audio with realistic timbre

Ontwerp van voedingen mbv Duncan PSU-designer (1)

Met dank aan Mattijs "MachMat" de Vries!

Direct door naar 1 2 3

Een goede voeding?
Wat is nu eigenlijk een "goede voeding"? Verschillende theorieën en filosofieën zijn van toepassing... Waar we het allemaal over eens zijn is dat de voeding stil moet zijn: geen rest-brom van 100hz. Bij voorkeur moet een voeding snel zijn om zonder vertraging de vraag naar energie van de versterker te leveren over het gehele audio gebied. Ook mogen er geen "harmonischen" voortkomen uit rimpels die op de voeding meeliften. Om een voeding "snel" te houden dient deze zo min mogelijk weerstand te ondervinden. Met behulp van PSU-designer, een (gratis) stukje software geschreven door DuncanAmps, kan dit eenvoudig en doeltreffend benaderd worden. Dat er nadien nog wat ge-tweaked kan worden mag geen verassing zijn...

Een voeding moet (natuurlijk) voldoende stil zijn waarbij echter het HF-gedrag niet uit het oog (oor) verloren mag worden!. Omdat ons lichtnet sterk vervuild is zullen diverse filterende schakelingen in de voeding ingezet moeten worden om HF te weren. Dit houdt weer in dat netfilters achterwege kunnen blijven.
Een goed ontworpen voeding heeft een optimale Q-factor (demping), dit houdt min of meer in dat de voeding in staat is op een schone manier zeer snel de verloren energie weer aan te vullen. Wanneer een voeding traag is of overshoot kent dan zal zich dat uiten in een slecht(er)e geluidsweergave. Een klasse A voeding uit één pi-filter (L-C) kan een optimale Q hebben wanneer een combinatie gemaakt zal worden van een spoel met hoge inductie en lage dcR met daaropvolgend een "passende" waarde condensator. Hier een eenvoudige vuistregel voor opgeven is helaas niet mogelijk... De formule om dit te optimaliseren is: Q = 1/Rdc * SQRT (L/C). Dus lage Rdc, hoge L en lage C is hoge Q. De Q moet ongeveer 0.7 zijn, maar dit klopt vaak niet in een voeding wanneer berekend omdat er van alles op elkaar inwerkt. Met PSU Designer is dit eenvoudig inzichtelijk te maken.
Een lage dcR weerstand op de hoogspanningswikkeling (Rsec) van de trafo (~ < 200ohm) is verantwoordelijk voor pieken op de voeding die door de condensatoren "getrokken" worden. Dit introduceert ongewenste harmonischen.. Deze pieken moeten gecontroleerd worden en dat is te realiseren door de duty-cycle te verhogen. De duty-cycle wordt bepaald door de Rsec van de transformator. Een duty-cycle van 10% betekent dat er in een korte periode kortstondig 10 maal de continu stroom wordt getrokken, bijv. 1A bij 100mA continu stroom, bij dezelfde 100mA continu stroom geeft een duty-cyle van 50% "slechts" 200mA, hetgeen een fors verschil is. Deze duty-cycle is op te waarderen door in serie met de anodes van de gelijkrichtbuis (of diode) weerstanden te monteren. Na deze weerstanden kan een kleine waarde condensator (10~40nF) parallel gezet worden aan de anodes om HF te weren.
De waarde van de 1e condensator kan groot danwel klein zijn, dit wordt bepaald door voorgaande. Is de voeding niet goed ontworpen dan heeft deze scherpe flanken en laat (te) veel HF door terwijl een optimaal ontworpen voeding hier in mindere mate last van heeft. Dit is uitstekend te simuleren met PSU Designer.
Een opbouw in capaciteits waarde is niet bepalend: de voeding moet moet kritisch gedempt zijn. Meerdere secties veroorzaken een moeilijk te voorspellen gedrag hetgeen te vergelijken is met de vering van een auto: niet te zacht maar ook niet te hard waarbij meerdere secties in de voeding meerdere auto's op elkaar weerspiegelt hetgeen resulteert in onberekenbaar gedrag. Streven: één enkele sectie.
Een kanaalscheiding kan eenvouding gerealiseerd worden door een lage waarde weerstand met lage waarde condensator waarmee HF vanuit de voeding geweerd kan worden. Dit punt dient nèt boven het audio-gebied gekozen te worden, veilig is 50kHz of hoger, dit kan berekend worden met: Fc = 1/ (2*pi*R*C). Wanneer zo toegepast zal de voeding leveren vanuit deze kleinere condensator hetgeen de mogelijkheid bied om hier een klankmatig "betere" condensator in te zetten. De voorgaande grotere condensator zal deze kleinere condensator telkens "bijvullen".

