Netzteil für Low Power Röhrenverstärker

Sicherheitshinweis

Achtung Lebensgefahr: Die nachfolgende Schaltung arbeitet am 230 VAC Wechselstromnetz. Aufgrund der Transformation und Gleichrichtung liegt an einigen Komponenten eine Gleichspannung von mehr als 322 VDC an. Arbeiten an der Schaltung sind nur im spannungslosen Zustand auszuführen. Beachten Sie, dass die Kondensatoren auf der Primärseite auch nach dem Abschalten der Netzspannung noch für einige Sekunden hohe Spannungen führen.

Für Röhrenverstärker, egal ob für HF oder NF, ist es immer schwieriger für einen akzeptablen Preis einen 50Hz-Netztransformator mit den entsprechenden Ausgangsspannungen zu finden. Die zugehörigen, hochinduktiven Drosseln bekommt man ebenfalls nur noch in "Apotheken". 100 Euro für die Bauteile eines konventionellen Netzteils sind nicht unrealistisch.
Aus dieser Misere heraus entstand das nachfolgende Projekt, dass zur Erzeugung der Anodenspannung und Heizspannung auf einen kleinen elektronischen Transformator für Niedervolt-Halogenlampen aufbaut. Diese Transformatoren sind in jedem Baumarkt für ca. 15 Euro erhälzlich. Für die Modifikation sollte man sich aus Platzgründen unbedingt einen Typ mit Rinkerntrafo besorgen.

Abb. 1: Elektronischer Transformator (20 ...60W)

Ein elektronischer Transformator darf nicht mit einem Schaltnetzteil verwechselt werden. Es fehlen ihm einige wesentliche Eigenschaften, die man jedoch bei den zuvor genannten Anwendungen nicht unbedingt benötigt. Es gibt keine Regelkreise zur Stabilisierung der Ausgangsspannung bei Laständerung und Netzspannungsschwankungen. Weiterhin sind einige Typen nicht kurzschlussfest.

Gegenüberstellung 50 Hz <> 40 kHz

Im Vergleich zu einem klassischen 50 Hz Netzteil gibt es bei einem Netzteil mit einem elektronischen Transformator eine Reihe nicht zu unterschätzender Vorteile für den Betrieb und für Experimente.

• geringer Ausgangswiderstand
• minimales 50 Hz Streufeld
• geringe Windungszahlen (<60 Wdg) für die Primär- und Sekundärseite
• Experimente mit unterschiedlichen Windungszahlen sind sehr einfach ausführbar
• weitere Ausgangsspannungen ohne Zerlegen des Trafokörpers bedingt möglich
• geringes Gewicht, Volumen und Kosten

Es gibt aber auch einige Nachteile, die ich nicht verschweigen möchte.

• Hochfrequente Störungen EMV (leitungsgebunden und gestrahlt)
• Mindestlast von ca. 10 Watt für einen nicht-lückenden Betrieb erforderlich
• Änderung der Schaltfrequenz (Störspektrum) bei Lastwechsel
• Aufwendige Berechnungen bei eigener Entwicklung/Dimensionierung

Schaltungsprinzip

Die Schaltung eines elektronischen Tranformators ist sehr überschaubar. Nach der stromkompensierten Drossel folgt ein NTC-Widerstand zur Begrenzung des Einschaltstroms. Der 230 VAC Gleichrichter liefert eine mit 100 Hz pulsierende Gleichspannung (ohne C1) für den Betrieb des DC/AC-Wandlers. Der Wandler arbeitet in der bekannten Halbbrücken-Konfiguration. Die beiden Bipolar-Transistoren bilden den linken Zweig der Brücke und die beiden in Reihe geschalteten 0,1 uF Kondensatoren den rechten Zweig der Brücke. Zwischen den beiden Brückenzweigen ist der Ausgangstransformator angeordnet.
Die Transistoren bilden zusammen mit einem kleinen Hilfstrafo (Ringkern) einen freischwingenden Oszillator. Zu bemerken ist, dass bei dieser Konfiguration der Basisstrom der Transistoren proportional mit dem Ausgangsstrom ansteigt. Der Verstärkungsverlust bei hohen Kollektorströmen wird damit kompensiert.
Das mit "Start-Up" beschrifteten Kästchen enhält eine einfache Anlaufschaltung. Ein kleiner Impulsgeber, bestehend aus einem Diac, einem Kondensator und einigen Dioden bewirkt das Anschwingen des Oszillators nach dem Einschalten. Danach schwingt der Oszillator von selbst weiter und stoppt den Impulsgeber.
Das nachstehende Bild zeigt den elektronischen Transformator auf grauem Hintergrund. Der gestrichelt gezeichnete Siebkondensator C1 und der auf dem rosa Hintergrund angeordneten Sekundär-Gleichrichter wurden ergänzt.

