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Das Kreuz mit der Röhren-Heizung

Teil 1: LM317 und die Dropout-Voltage

 
Das Thema Röhrenheizung ist gewiss nicht so spektakulär wie ein Eintakter mit Senderöhre oder ein 6C33-OTL. Eher schon empfinden wir Verstärkerbauer die Heizung als lästige Pflichtaufgabe; allerdings sollte die Aufgabe durchaus ernst genommen werden, wollen wir unsere Preamps, insbesondere die Phono- Vorverstärker, brummfrei bekommen.
 
Man möchte meinen, dass ein Heizungsregler, der um ein Stabi-IC herum aufgebaut wird, keine große Sache sei, aber wie immer steckt der Teufel im Detail. In diesem ersten Teil entwerfen wir ein 6.3 Volt Heiznetzteil, das eine 6SN7 mit etwa 600mA versorgen soll. Als Stabi wird bewusst ein LM317 ausgewählt, um die Fallen beim Reglerdesign sehr anschaulich verdeutlichen zu können. Freunde des LT1085 müssen wir auf den nächsten Teil vertrösten.
 
Ein simples Heiznetzteil mit einem LM317
Eine Reglerschaltung mit einem LM317 ist sehr schnell hingezeichnet: Gleichrichter, Siebelko und noch ein zweiter Elko am Ausgang; zentral der Stabi, der über die Widerstände R1 und R2 auf 6.3 Volt eingestellt wird, schließlich wollen wir eine 6SN7 mit etwa 600 Milliampere beheizen.
Nicht eingezeichnet, weil für unsere Untersuchung ohne Belang, sind Schutzdioden über dem Stabi oder eine optionale Softstart-Lösung mit einem zusätzlichen Transistor. Wer diese oder ähnliche Schaltungen real aufbaut, sollte darauf aber nicht verzichten.
 
 
Die Dropout-Voltage
Eine für unsere Aufgabe sehr wichtige Angabe im Datenblatt des Stabi-IC ist die sogenannte Dropout-Voltage. Die Dropout-Voltage ist die Mindestspannung, die der Regler zwischen seinem Eingang und Ausgang haben muss, um die Regelung aufrecht zu erhalten. Sinkt die Spannung unter die angegebene Grenze, setzt der Regler aus. Sie ist immer lastabhängig und wie dem Datenblatt zu entnehmen ist, beim LM317 auch temperaturabhängig. Allerdings fehlt dem Diagramm in unserem Datenblatt die Angabe, ob mit der Temperatur die Core-Temperatur im Halbleiter, die Gehäuse-Temperatur oder die Umgebungstemperatur gemeint ist. Wirklich hilfreich ist das nicht, aber nehmen wir für unseren Einsatz und 600 Milliampere Laststrom eine Dropout-Voltage von ca. 1.75 Volt an.
Ein LM317 braucht also mindestens 1.75 Volt zwischen seinem Eingang und seinem Ausgang, damit die Regelung nicht aussetzt. Wie schon so oft benutzen wir auch hier wieder der Einfachheit halber den Simulator, um dies zu verifizieren.
 
 
Im Simulator wird obige Schaltung nachgebaut. Statt des Gleichrichters verwenden wir zum Austesten der Dropout-Voltage eine Gleichspannung am Eingang, der wir eine Sinusspannung überlagern, so dass die Eingangsspannung als Ganzes zwischen 7 und 13 Volt schwankt.
Im unteren Teil des Plots sehen wir die Ausgangsspannung des Reglers und in der oberen Hälfte die Differenz aus Eingangs- und Ausgangsspannung. Wie unschwer zu erkennen ist, bricht die Ausgangsspannung regelmäßig ein, nämlich immer dann, wenn die Differenzspannung kleiner als circa 1.75 Volt wird. Unsere Simulation passt also als Modell der Wirklichkeit.
 
Bis hierher ist dies alles nicht schwer zu verstehen, aber was viele beim Reglerdesign nicht beachten: Die Eingangsspannung am Regler ist nicht konstant! Was der Regler am Eingang sieht ist die Ladespannung des Siebelkos hinter dem Gleichrichter, und diese verläuft sägezahnförmig, da die Gleichrichter nur nachladen, wenn die Trafospannung höher ist als die Ladespannung am Elko, während solange die Trafospannung kleiner als die Ladespannung ist, die Gleichrichter sperren und der Elko von der Schaltung langsam entladen wird. Daher müssen wir die Dropout-Voltage begreifen als Differenzspannung zwischen der minimalen Ladespannung am Elko und der Ausgangsspannung.
 
 
Dieser Plot zeigt in der oberen Hälfte die Spannung über dem Stabi, wenn der Regler an Trafo, Gleichrichter und Siebelko angeschlossen ist. Am unteren Teil des Plots sehen wir, dass der Regler (mit 600mA Last) einwandfrei arbeitet. Die Form der Differenzspannung ist geprägt von der Ladespannung des Siebelkos, aber da die Dropout-Voltage nicht unterschritten wird, funktioniert der Regler.
Die Ladespannung am Siebelko ist natürlich abhängig von der Trafo-Spannung, der Siebkapazität und nicht zu vergessen: vom Laststrom. Denn je größer der Laststrom ist, desto tiefer wird der Siebelko in der Sperrphase des Gleichrichters entladen. So reicht bereits eine relativ kleine Erhöhung des Laststroms oder eine etwas verkleinerte Trafo-Spannung aus, um unseren LM317-Regler aus dem Tritt zu bringen.
 
 
Fazit
Eine Schaltung für einen Heizspannungsregler ist zwar schnell gezeichnet, muss aber sehr sorgfältig dimensioniert werden. Von zentraler Bedeutung ist die Dropout-Voltage des Regelbausteins. Abhängig vom Laststrom sind Trafospannung und Siebkapazität so zu wählen, dass die Dropout-Voltage nicht unterschritten wird. Beachten Sie bitte dabei, dass Elkos Toleranzen bis zu 20 Prozent haben, und auch Gleichrichterdioden keine idealen Bauteile sind.
Im nächsten Artikel betrachten wir noch weitere Aspekte des Reglerentwurfs, die in einem Vergleich des LM317 mit einem LT1085 münden.
 
 
Bis zum nächsten Mal,
Ihr Team von McIntyre-HiFi
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