Säädettävä jännitelähde putkivahvistimiin (osa 1)

Viime vuosina rakentelijoiden keskuudessa on kohistu uudesta tavasta säätää putkikitaravahvistimen ulostulotehoa.  Systeemin lanseerasi ja kaupallisti kitaravahvistinrintamalla ensimmäisenä Kevin O´Connor ja kutsui sitä Power Scaling:ksi. Idea on hyvin yksinkertainen: säätämällä pääteputkien käyttöjännitettä voidaan säätää vahvistimen ulostulotehoa ja saavuttaa pääteastesäröä pienemmillä äänenpaineilla. Toteutus melkein yhtä simppeli: tehdään jännitteensäätö perinteisellä säädettävällä transistoriregulaattorilla (ns. series pass regulator). Kytkentä on erittäin vanha, jo virtalähteiden alkuajoilta, vaikkakin monipuolisemmat ratkaisut ovat nykyään käytetympiä. Tarkoitukseemme kytkentä kuitenkin sopii erittäin hyvin. Jostain syystä kytkentään liittyy erittäin paljon mystiikkaa, jota ei vähennä eri valmistajien keksimät omat nimitykset samalle yksinkertaiselle säädettävälle jännitelähteelle. Tässä artikkelissa kerrotaan yksinkertainen, mutta tehokas tapa toteuttaa säädettävä jännitelähde putkivahvistinkäyttöön. Ensiksi käsittelemme kytkentää teoriatasolla ja lopuksi katsomme miten sitä voi hyödyntää kitaravahvistimissa tai labra-virtalähteissä.

Kaikkein yksinkertaisimmillaan kytkentä näyttää tältä:

1_regulaattori1

 

Mosfet T1:n sisäänmenoon (nielu, eng. drain) johdetaan b+ jännite tasasuuntaajalta. Jännite ohjataan potentiometrin P1 kautta transistorin hilalle (eng. gate). Transistorin ulostulon (lähde, eng. source) ja hilan välinen potentiaaliero on vain muutama voltti, mikä johtaa siihen että säätämällä hilan jännitettä säätyy myös Mosfetin ulostulojännite. Näin pystymme potentiometrillä säätämään transistorin ulostulojännitettä eli meillä on säädettävä jännitelähde. Transistorin virtavahvistuksen ansiosta pystymme erittäin pienellä virralla (potentiometrin läpi kulkeva virta) säätämään suuria virtoja (sisäänmenosta ulostuloon kulkeva virta). Potentiometrin ja maan välissä oleva vastus R, rajoittaa jännitesäätöä skaalan alapäässä. Kytkennän ulostulojännite on hilajännite vähennettynä transistorin kynnysjännitteellä. Jos käytämme mosfettia maksimi ulostulojännite on siis muutaman voltin alhaisempi verrattuna sisäänmenojännitteeseen. Rajoitusvastus R:n käyttö on järkevää, jotta säätö on lineaarinen, eikä mene turhaan tarpeettoman alas. Ensimmäinen esimerkkikytkentämme sisältää kuitenkin muutaman ison ongelman.

2_regulaattori_wocl_nsp2

 

Ensimmäisenä lisäämme komponentit suojaamaan transistoria vioittumasta. Lisäämme transistorin lähdöstä (source) hilalle (gate) zenerin, jottei mosfetin maksimi gate-to-source jännite missään tapauksessa pääse ylittymään. Mosfetit ovat erittäin herkkiä värähtelyille, joten niiden kanssa tulee aina käyttää ns. gate-stopper vastusta. Tämä vastus tulee sijoittaa niin lähelle transistoria kuin mahdollista. Käytämme esimerkissämme 220 ohmin vastusta.

Tämän tyyppinen kytkentä toimii jo käytännössä ja sitä hydyntää mm. Dana Hall VVR -nimellä kauppaamassaan systeemissä. Kytkennässä on kuitenkin edelleen muutama ongelma. Ensiksi potikan yli vaikuttaa käyttöjännite kokonaisuudessaan. Ongelmaa voidaan pienentää käyttämällä erittäin korkealaatuisia potentiometrejä, mutta silti on hieman arveluttavaa ja epäluotettavaa säätää potentiometrillä suoraan jopa 500V jännitettä. Jälleen kerran ongelmaamme löytyy helppo ratkaisu.