Een drietal toepassingen binnen eigen projecten als voorbeeld:

Voorbeeld optimalisering voeding "Mystique":
De voeding is opgebouwd m.b.v. transformatoren van Tribute: 1 x Voedingstrafo en 2 x smoorspoel. De condensatoren zijn een 2uF Papier-in-olie en een 4-tal 100uF BlackGate NH in super-E-cap. Ingevoerd in PSUD ziet de simulatie er als volgt uit (de 373 staat niet in de database maar komt redelijk overeen met de 6X5):

Wat als eerste opvalt is dat de dc-weerstand op de hoogspanningswikkeling vrij hoog is: 710ohm hetgeen goed is. Verder zien we dat de spanning slingerend opkomt en dat er redelijk wat tijd voorbij gaat voordat de spanning stabiel is (~5s).
Dat Tribute, gezien de hoge dcR op Rsec, (kennelijk?) weet hoe voedingstrafo's voor buis gelijkgerichte voedingen gewikkeld dienen te worden mag blijken uit onderstaande simulatie waar de dc-weerstand op de hoogspanningswikkeling een meer voorkomende lagere waarde van 120ohm heeft. Nu geeft de software aan dat de gelijkrichter kortstondig te zwaar belast wordt!

Wanneer de "Alert" wordt geaccepteerd ziet de simulatie er als volgt uit:

Vergeleken met de 1e simulatie zien we nu een "heftiger" slingerend opkomen van de hoogspanning. Dit brengt harmonischen van deze pieken (met HF) in de voeding elke keer wanneer er energie gevraagd wordt. Wanneer we de "Q-factor bekijken" (I[D1]) zien we dat er gemiddeld kortstondig meer dan 100mA "getrokken" wordt voor 20mA continu met steile flanken op de pieken:

De dcR van de transformator terugzettend naar de 710ohm rekent af met de steile flanken en genereert sinus-vormige pieken:

Met de dcR van 710 ohm gaan we de tweede condensator in waarde verlagen. Nu zien we dat de voeding zonder slingering opkomt en dus schoner kan voldoen aan energievraag:

Halvering van de capaciteit van de 3e condensator maakt de voeding sneller:

De voeding is nu veel sneller als voorheen met minder capaciteit. De laatste oneffenheden kunnen zo goed als weggehaald worden door met de capaciteitswaardes te "spelen":

Kanaalscheiding (en HF filtering) aanbrengen gaat als volgt:

Met 1ohm/1W en 3uF papier-in-olie per kanaal creëren we een kanaalscheiding die op 53Khz filtert tegen hoogfrequent en zorgt dat de energievraag door de papier-in-olie geleverd wordt. Hiermee is de voeding stabieler, sneller en schoner (HF) geworden! Overigens is de voeding nu stiller dan de initiële voeding en dat met minder capaciteit!:

Wanneer nu beide secties gekoppeld worden door de smoorspoelen in serie te zetten en de condensatorwaardes aan te passen kan ook worden volstaan met één enkel pi-filter:

De voeding is nu iets minder snel maar presteert hoorbaar beter! De rimpel is plm 3mV wat voldoende stil is voor een lijnversterker:

Dit druist enigszins in tegen de theorie als hierboven beschreven... Wanneer in deze voeding een smoorspoel ingezet zal worden met 50He/25ohm dcR zal de 1e condensatorwaarde omlaag kunnen en dus de voeding weer sneller worden terwijl deze even stil zal zijn... (toekomst?)
Hieronder de voeding zoals deze er nu schematisch uitziet:

Klinkt dit ook beter?
Het antwoord is positief: Het laag en mid-laag profiteren hiervan: dit is letterlijk sneller en beter gedefinieerd door de aangepaste voeding. De hoogweergave is schoner met een zwartere achtergrond door toepassing van de filterende kanaalscheiding en de 39nF Silver Mica die parallel aan de anodes van de gelijkrichter is geplaatst...

Volgende...

_______________