Sehr einfach gehaltener Spannungsregler mit Transistoren oder Röhren

Ein Leser wollte einen Spannungsregler mit Röhren und Glimmstabilisator sehen, gerne zu, ich male was einfaches auf:

Vergleich Transistor- Röhrenschaltung (in der rechten Schaltung ist die Angabe 87 Volt falsch, siehe hier)

Die linke Schaltung in Transistortechnik, rechts in Röhrentechnik. Beide Schaltungen sind im Prinzip die gleichen. Für viele ist Transistortechnik leichter verständlich als Röhrentechnik, das ist aber reine Übungssache, daher der  Vergleich.

Regelungstechnisch grob einteilen läßt sich die Schaltung so:

Stellglieder:

T2 und V2 sind der Regeltransistor bzw. die Regelröhre. Die Regelstrecke ausgelegt einmal als Emitterfolger und als Kathodenfolger, beide Schaltungen haben einen niedrigen Ausgangswiderstand, sie sind schnell, sie alleine haben jedoch keine Spannungsverstärkung.

Regler:

T1 und V1 sind die Regelverstärker, ihre Aufgabe ist es den Basisstrom von T2 entweder zu erhöhen oder zu verringern, die Röhre V1verringert oder erhöht an Röhre V2 die Gitterspannung g1 gegenüber der Kathode.

Führungsgrößen:

Zenerdiode ZD1 hier mit 6.2 Volt und Glimmstabilisator Röhre GL1, z.B. Typ 85A2 mit 85 Volt Brennspannung

Gegenkopplung:

jeweils Rf und Rg

Funktionsweise Transistorschaltung:

die Funktionsweise läßt sich am besten erklären ausgehend von einem eingeschwungenen Zustand der Schaltung im Betrieb. Nehmen wir an im 150 Ohm Lastwiderstand fließt der Sollstrom von 100mA und der Widerstand Rlast sei ein sich ständig verändernder Widerstand. Nun erhöht sich aus irgendeinem für die Regelung vollkommen unwichtigen Grund unser Rlast.

Was geschieht? Bisher waren am Eingang 25 Volt am Ausgang 15V, d.h. am T2 liegen 10V und fließen etwa 100mA, das bedeutet T2 hat in diesem Moment einen Widerstand von 100 Ohm. Der Spannungsteiler aus T2 und Rlast ist mittels dem Basisstrom von T2 durch die Regelung so eingestellt, daß 15 Volt am Ausgang erscheinen. (Nebenbei verdeutlicht dies nochmals, Transitoren und Röhren sind keine Verstärker und keine Batterien sondern nur einstellbare Widerstände mit mehr oder minder miserablen Eigenschaften, aus der Sicht eines Festwiderstand sind Transitoren und Röhren nichts als Schrott, lediglich sehr schnell verstellbar).

Zurück zur Annahme: Rlast wird plötzlich hochohmig, im gleichen Moment ist T2 immer noch auf 100 Ohm eingestellt, dadurch schießt auch am Ausgang die Spannung plötzlich nach oben. Jetzt greift aber die Regelung sofort dagegen ein. Mit ansteigender Ausgangsspannung fließt automatisch sofort ein höherer Strom durch den Spannungsteiler aus Rf und Rg, dadurch steigt auch sofort das Basispotential Ube am Verstärker Transistor T1 mit in die Höhe, da ja der Emitter von T1 sagen wir mal nahezu (stabil und felsenfest) auf der konstanten Spannung 6.2 Volt der Zenerdiode aufsitzt. Wie soeben festgestellt will die Ube ansteigen. Was passiert bei einem Anstieg der Ube, es fließt natürlich mehr Strom in die Basis von T1 hinein. - Gedankenpause - genau jetzt soll man sich noch einmal eine Ube Kennlinie geistig vor Augen halten: der Transistor befindet sich schon etwa im Knickpunkt von 0.7 Volt, d.h nur ein klein wenig mehr und es donnert nur so feste rein mit zusätzlichem Strom in die Basis.

