Schaltnetzteil mit Gyrator

Autor

Beitrag

Keksstein
Inventar

#1 erstellt: 14. Sep 2015, 21:34

Hallo zusammen,

ich versuche einmal hier meine Gedankengänge zu dem Thema zu erklären, ich hoffe verständlich.

Ich möchte für ein Projekt mal etwas anderes als die "normalen" symmetrischen Spannungsversorgungen mit Trafo, Gleichrichtung, Siebung und Spannungsreglern versuchen, aktuell benötige ich z.B. +-15V @ 500mA. In vielen Hifi und High-End Geräten sind Schaltnetzteile bereits verbaut, Funk Tonstudiotechnik oder Violectric als Beispiele, manche Firmen haben in den Geräten selber DC/DC Wandler um eine symmetrische Spannung aus einem beliebigen Steckernetzteil zu bekommen. Das ganze hat meiner Meinung nach wenn es richtig gemacht wird auch Vorteile, während die Störungen (Brummen z.B.) bei gewöhnlichen Netzteilen voll im NF Bereich liegt hat man bei Schaltnetzteilen eher mit Frequenzen außerhalb der NF zu "kämpfen". Die Störunterdrückung von Verstärkern (PSRR) sinkt zwar bei hohen Frequenzen, allerdings sind zumindest die besseren Schaltnetzteilmodule wegen Normungen sehr störungsarm. Denkt man an gewöhnliche Netzteile entstehen bei der Gleichrichtung aber auch HF-Anteile die unter Umständen Probleme machen können.

Schaut man sich die Designs an ist es häufig ähnlich um das eigentliche Schaltnetzteil aufgebaut, dem Netzteil wird ein Spannungsregler und eventuell ein passives Filter nachgeschaltet als Stördämpfung. Der Vorteil des SNTs (hohe Effizienz) wird dabei wieder kaputtgemacht, mein Problem war ein anderes. Die symmetrischen Schaltnetzteile sind alle auf +-15V ausgelegt, Einzelmodule gibt es eigentlich nur mit 15V oder 24V am Ausgang. Man könnte jetzt die +-15V per Linearregler auf +-12V regeln mit relativ niedrigen Verlusten, dagegen spricht die Aussteuerbarkeit des Verstärkers. Will man sich an Normen halten sollen es +22dBu sein vor der Übersteuerung. Regelt man das 24V Netzteil herunter auf 15V oder 18V sind die Verluste wieder gleich hoch wie beim "normalen" Weg, 18V machen viele OPVs schon nicht mehr mit. Ideal wäre also ein +-15V Netzteil mit nachgeschaltetem LDO Regler als Filter, allerdings braucht man die Spannungsregelung ja garnicht. Einem OPV ist es egal ob er mit 14V oder 15V versorgt wird solange die Spannung frei von hochfrequenten Artefakten ist. Über das Forum bin ich dann auf die Idee mit den Gyratoren gestoßen.

Ein einfacher Längsregler und ein Gyrator sind ja ähnlich aufgebaut, beide haben durch ihren Aufbau ein Verhalten vergleichbar mit einer einer Induktivität. (da liegt ja der Sinn vom Gyrator) Beim Längsregler sind die Verluste relativ hoch, der Regeltransistor muss eine hohe Verlustleistung verarbeiten können und ist dadurch häufig langsamer als ein Transitor für kleinere Leistung. Der Gyrator hat einen geringen Spannungsabfall <1V und sein Regeltransistor wird dadurch weniger belastet -> man kann einen schnelleren Transistor nehmen der dafür weniger Leistung verbraten kann. So kann das aussehen, durch einen Widerstand zwischen der BE Strecke kompensiert man Temperaturprobleme: (nicht eingezeichnet)

http://3.bp.blogspot...cuit%2BDiagram-2.png

Ich denke um so schneller der Regeltransistor um so besser die Stördämpfung bei HF, das kombiniert mit einem Kondensator dessen ESL bei hohen Frequenzen klein bleibt (Tantal oder MLCC z.B.) und man sollte eine symmetrische Spannungsquelle haben die für Audio mehr als gut geeignet und der Standard Lösung mit 78xx/79xx oder 317/337 eventuell sogar überlegen ist.

Wie seht ihr Schaltnetzteile in Kombination mit den Gyratoren für Audio Projekte, aufwendiger Unsinn oder super Idee?

