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Das Kreuz mit der Heizung: Die Technik unseres LDO-Reglers
Das Kreuz mit der Heizung: Konsequenzen der Dropout-Voltage für Heiztrafo und Kühlkörper
Das Kreuz mit der Heizung: LM317 und die Dropout-Voltage
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Das Kreuz mit der Röhren-Heizung

Teil 2: Konsequenzen der Dropout-Voltage für Heiztrafo und Kühlkörper

 
Im ersten Teil der Heizungs-Serie haben wir anhand eines einfachen, LM317- basierten Heizungsreglers die Dropout-Voltage als dominanten Faktor beim Reglerentwurf kennengelernt. In diesem zweiten Teil wollen wir herausfinden, welche Konsequenzen die Dropout-Voltage für Heiztrafo und Kühlkörper hat.
 
Die Dropout-Voltage
Wie wir im ersten Teil gesehen haben, müssen wir die Dropout-Voltage begreifen als Differenzspannung zwischen der minimalen Ladespannung am Siebelko und der Ausgangsspannung des Reglers. Wenn die Dropout-Voltage unterschritten wird, setzt der Heizungsregler aus und erfüllt damit seine Funktion nicht mehr.
 
 
Für die korrekte Funktion des Reglers ist es deshalb notwendig, dass die Spannung am Siebelko jederzeit über einem bestimmten Limit liegt. Mit der Spannung des Heiztrafos und der Größe des Siebelkos halten wir hierfür die zwei wichtigsten Faktoren in der Hand. Es gibt natürlich noch weitere Faktoren, aber um für die nachfolgenden Betrachtungen nicht zu viele Parameter zu haben, setzen wir für den Siebelko 9.000uF (10.000uF mit 10% Toleranz) an und rechnen alle Beispiele mit einer festgelegten Schaltung, um auch die Verluste wie etwa die der Gleichrichter-Dioden zu erfassen.
 
Eine klassische Schaltung für LM317 oder LT1085 könnte so aussehen:
 
 
Auf die Anschlüsse des Heiztrafos folgt eine Gleichrichterbrücke aus Schottky-Dioden und der Siebelko mit nominal 10.000uF wie oben schon spezifiziert. Schottky- oder Schottky-Barrier- Dioden haben den einen Vorteil, weniger Verluste durch eine kleinere Vorwärtsspannung (Spannungsabfall über der leitenden Diode) zu produzieren, und durch die kleinere Sperrschichtkapazität erzeugen sie weit weniger Schalt-Spikes beim Übergang vom Leiten ins Sperren als einfache Siliziumdioden. IC1 ist wahlweise ein LM317 oder ein LT1085, als Stabi- ICs das Herz des Netzteils. R1 und R2 stellen die Ausgangsspannung ein. Die Gruppe R3, T1 und C3 bildet eine einfache Softstart-Lösung, die die Ausgangsspannung erst langsam bis zu ihrem Sollwert ansteigen lässt. Dafür wird C3 über R1 und R3 langsam geladen; der anfangs voll leitende T1 sperrt immer mehr, bis er sich quasi selbst außer Betrieb nimmt und folglich R2 nicht länger überbrückt. Röhren, deren Heizung auf 6.3 Volt ausgelegt ist, brauchen den Softstart streng genommen nicht, weil sie für eine "harte" Heizspannung ausgelegt sind. Der Softstart ist jedoch Pflicht für 12.6 Volt Röhren, um den Strom durch die anfangs noch kalten und damit niederohmigen Heizfäden zu begrenzen. C2 ist der Ausgangselko, und D1 sowie D2 schützen den Stabi beim Abschalten des Heiztrafos.
 
 
Zahlenspiele mit LM317
Mit dieser Schaltung -eingebaut wird zunächst ein LM317- versorgen wir wieder die Heizung einer 6SN7 mit 0.6 Ampere. Dabei testen wir für verschiedene Trafospannungen die Funktion der Schaltung, den Abstand zur Dropout-Voltage und die entstehende Verlustleistung des Stabi-IC.
 