3_regulaattori_wocl1 Vaihdamme potikan tilalle toisen mosfetin toimimaan “säädettävänä vastuksena” (aivan kuten ensimmäinenkin transistori!). Voimme tällöin käyttää pienjännitettä säätämään transistorin T3 sourcen ja drainin välistä huomattavasti korkeampaa jännitettä. Otamme potikan P1 jännitteen huomattavasti suuremman vastuksen R6 kautta jolloin saamme sopivan jännitteen mosfetin T3 hilalle. Potikan yli vaikuttaa vain muutaman voltin jännite jolloin kytkentä on turvallinen käyttäjälle ja hellä potentiometrille pidentäen sen käyttöikää huomattavasti. Potikan yli on kytketty 12V Zener joka suojelee potikkaa, jos se irtoaa maa potentiaalista ja alkaa kellumaan käyttöjännitteessä, mikä on kyllä erittäin epätodennäköistä.  Tämän suojan vuoksi ei ole mahdollista että potentiometrin yli vaikuttaa yli 12V jännite.  Voimme siis turvallisin mielin viedä potentiometrin kauas kytkentälevystä eikä tarvitse huolehtia pahimmasta mahdollisesta skenaariosta, käyttöjännitteen karkaamisesta potikan kautta laitteen runkoon.  Zener suojaa myös T3:sta estäen gate-to-source -jännitteen nousemasta yli sallitun. Tällaisenaan kytkentä on jo erittäin käyttökelpoinen, mutta voimme parantaa sitä entisestään pienillä lisäyksillä.

 

4_regulaattori_valmis2Mitä tapahtuu jos pääteputkemme alkaa, vaikkapa bias potikan pettäessä, viemään normaalia korkeampaa virtaa? Sulakkeet paukkuu ja pahimmassa tapauksessa virtalähteemme transistori tai jopa verkkomuuntaja vioittuu. Entä jos haluamme putkitasureista tuttua notkumista virtalähteeseemme?

Ratkaisu molempiin on virranrajoitin. Kytkentään on hyvin yksinkertaista lisätä (jopa säädettävä) virranrajoitin. Lisäämme T1:n lähdön ja hilan väliin transistorin T2. Kytkentä toimii seuraavankaltaisesti: T3 kannan ja emitterin välisen jännitteen ollessa alle 0,7V:a (transistorin kynnysjännite) on transistori kiinni (emitterin ja kollektorin välillä ei kulje virtaa). Jos kytkentämme ulostulo alkaa menemään kohti maata eli virtalähteen jälkeinen kytkentä alkaa viemään enemmän virtaa kasvaa jännitehäviö R3 yli. Kun jännitehäviö nousee yli 0,7V:n alkaa transistori johtamaan eli ulostulon laskeva impedanssi alkaa vetämään T1:n hilaa alaspäin. T1:n ulostulo seuraa hilaa eli kytkennän ulostulojännite laskee. Virran rajoittimemme siis toimii!

R3 arvo säätää rajoittimen virtarajaa. R3 ollessa 1 ohmi on virranrajoitin säädetty 700mA:iin (tällöin emitterin ja kannan välinen jännite on 0,7A x 1 ohm = 0,7V) jne. Jos haluamme säädettävän virranrajoituksen voimme laittaa R3 yli potentiometrin. Jos haluamme putkitasasuuntaajamaista notkumista (eng. sag) voimme säätää virranrajoittimen toimimaan A/B-luokan vahvistimessa niin että se alkaa vaikuttamaan vasta kun vahvistin toimii lähes täydellä teholla. Eli kun soitat voimasoinnun alkaa pääte viemään enemmän virtaa laskee virranrajoitin putkille menevää jännitettä.

Perinteisessä kitaraputkivahvistimen virtalähteessä on suodatus tehty 10-100uF:n  kondensaattoreilla, jolloin virtalähteen impedanssi ei ole tasainen eri taajuuksilla vaan nousee rajusti taajuuden laskiessa. Edellä esitettyjen kytkentöjen impedanssi on taas tasainen suhteessa taajuuteen, joka voi vaikuttaa alapäiden toistoon. Halutessa voidaan kytkentämme ulostuloimpedanssia kasvattaa sarjavastuksella.

vpsu1

Variable power supply, first proto board.

Seuraavalla kerralla lisää, mm. piirilevyn printit ja tarkemmat soveltamisohjeet. Suositeltavaa luettavaa aiheen tiimoilta: Kevin O´Connor tuotanto. Etenkin TUT 6:ssa on paljon infoa Power Scaling systeemistä. …to be continued! Mikko Kankaanpää, 4.6.2009

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

You may use these <abbr title="HyperText Markup Language">HTML</abbr> tags and attributes: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>