Abb. 2: Elektronischer Transformator mit nachgeschalteter sekundärseitiger Gleichrichtung

Erste Messungen

Nach dem Einschalten des unveränderten elektronischen Trafos an einer 20 W Halogenlampe wurde mit dem Oszilloskop das linke Bild aufgezeichnet. Die starke 100 Hz Modulation kommt durch die sehr geringe Siebung der gleichgerichteten Netzspannung mit nur 2 x 0,1 uF in Reihe. Der Effektivwert der modulierten 40 KHz Wechselspannung entspricht den auf dem Gehäuse angegebenen 12 V.
Nach dem Einbau des 220 uF / 385 V Kondensators C1 sah die Wechselspannung schon viel sympathischer aus (rechtes Bild). Es war nur noch ein geringer 100 Hz Brumm von 140 mVss meßbar. Mit 18 Vss bei 8 Windungen erhält man eine Spannung von ca. 2,25 V / Windung. Dieser Wert ist wichtig für die anschließende Berechnung der sekundärseitigen Wicklungen für andere Spannungen.

Abb. 3: Augangswechselspannung ohne/mit Ladeelko C1

Erzeugung der Anodenspannung

Für eine Anodenspannung von zum Beispiel 270 VDC von einer Verdopplerschaltung benötigt man unter Berücksichtigung von Spannungsverlusten die folgende Windungzahl.

N1 = 270 VDC  /  2 x 2,25 = 60

Es wurden 4 x 15 Windungen (quadrofilar) auf den zuvor ausgelöteten Ausgangstrafo gewickelt. Anfang und Ende der 4 Teilwicklungen wurden mit einem Ohmmeter ausgemessen. Die Reihenschaltung ergibt dann 60 Windungen. Ein Lasttest mit 60 W bestätigte die Berechnung. Bei einer Last von 60 W liefert die Schaltung immer noch 260 VDC.

Die Spannungsverdopplung wurde gewählt, damit die Windungszahl so gering wie möglich wird. Der Ausgangstrafo bietet trotz Entfernung der ursprünglichen Sekundärwicklung (2 x 8 Wdg. bifilar) nur wenig Platz. Die quadrofilare Wicklung erleichtert das Bewickeln des Kerns, da man das Drahtbündel für die berechneten 60 Windungen nur 15 mal durch den Kern fädeln braucht.

Erzeugung der Heizspannung

Je nach Anwendung kann man für die Heizung von Röhren eine geregelte bzw. ungeregelte Gleichspannung oder direkt die heruntertransformierte 40 kHz Wechselspannung verwenden.

6,3 V Gleichspannnung (ungeregelt)

Mit wenigen Bauteilen (siehe Schaltbild) entsteht die allgemein bekannte Mittelpunkt-Gleichrichtung. Die Drossel und der Siebkondensator unterdrücken die 40 kHz vollständig und reduzieren die überlagerte 100 Hz Wechselspannung. 2 x 3...4 Windungen bifilar reichen hier für die Bereitstellung einer 6,3 V Heizspannung aus. Andere Spannungen wie z.B. 12,6 V oder 40 V usw. sind bei den wenigen Windungen kein Problem. Für den Testaufbau wurde ein graues PC-Flachkabel mit 2 parallelen Leitern verwendet.
Da der Ausgang Gleichspannung führt, sind in diesem Fall gewendelten Drahtwiderstände zur Vernichtung von überflüssigen Volts zulässig.

6,3 V Gleichspannnung (geregelt)

Alternativ kann man auch eine geregelte Gleichspannung erzeugen. Es sind dazu lediglich 2 x 5 Windungen für die Versorgung eines nachgeschalteten Längsreglers z.B. vom Typ LM317 notwendig. Die Eingangsspannung des Reglers beträgt damit ca. 10 V. Die Ausgangsspannung läßt sich mit Hilfe von zwei Widerständen am LM317 genau auf 6,3 V einstellen.

6,3 V Wechselspannung

Mit knapp 3 Windungen läßt sich die 6,3 V / 40 kHz Wechselspannung für NF/HF-Endstufenröhren erzeugen. Zur genauen Einstellung muss man schon viertel bzw. halbe Windungen aufbringen. Bei 40 kHz Wechselspannung bitte keine gewendelten Drahtwiderstände (Induktivität!) zur Vernichtung von überflüssigen Volts verwenden.
Das Übersprechen zwischen Heizfaden und Kathode aufgrund der dort vorhandenen parasitären Kapazität, ist bei einer 40 kHz Heizung mit 150 mVss Brumm (100 Hz) leider erheblich grösser als bei einer 50 Hz Heizung mit einer Wechelspannung von 6,3 Veff. Letzteres ist jedoch bei HF/NF-Endstufen und Phasenumkehrstufen aufgrund der geringen Verstärkung und der Betriebsart (Gegentakt, Differenz...) unkritisch.
Vorstufenröhren sollte man nicht mit einer 40 kHz AC-Heizspannung versorgen. Die hohe Verstärkung der Vorstufen führt zu einem unzulässig hohen Anteil von 100 Hz modulierter 40 kHz Wechselspannung an der Anode.

Stückliste

Testaufbau

Zur Zeit gibt es nur einen Testaufbau für 6,3 VDC Heizspannung und 260 VDC Anodenspannung. Die mit Hilfe von einer 60 W Glühlampen und zwei defekten EL 84 Röhren simulierte Last betrug 10 Watt für die Röhrenheizung und 60 Watt für den Anodenkreis. Die Temperaturerhöhung der Schalttransistoren blieb im "grünen Bereich". Sie entsprach dem Wert beim Betrieb von drei Halogenlampen mit je 20 Watt . Die Halbleiter auf der Sekundärseite blieben ebenfalls sehr "cool.

Abb. 2: Testaufbau mit sekundärseitiger Gleichrichtung

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