Über Eure Meinungen würde ich mich freuen

Gruß
Jan

P@Freak
Inventar

#2 erstellt: 14. Sep 2015, 22:49

Tja,

da sollte man sich aber erst mal bewusst sein was und wie eine Zusatzschaltung selber genau ausregeln kann (und was nicht) und was die Zusatzschaltung dann selber dem Signal "beifügt". Da sehe ich bei deiner "Simplexschaltung" durchaus Probleme ...
Im Zweifelsfall macht der Praktiker Messungen wenn man theoretisch nicht weiter kommt.

Filtern und Regeln mal getrennt betrachtet gibt es auch gerade wenn es um symmetrie geht ein weiteres Problem.
Mann müsste das Signal auch Symetriegekoppelt regeln können.

Dazu war vor langer Zeit schon mal ein Artikel mit IC Schaltung in ner Elektor Sonderausgabe die aber bei mir als Papierform tief im "Archiv" liegt ...

Dazu muss aber jeder selber zu seinem eigenen Weg finden ... ich wünsche viel Spaß dabei.

P@Freak

[Beitrag von P@Freak am 14. Sep 2015, 22:56 bearbeitet]

audiophilanthrop
Inventar

#3 erstellt: 14. Sep 2015, 23:59

Im Bereich Netzteile für Röhrentechnik wurde sowas durchaus schon ausprobiert, meine ich, such einfach mal. Ein Gyrator ist ein simulierter L, damit kannst du also z.B. CLC-Filter bauen, ohne auf teure und klobige Drosseln im Henrybereich (beim geforderten Strom) zurückgreifen zu müssen. Ganz ohne Spannungsabfall geht's halt nicht, weniger als bei einem Nicht-LDO aber schon. Und super-ultra-niedriger ESR ist auch nicht unbedingt drin. Und ob der Gyrator es mag, wenn ein Low-ESR-C dranhängt, ist nochmal 'ne andere Frage.

Ob man jetzt für eine Schaltregler-Entstörung unbedingt einen Gyrator braucht, hmm. Da geht's ja normalerweise um mindestens einige 10 kHz, oder gar noch deutlich mehr. Sowas wird man auch passiv mit ein paar L und C ganz gut los.

Der HF-Sauereifaktor von Schaltwandlergeschichten ist ja normalerweise eher durch Gleichtaktstörungen bedingt. Und da helfen nur stromkompensierte Drosseln, im Zweifelsfall mehrere unterschiedliche für eine möglichst breitbandige Wirkung. (Ein- wie ausgangsseitig, versteht sich.) Sowas findet sich dann auch prompt in so ziemlich jedem Netzfilter, idealerweise nebst konventionellem Reihen-Ls (und Parallel-Cs natürlich).

Es finden sich immer wieder ganz schlaue Schaltnetzteil-Hersteller, die meinen, es ginge gänzlich ohne L jedweder Couleur. Ist ja so schön kompakt. Tja, Pustekuchen. Ein LMKU/DAB-Empfänger daneben dürfte deutlich anderer Meinung sein.

Ganz davon abgesehen fällt auf, daß direkt (ungefiltert) am Netz angeschlossene kapazitive Netzteile schon mal Probleme mit der Langlebigkeit ihrer Cs haben. Einzige sinnvolle Erklärung, die mir dazu einfällt, sind Pannungspitzen. Mit ordentlich L davor wäre das wohl nicht passiert. Da hat ein altmodischer Trafo zur Abwechslung mal echte Vorteile. (Echte Potentialtrennung mit SNT ist auch nicht so ganz einfach.) Aber à propos Trafo, wie war das nochmal mit dem Ein- und Ausschalten von Ls...?

[Beitrag von audiophilanthrop am 15. Sep 2015, 00:31 bearbeitet]

Keksstein
Inventar

#4 erstellt: 15. Sep 2015, 22:00

Hallo P@Freak,

meine Schaltung ist einem einfachen Längsregler ja nicht unähnlich, das Rauschen des Transistors wird noch dazu kommen, stört aber wohl nicht wirklich. Oder meintest Du etwas anderes?

Filtern und Regeln mal getrennt betrachtet gibt es auch gerade wenn es um symmetrie geht ein weiteres Problem.
Mann müsste das Signal auch Symetriegekoppelt regeln können.

Wenn sich die Positive und negative Versorgungsspannung leicht unterscheiden stört das die OP Schaltung wenig.

