verluste in Grenzen und die lineare Regelung ist hier geeignet.

Die Schaltung ist zweistufig aufgebaut. Zunächst wird die Versorgungsspannung durch einen Vorwiderstand und eine Z-Diode auf für den nachfolgenden Spannungsregler verträgliche -15V reduziert. Der Festspannungsregler Regelt diese Spannung wiederum auf -5V herunter. Dass doch etwas Verlustwärme anfällt sieht man am etwas größer dimensionierten Vorwiderstand.

Schaltung zur Herabsetzung und Regelung der Spannung auf -5V
Schaltungsteil zur Erzeugung von +5V und -5V (unterer Spannungsregler)

DC/DC Wandler

Neben den -5V werden noch positive Spannungen in Höhe von 14V (Lüfter und VU-Meter) und +5V (Vorverstärker) benötigt. Die +5V Versorgung wird nur schwach belastet, so dass hier wieder ein Festspannungsregler eingesetzt werden kann. Da der Lüfter und auch das VU-Meter – je nach Anzahl der leuchtenden LEDs – aber einiges an Strom ziehen, ist eine lineare Regelung aufgrund der hohen Verluste nicht geeignet. Hier kommt ein DC/DC Wandler vom Typ L4978 zum Einsatz. Das nächste Foto zeigt die Schaltung des DC/DC Wandlers auf der Platine.

DC/DC Wandler zur Erzeugung von +14V aus der Versorgungsspannung (30-40V)

Statt die Spannung über einen veränderbaren Widerstand herunterzusetzen (bei Spannungsreglern über Transistoren realisiert), wird hier die volle Eingangsspannung lediglich sehr schnell ein und ausgeschaltet. Durch ein nachgeschaltetes Filter in Form einer Spule und eines Kondensators, erreicht den Ausgang ein Mittelwert dieser Rechteckspannung. Schalten erzeugt nur geringe Verluste, so dass in dieser Schaltung kaum Verlustwärme entsteht. Nach dem Filter liegt die Spannungshöhe konstant bei 14V mit einer geringen Restwelligkeit.

Spannungsverlauf vor dem Filter durch zu- oder abschalten der Eingangsspannung
Restwelligkeit der 14V Gleichspannung, hier 40mVpp

Die Restwelligkeit wird durch den 5V Festspannungsregler weiter herabgesetzt und stört in dieser Anwendung nicht. Sollte eine geringere Restwelligkeit notwendig sein, kann das insbesondere durch höhere Schaltfrequenzen erreicht werden die hier mit 100kHz eher niedrig eingestellt ist.

Entscheidend für die Qualität der Ausgangsspannung ist neben der Bauteilewahl das Layout. Bereits der Schaltplan des L4978 deutet auf eine bestimmte Masseführung hin, die auch im vorgeschlagenen Layout sichtbar ist. Im Layout des Design Amps ist diese besondere Masseführung besonders durch die Unterbrechung der Massefläche (rot) unter der Wandlerschaltung zu erkennen.

Des weiteren muss man sich bei der Layouterstellung den Stromfluss vor Augen führen, der sich in zwei Phasen aufteilt: 1) Laden der Spule (Spannung zugeschaltet) und 2) Entladen (Spannung abgeschaltet). In Phase 1 fließt Strom durch den L4978 in die Spule, die Spule speichert dabei Energie. In der zweiten Phase wird die Versorgungsspannung abgeschaltet. Der Strom durch die Spule kann sich aufgrund ihrer Trägheit (Induktivität) nicht schlagartig ändern und somit entlädt sich die in der Spule gespeicherte Energie über die Diode.

Phase 1: Spannung zugeschaltet, Spule wird geladen
Phase 2: Spannung abgeschaltet, Spule entlädt sich über die Diode

In einem Prototypen mit ungünstigem Layout machte sich das besonders in den „Spikes“ den Spitzen beim Ein- und Ausschaltvorgang bemerkbar. Folgender Spannungsverlauf wurde gemessen:

Restwelligkeit und „Spikes“ der 14V Gleichspannung mit einem ungünstigen Layout

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