 
Wie unschwer zu erkennen ist, funktioniert die Schaltung nicht an einer 6.3 Volt Trafowicklung.
Die nächste Standard-Größe wäre ein Trafo mit 9 Volt-Wicklung, der als Röhrentrafo von der Stange aber nur schwer erhältlich sein wird. Mit dem 9 Volt Trafo funktioniert der Regler, allerdings produziert der Stabi bereits 3 Watt an Verlustleistung, und das für lediglich 600 Milliampere Laststrom. Ein Kühlkörper, der auch in einem Gehäuse eingebaut die Verlustleistung zuverlässig abführt, sollte ein Modell mit 10 K/W oder besser sein. Der besitzt allerdings schon eine merkliche Größe, was in einem Röhrenverstärker aus ästhetischen Gründen nicht jedermanns Sache ist.
An einem Heiztrafo mit 12.6 VAC ist die Dropout-Voltage erwartungsgemäß kein Problem, aber wegen der höheren Eingangsspannung ist die Verlustleistung praktisch verdoppelt, was einen noch größeren Kühlkörper erfordern würde.
 
Damit bleibt festzuhalten, dass ein LM317-basierter Regler bedingt durch seine Dropout- Voltage kein optimaler Kandidat für eine 6.3 Volt Gleichspannungs-Heizung ist.
 
 
LT1085
Der vielfach in Heizreglern eingesetzte LT1085 gehört zur Familie der LT1083/LT1084/LT1085, einer Reihe von Spannungsreglern, die mit einer geringen Dropout-Voltage und damit hoher Effizienz wirbt. Eingesetzt werden kann der LT1085 im Prinzip wie ein LM-Stabi. Sogar seine interne Referenzspannung ist identisch, weshalb der Stabi unmittelbar in obige Schaltung eingesetzt werden kann.
Die Dropout-Voltage wird mit 1 Volt angegeben. Wie schon beim LM317 wollen wir im ersten Schritt überprüfen, ob unser Simulations-Modell die Wirklichkeit wiedergibt.
 
 
Statt des Gleichrichters verwenden wir in der Simulation zum Austesten der Dropout-Voltage wieder 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, wenn die Differenzspannung kleiner als circa 1 Volt wird. Unsere Simulationsmodell vom LT1085 hat also eine Dropout-Voltage von einem Volt passend zur Angabe im Datenblatt.
 
 
Zahlenspiele mit dem LT1085
Man kann voraussetzen, dass der LT1085 wie der LM317 an höheren Trafo-Spannungen funktioniert, ohne dies gesondert beweisen zu müssen. Dabei wird der Stabi die gleiche Verlustleistung wie sein Kollege produzieren, was zu den gleichen, ungeliebten Kühlkörpern führt.
Viel spannender ist die Frage, wieviel Laststrom aus dem 1085 zu holen ist, wenn er von einer 6.3 Volt Wicklung gespeist wird. In dieser Disziplin muss er sich beweisen, wenn er die Mehrkosten gegenüber einem LM317 rechtfertigen will.
 
 
Immerhin leistet der Baustein die geforderten 0.6 Ampere relativ sicher, auch wenn die Dropout-Reserve mit etwa 0.2 Volt praktisch aufgebraucht ist. Dass er dabei nur 0.9 Watt an Verlustleistung produziert ist sehr willkommen, denn es gibt die Daumenregel, dass TO-220 Gehäuse bis zu einem Watt ohne zusätzlichen Kühlkörper auskommen.
Die Heizung von drei ECC83 würde etwa 0.9 Ampere erfordern, aber damit wäre auch ein LT1085 in obiger Schaltung überfordert, da keine Dropout-Reserve mehr vorhanden ist.
Mit der gegebenen Schaltung zeigt also auch der LT1085 Schwächen, die gegen den Baustein/die Schaltung als universelles 6.3 Volt Heiznetzteil sprechen.
 
Einige von Ihnen mögen argumentieren, dass sie den LT1085 mit Erfolg als Heizungsregler einsetzen. Haben wir falsch gerechnet? Nun, hoffentlich nicht. Aber die Simulation lässt unberücksichtigt, dass die meisten Trafos bei mittlerer Belastung "drüber" sind, sprich statt 6.3 eher 6.5 bis 6.7 VAC liefern, was dem Stabi enorm hilft. Es gibt eben immer noch einen Unterschied zwischen Theorie und Praxis...
 
 
Ausblick
Im nächsten Teil dieser Artikelserie stellen wir Ihnen die Technik unseres 6V3-LDO Reglers vor. Der leistet an einem 6.3 Volt Trafo 1.2 Ampere - nicht nur in der Theorie!
 
 
Bis zum nächsten Mal,
Ihr Team von McIntyre-HiFi
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