Hallo audiophilanthrop,

Bei der Röhrentechnik habe ich auch schon Schaltungen gefunden, z.B.:

http://www.loetstelle.net/projekte/gyrator/gyrator.php

Audio Schaltungen im Kleinsignalbereich haben doch sowieso eine relativ konstante Stromaufnahme, wird lokal noch genügend mit Kondensatoren gestützt sowieso. Ich sehe eigentlich kein Problem im ESR des Gyrators, zumindest wenn er nicht zu groß wird. Erweitert man die Schaltung zu einem Emitterfolger dürfte der Spannungsabfall relativ konstant bleiben oder?
Das mit der Lastkapazität hatte ich nicht bedacht, danke. eine Strombegrenzung müsste her, die Frage ist wie man das aufbauen kann.

Ob man jetzt für eine Schaltregler-Entstörung unbedingt einen Gyrator braucht, hmm. Da geht's ja normalerweise um mindestens einige 10 kHz, oder gar noch deutlich mehr. Sowas wird man auch passiv mit ein paar L und C ganz gut los.

Wenn es so einfach funktioniert wäre mir das natürlich lieber. Unnötig Aufwand betreiben finde ich Sinnlos

Der HF-Sauereifaktor von Schaltwandlergeschichten ist ja normalerweise eher durch Gleichtaktstörungen bedingt. Und da helfen nur stromkompensierte Drosseln, im Zweifelsfall mehrere unterschiedliche für eine möglichst breitbandige Wirkung. (Ein- wie ausgangsseitig, versteht sich.) Sowas findet sich dann auch prompt in so ziemlich jedem Netzfilter, idealerweise nebst konventionellem Reihen-Ls (und Parallel-Cs natürlich).

Dem Thema Gleichtaktstörungen kann man doch aus dem Weg gehen wenn man die Signalmasse direkt am SNT mit dem Gehäuse (also mit dem Schutzleiter) verbindet? Bei unsymmetrischen Geräten hat man Probleme mit Brummschleifen, bei symmetrischen legt man sowieso Masse und Schutzleiter am Sternpunkt zusammen und unterbricht die Verbindung zu Pin 1 wenn es Probleme gibt.

Es finden sich immer wieder ganz schlaue Schaltnetzteil-Hersteller, die meinen, es ginge gänzlich ohne L jedweder Couleur. Ist ja so schön kompakt. Tja, Pustekuchen. Ein LMKU/DAB-Empfänger daneben dürfte deutlich anderer Meinung sein.

Ich möchte ja keine Ramschware kaufen sondern ein gutes Modul von Traco Power etc.

http://www.farnell.com/datasheets/1858126.pdf

Ganz davon abgesehen fällt auf, daß direkt (ungefiltert) am Netz angeschlossene kapazitive Netzteile schon mal Probleme mit der Langlebigkeit ihrer Cs haben. Einzige sinnvolle Erklärung, die mir dazu einfällt, sind Pannungspitzen. Mit ordentlich L davor wäre das wohl nicht passiert. Da hat ein altmodischer Trafo zur Abwechslung mal echte Vorteile. (Echte Potentialtrennung mit SNT ist auch nicht so ganz einfach.) Aber à propos Trafo, wie war das nochmal mit dem Ein- und Ausschalten von Ls...?

Das macht ja auch wieder den Unterschied zwischen billigen und besseren Netzteilen aus. Und das Thema Potentialtrennung (ich denke Du wolltest auf die Y-Cs zwischen Primärseite und Masse hinaus?) hat sich auch erledigt legt man Masse direkt am Netzteil aufs Gehäuse und damit den Schutzleiter.

lg,
Jan

[Beitrag von Keksstein am 15. Sep 2015, 22:41 bearbeitet]