Durch den ansteigenden Basisstrom von T1 wird der Transistor T1 natürlich sofort stark niederohmig, was passiert dadurch in der Schaltung? - Gedankensprung - dazu muss nun der Spannungsteiler aus Rc und T1 betrachtet werden. Die Eingangsspannung ist in dem Moment der Betrachtung konstant auf ihren 25 Volt, der Knoten mit 15.7 Volt wird versucht nach unten zu ziehen, das hat zur Folge, daß sofort der Basisstrom aus dem Transistor T2 reduziert wird, mehr Strom als bisher aus dem Rc wird quasi "umgelenkt" in den Kollektor von T1, da ja jetzt T1 niederohmig eingestellt worden ist. Die Folge des sinkenden Basisstroms an T2 ist der Widerstand an T2 erhöht sich sehr rasch.

Nun haben wir gesehen, daß T2 hochohmiger eingestellt worden ist, die Folge davon ist das ursprüngliche Spannungsteilerverhältnis nähert sich wieder seinem Sollwert (100/150) an, jetzt ist es vielleicht (200/300) falls sich Rlast auf 300 Ohm erhöht. Wenn dieses Spannungsteilerverhältnis wieder stimmt ist die Regelung wieder eingeschwungen und die Ausgangsspannung steht stabil.

Die ganzen Vorgänge finden natürlich sehr schnell statt, beispielsweise hilt der kleine Kondensator an Rf mit, daß eine sich ändernde Ausgangsspannung sich noch schneller an der Basis von T1 bemerkbar macht und die Regelung noch schneller reagiert. Die ganzen Vorgänge wurden nur grob beschrieben, aber im Prinzip ist beim Versuch Schaltungen selber zu verstehen, gedanklich im Kopf etwa deratig zu denken (der wird niederohmiger wenn der hochohmiger wird usw., soll jeder machen wie er will) dadurch lassen sich Schaltungen alleine durch reines Anschauen überprüfen, z.B. ob die Regelung überhaupt funktionieren kann oder ob es Schaltungen zum 1. April sind.

Vergleich Transistor- Röhrenschaltung

Funktionsweise Röhrenschaltung:

die Röhrenschaltung funktioniert im Prinzip genauso. Für mit Röhren ganz unbedachten gilt zu sagen, ein Ansteigen der Spannung zwischen Gitter g1 und Kathode K verringert den Widerstand der Röhre zwischen Anode A und K, ein verringern zwischen g1 und K stellt den Röhrenwiderstand hochohmiger ein, bedeutend ist zu wissen bereits voll niederohmig ist die Röhre wenn g1 auf der gleichen Spannung liegt wie K, sperren tut man sie durch negative Spannungen gegenüber K. Aber das soll jetzt kein Röhrenvortrag werden, nur mindestens sollte man es wissen um die Schaltung zu verstehen.

Rlast plötzlich hochohmiger -----> Ausgangsspannung steigt an ----> Strom durch Rf und Rg steigen an -----> Spannung an g1 steigt an bezogen auf die konstante Spannung an K -----> dadurch sinkt Widerstand von V1 ----> Strom durch Ra steigt an ----> Potential 147V will in den Keller runter -----> Spannung g1 gegen K wird noch negativer ----> Röhre V2 wird hochohmiger -----> Widerstandsverhältnis aus V2/Rlast wird durch Erhöhen von V2 solange nachgestellt bis die Ausgangsspannung wieder 150 Volt erreicht und es nichts mehr nachzustellen gibt (im Rahmen der offenen max. Schleifenverstärkung natürlich).

Damit Einverstanden es ist im Prinzip die gleiche Funktionsweise wie die Transistorschaltung?

Ein paar unterschlagene Feinheiten:

Dimensionierung der Transistorschaltung:

sie wurde noch nie aufgebaut, habe aber wenig Zweifel an der Funktion, sie ist leicht zu dimensionieren. Die Zenerdiode 5.6 oder 6.2V sind Typen, die geringe dynamische Widerstände besitzen ca. 10 Ohm, die mit zunehmendem Strom weiter sinken, 5mA ist schon viel, arg viel mehr bringt nicht mehr so viel, jedoch Ströme 100, 200µA oder ähnliches das wäre wirklich zu wenig. Sogar 2mA sind schon ok - einfach mal die Kennlinie auftragen und den differentiellen Widerstand berechnen, das klärt, im Datenblatt steht's auch.

Verlustleistung am T1 ca. 75mW, harmlos, daher irgendein hochverstärkender BC Typ ist da richtig. T2 trägt ca. 1 Watt Verlustleistung, d.h. TO-126 oder TO-220 Gehäuse, auch dazu gibt es ettliche z.B. BD1**Typen oder Japaner. Die Spannungseinstellung vielleicht etwa 1-2 mA, nicht zu wenig wählen rauscht sonst gern - geringere Bandbreite, zu viel bringt aber auch nicht viel. Querstrom mindestens >=10-20 mal dem T1 Basisstrom.

Allgemein läßt sich in gewissen Grenzen sagen, je mehr Strom durch Rc, Rf, Rg spendiert werden desto höhere Frequenzen der Störsignale, Lastsprünge, Eingangssignale können ausgeregelt werden. Es kann in gewissen Maßen vorher simuliert werden, das testen ist jedoch das sicherste, wie die Kompromisse zu legen sind.

Dimensionierung der Röhrenschaltung:

die Schaltung ist noch nicht fertig dimensioniert, was da am Bildschirm steht ist der erste Versuch nur ein Entwurf sonst nichts. Die Röhrenschaltung empfinde ich persönlich schon etwas schwieriger als die Transistorschaltung.

Für die V2 sollte man das Ausgangskennlinienfeld der als Triode geschalteten Pentode vorliegen haben, das ist eine Kurvenschar des Anodenstrom in Abhängigkeit der Anodenspannung. Der Parameter dazu sind die jeweilgen Gitterspannungen g1. Zu allererst ist in beiden der maximale Anodenstrom festzulegen, hier etwa 10mA + 4mA + 1mA = 15mA max.

Kennlinienfeld

Quelle: Philips Datenblatt A.F. Output Pentode EL84, Januar 1969

Etwa bei 15mA ist geistig eine Parallele zur Spannungsachse zu ziehen, das ist die Arbeitsgerade. Man sieht bei g1=0 Volt genügen bereits etwa 50V Anodenspannung um 15mA fließen zu lassen. g1=0 ist jedoch für normale Umstände ein zu vermeidender Zustand, da hier bereits g1 "Gittereinsatz" vorliegt, d.h. auch g1 fungiert als kleine Anode und nimmt bereits Elektronen auf, was gleichbedeutend damit ist, das in g1 Strom fließt, das will man nicht, man bevorzugt die äüßerst leistungslose Steuerung im negativen Gitterspannungsbereich, bei g1 = -1 oder -1.5V ist man recht sicher. Für die Praxis bedeutet es die Anodenspannung V1 darf nicht kleiner ca. 60 Volt sein (geschätzte Lage im Diagramm) um Gittereinsatz zu vermeiden. Der Schnittpunkt aus der leider nicht vorhandenen -1V Kurve mit der 15mA Parallen ist der Arbeitspunkt für den Fall A, daß die Eingangsspannung ihre kleinste noch ausregelbare Spannung annimmt, d.h. mindestens etwa 210 Volt sollten am Eingang vorhanden sein für gerade noch sichere Funktion.