ESELman
Stammgast

#5 erstellt: 20. Sep 2015, 09:15

Hi,

ich arbeite gerne mit kleinen isolierten DC-DC-Wandlern, z.B. von Murata.
Die gibt es ab unter 1W mit Einzel, oder Doppelspannung, versorgt aus einer Einzelspannung (typ. 5V, 12V (z.B. Akku oder PC), 24V, 48V)
Die Schaltfrequenzen liegen typischerweise >50kHz, also ausreichend weit ausserhalb des Audio-Bandes -- was ja einer Der Vorteile gegenüber klassischen Versorgungen mit Netzfrequenz darstellt -- die Störfreiheit im Audio-Band.
Die besseren Wandler kommen mit sehr geringen Ripple&Noise-Werten von teils unter 10mV.
An Stelle der DC-DC-Wandler können selbstverständlich auch kleine AC-DC-Wandler genommen werden .... die gehen ab ca. 5W los.
Mit Vor- und Nachfilterung lässt sich das Störniveau auf niedrigere Werte drücken.
Es reichen dann einfache Kapazitätsvervielfacher und kleine Kapazitäten aus um die hochfrequenten Störungen sicher abzufangen.
Allerdings gibt es mit z.B. TI´s TPS7A30xx und 49xx sehr rauscharme lowdrop Regler die speziell für die Nachfilterung switchender Wandler ausgelegt sind und eine höhere und breitbandigere Störunterdrückung (PSRR) aufweisen als die bisher üblichen Verdächtigen.
Noch besser scheinen die neuerenLT3080 und LT3042, die allerdings Schwierigkeiten beim Löten bedeuten können (DFN-Gehäuse, nur etwas für sehr erfahrene Löter)
Auf jeden Fall erscheint es einfacher, sehr störarme, kompakte und lokale Versorgungen (Point of Load, POL) auf diese Art zu bauen und teurer ist es auch nicht unbedingt.
Falls es doch unbedingt ein Kapazitätsvervielfacher sein soll, dann schau Dir mal den Thread CFP Cap Multiplier von Keantoken im DIY-Audio an.
Der Vorteil der Schaltung ist die mögliche extrem niedrige Ausgangsimpedanz selbst zu tiefsten Frequenzen hin, ähnlich den Spannungsreglern (einfache ein-Tansistor CapMps weisen hier einen deutlichen Anstieg auf, ähnlich einer einfache Kapazität.)
Der Aufwand für den besseren Cap-Mp ist aber eher größer als für die integrierten Regler und sie müssen exakt auf die Last dimensioniert sein, das die Niederohmigkeit auch erzielt wird.

DerESELman

Keksstein
Inventar

#6 erstellt: 20. Sep 2015, 13:54

Hallo ESELman,

die Tipps mit den LDOs sind sehr gut, danke!

Auch wenn die LT Chips bessere Daten haben, leider gibt es keine Negativregler oder ich konnte keine finden. Damit das mit dem SNT funktioniert muss ja der GND mit dem Schutzleiter verbunden sein, deshalb bin ich auf die Negativregler angewiesen.
(Auch das man sie parallel schalten könne spricht für den LT3042, schade)
Ich habe hier mal angefangen mit TPS7A30/49xx ein Netzteil zu designen, Verbesserungsvorschläge sind erwünscht:

Es sollen am Schluss 2 identische Module versorgt werden, wegen der Stromaufnahme hat jedes Modul seine eigenen Regler bekommen. R6/7/10/13 sind "Angstwiderstände" weil die kapazitive Last relativ hoch ist (ca 400µF) und manche LDOs ja damit Probleme haben. Die Zuleitungen sind relativ lange, es ist sehr unwahrscheinlich das es Probleme gibt, deshalb vorerst 0R. Aus dem Grund liegen auch die Schottky Dioden über dem Regler, wenn die Ausgangsspannung beim SNT schlagartig sinkt überleben die Regler.
Der NE555 macht die Einschaltverzögerung, ich muss mir allerdings noch etwas einfallen lassen das sofort beim Abschalten sein Ausgang auch abschaltet. Er darf 2 Mute Relais steuern.

lg,
Jan

audiophilanthrop
Inventar

#7 erstellt: 15. Okt 2015, 12:13

Würde hinter IC1 noch 2x stromkompensierte Drossel einsetzen (OUT1/COM, OUT2/COM).

Keksstein (Beitrag #6) schrieb:

R6/7/10/13 sind "Angstwiderstände" weil die kapazitive Last relativ hoch ist (ca 400µF) und manche LDOs ja damit Probleme haben.

Meistens ist es aber eher niedriger ESR, der Probleme macht. Keramik-Cs direkt am Regler sind da u.U. viel kritischer als größere Kapazitäten "irgendwo" weiter weg, hinter werweißwieviel parasitärem L. Datenblatt lesen.

Keksstein (Beitrag #6) schrieb:

Aus dem Grund liegen auch die Schottky Dioden über dem Regler, wenn die Ausgangsspannung beim SNT schlagartig sinkt überleben die Regler.

Schutzdioden sind immer gut.

Keksstein (Beitrag #6) schrieb:

Der NE555 macht die Einschaltverzögerung, ich muss mir allerdings noch etwas einfallen lassen das sofort beim Abschalten sein Ausgang auch abschaltet.