Verlustleistung an V2 im Punkt A (bei vollem Strom und Vin minimum 210 Volt) = 60 Volt *0.015mA = 0.9 Watt

Fall B ist nun maximale Eingangsspannung, (sagen wir mal an 330 Volt) = (330V-150V)*0.015mA = 2.7 Watt

Die maximale Verlustleistung der Röhre V2 beträgt etwa 2.7 Watt, dementsprechend ist ein Modell, die genannte EL84 ist dabei noch lange nicht ausgereizt (die lag nur rum, Rlast auch), eine kleinere tut's da noch besser.

Bedeutend für den Punkt B ist aber, bei der maximalen Eingangsspannung (d.h. 180V an Anode) beträgt die g1 Spannung etwa nur -7.5 Volt bei 15mA.

Fall C und D beschreiben den Fall ohne Last bei Uin min. und max., es fließen nur noch 5mA durch V2, auch diese Punkte sind im Diagramm einzutragen, die zugehörigen g1 Spannungen sind für C=-2.5 Volt und D=-9 Volt.

Man erhält für alle dimensionierten Fälle ein Viereck ABCD im Kennlinienfeld, innerhalb dieses Vierecks kann die g1 Spannung variieren, immerhin ein Bereich von -1 Volt herunter auf -9 Volt. Genau diesen Bereich zu finden, das macht es etwas schwieriger als bei Transistoren, das Rechnen mit den variablen Basis Strömen dort ist ein wenig angenehmer, im Prinzip aber dasselbe.

Gut wir haben nun ein Viereck ABCD gefunden, was nun? Genau 8 Volt Regelhub hat die V1 Röhre nun zu erledigen. Nehmen wir an im normalen Betriebsfall liegen wir irgendwo in der Mitte, so beträgt der Regelhub +/-4 Volt. Aus diesen 4 Volt läßt sich jetzt Größenordnungsmäßig die nötige Verstärkung der V1 errechnen. Will man z.B. eine Ausgangsspannungsschankung von nicht mehr als 50mV gilt 4 Volt/50mV=80 zig fach, das ist zu schaffen. Der nächste Schritt wäre nun sich das Ausgangskennlinienfeld der V1 Pentode anzusehen.

Die Bestimmung von Ra ist schwierig an ihm stellt man die Verstärkung der Regelstrecke ein, nein schlimmer noch es ist die optimale Kombination mit dem Schirmgitterwiderstand g2 zu finden, um maximale Verstärkung hinzubekommen, das erledige ich im Moment experimentiell (schaue z.B. auf kleinsten Ripple am Ausgang).

Der Anodenstrom von V1 ist z.Z. über Ra gering gewählt, der dynamische Innenwiderstand der Pentode ist in diesem Bereich dafür hoch. An Ra liegen die Spannungen an zwischen

normal 250V-ca.147V=ca. 103 Volt, max. 330V-ca.147V=183 Volt und min. 210V-ca.147V=63 Volt

damit liegt der Strom durch Ra=500k zwischen 0.4mA und 0.12mA, das ist für den ersten Ansatz etwas wenig geworden, reicht aber noch. Der Ra bestimmt die Verstärkung von V1. Der Schirmgitter Einsatz an g2 bewirkt einen zusätzlichen Strom in die Kathode V2. Es ist experimentiell die optimale Kombination aus Schirmgitterspannung und Ra zu finden, Ziel ist hohe Verstärkung. Je nach Wahl vom g2 Schirmwiderstand jetzt 150k ergeben sich geschätzt etwa 1mA in g2 (ist noch zu messen). Alles gerade in Arbeit, weiter bin ich nicht.

Es ist nun praktisch das Ziel mit möglichst wenig g1 Gitterspannungsänderung an V1 den Anodenspannugshub von +/-4 Volt hinzubekommen, dann ist die Verstärkung am höchsten.

Kennlinienfeld

Quelle: Kennblatt Steile-HF Pentode EF80, VEB Werk für Fernsehelektronik Berlin, 1961

Also bei dem momentan wenigen Strom ist g1 schon im Bereich von -4V. Die Anodenspannung V1 ist angenähert konstant bei 62 V etwa +/-4V, bei dem kleinem Stromhub und zusätzlichem g2 Parameter ist es nahezu unmöglich aus dem Kennfeld noch was vernüftiges herauszulesen. Da hilft nur noch probieren. Das einzige was man erkennt der g1 Hub ist sehr klein für die nötige Ra Stromänderung, d.h. Verstärkung hoch.

Nun eine Frage was man weiter will, hohe Bandbreite der Regelung (mehr Strom), hohe Konstanz am Ausgang? Was man machen kann? einiges, aber dann entspricht es ja nicht mehr einem "sehr einfachen Spannungsregler" oder einen zusätzlichen Verstärker an der geregelten Seite zur Erhöhung der Schleifenverstärkung, läßt sich beliebig verkomplizieren und verbessern. Vor allem auch was für eine Last, bei mir war es das was gerade rumlag, genauso wie die noch gering belastete V2 und ein bisschen gespielt am Bereich vom Trenntrafo.

Diese Arbeiten mit hohen Spannungen sind lebensgefährlich, nicht durchführen ohne entsprechende Fachausbildung. Ein Trenntransformator und Fehlerstrom Schutzschalter sind dringend zusätzlich zu empfehlen.

Versuchsaufbau

so sieht das ganze Gebastel aus, heute nachmittag mal schnell zusammengebaut. Die langen Drähte sind äußerst realitätsfremd und verschlechtern natürlich die Eigenschaften, sie sind für schnelle Versuche jedoch gut geeignet zum ersten Funktionstest reicht es alle mal.  Bilder vom Oszi habe ich jetzt keine gemacht, man sieht bei der vielen Gleichspannung außer auf AC, sowieso nicht viel abenteuerliches außer zwei Strichen auf der CRT. Dynamisch nichts getestet. Eine 150 Volt Schaltung brauche ich wirklich nicht, es war aber ein trotzdem ein kleines Späßchen zwischendurch was aufzubauen.

Olaf schrieb mir eine Fehlerkorrektur (19.01.2008) gehe zum Fehler
Hallo,

wenn mich meine trüben Augen nicht völlig im Stich lassen,
und ich das Gate  von V1 um 2V negativer haben möchte als die Kathode( die durch den Glimmstabi auf 85V liegt),
so müsste die dort eingetragene Spannung ( erzeugt durch Rf und Rg ) 83V betragen und nicht wie eingetragen 87V.
Der Spannungspfeil ist ja korrekt.
 
Dann noch etwas zum generellen verständnis.
Wenn nun durch altersschwäche die Röhre V1 den Weg Richtung Jordan antritt, z.b. ausfall der Heizung,
müsste es doch zu erheblichen kollateralschäden am Verstärker etc kommen, da die Röhre V2 ja nun in Sättigung durchsteuert.
 
schönen Tag noch

Gruß Olaf


Ich danke Dir Olaf, Du hast natürlich recht es muss 83V heißen. Ich habe vergessen das Poti zu berücksichtigen und einfach aus den 150V und den 59k und 82k die 87 Volt errechnet.

Wenn die Röhre V1 defekt ist und keinen Strom mehr leitet wird die Schaltung von einer Regelung zu einer Steuerung. Effektiv teilen sich die 250V dann auf über die V2 in Reihe zur Last. Es sind dann zwei in Serie geschaltete Widerstände an denen sich unbekannte Spannungen abbilden. Die Röhre V2 wird über den Ra mit 500k voll aufgesteuert und will vollständig leiten und das würde die Last mit 250 Volt befeuern. Aber, schau Dir mal die Kennlinie der V2 an, wenn an der Röhre auch keine Anoden-Kathoden Spannung anliegt, dann ist ihr innerer Widerstand so hoch dass wie in der Kennlinie angegeben auch kaum noch Strom fließen kann, was die Last schützt. Man müsste es ausprobieren. Der hohe Widerstand der Röhre bei niedriger Anoden-Kathodenspannung sorgt für eine schützenden Spannungsabfall. Wenn die Last natürlich auch sehr hochohmig ist, wird es so langsam eng.

Viel kritischer ist die von Dir beschriebene Situation bei der Transistorschaltung, wenn Du dort z.B. T1 ausbauen würdest (in Analogie zur defekten Heizung) ist T2 über RC ganz aufgesteuert und vollkommen leitend. Im Gegensatz zur Triode ist der Transistor aber auch bei niedriger Kollektor Emitter Spannung sehr gut leitend, d.h. sehr niederohmig, was bedeuted es stehen fast 250 Volt am Ausgang an.

Es gibt nur sehr wenige Verstärker die über einen Spannungsregler versorgt werden, die meisten hängen direkt am Gleichrichter, die Endstufen zumindest. Du hast aber Recht, der von Dir beschriebene Fall bedeutet unter Umständen einen Totalausfall.  Aber deswegen einen Spannungsregler zu verhexen wäre vollkommen falsch. Wenn man will kann man durch Zusatzbeschaltung auch die Last gegen solche Fälle schützen, das kostet wiederum Geld, Platz, und Aufwand. Das gleiche kann Dir auch passieren wenn Dein T2 überlastet wird durch zu hohen Strom, manche Transistoren werden im Fehlerfall niederohmig (verschmelzen innerlich) und damit wären auch die 250 Volt heftigst gut am Ausgang, möglicher Totalausfall für die Last. Durch schaltungstechnische Maßnahmen wiederum kann man sich auch dagegen schützen. Viele Verstärker sind gegen Überstrom geschützt, manche gar nicht.

Bei einem Leistungsverstärker würde man auch niemals von 250V auf 150V runter gehen, das wäre Energieverschwendung pur. Bei Kleinleistungsverstärker oder Vorstufen wäre eine hohe Drop Out Spannung Energietechnisch betrachtet vertretbar und die könnte dann tatsächlich leicht kaputt gehen wenn man etwas knapp die Transistoren dimensioniert hat. Aber selbst einen Transistor der auf 150 Volt nominal betrieben wird, sollte man so dimensionieren, daß er die Spannungen aushält die im Fehlerfall möglich sind, im Klartext nimmt man sowieso bei 150 V nominal einen Transistor mit mindestens >=200 Volt Uce. Und in der Praxis geht ein 200 Volt Transistor an 250 Volt nicht unbedingt sofort kaputt. Aber ein 120 Volt Transistor in einer "Ober Sparer" Schaltung, der an 150 Volt gerade noch dauerhaft überlebt, der geht bei 250 Volt ins todsichere Ende. Du siehst eine einigermaßen auf Sicherheit ausgelegte Schaltungsentwicklung hätte auch noch in Fehlerfall eine gewisse Überlebenschanche. Nur solche anständigen Entwicklungen kosten eben eine kleine Extraportion, Geld, Platz, erhöhte Bauteileanzahl und meist auch Verlustleistung. Man sollte sich aber auch im klaren sein, Transistoren knapp an ihrer Uce Grenze betrieben ist nicht nur sicherheitstechnischer Nonsens, das Ausgangskennlinienfeld ist dann bereits deutlich verbogen in Richtung zunehmender Verschlechterung, irgendwann bricht er dann durch und der Kollektor Strom schießt schlagartig hoch - Defekt.

Angemerkt sei auch von 250 auf 150V macht man nur, da Röhre eine anständig hohe Anodenspannung benötigt um ausreichend leitend zu werden, mit einem Transistor als Längsregler würden schon wenige Volt genügen, bei manchen Schaltungen sogar unter 1 Volt, dann spricht man von Low Drop Out Spannungsreglern.

Bei mir versorgt die Schaltung ein kleines Labor  Netzteil.

Gruss Ralf

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