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Andare in basso
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Appunti di viaggio: regolatore shunt Empty Appunti di viaggio: regolatore shunt

il 11/3/2012, 15:47
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Gli shunt regulator: il tratto distintivo del Lightning
Sapevo che non sarebbe stata una passeggiata, ma gli shunt che dovranno stare vicino alle valvole, sull'alimentazione anodica, sono qualcosa a cui tengo molto, e sono anche un punto critico in grado di influenzare in maniera consistente il suono dello stadio valvolare del Lightning. Per questo ci sto lavorando molto, pur avendo già un prototipo funzionante e che suona molto bene.

Eliminare gli elettrolitici
Il mio obiettivo è quello di un'alimentazione anodica con rapporto S/N sufficientemente alto, diciamo almeno -80 dB, con impedenza abbastanza bassa, vicino alla valvola, in modo da chiudere il segnale audio in un punto vicino nella scheda e non sui condensatori di filtro dell'alimentazione. Possibilmente, senza l'uso di altri condensatori elettrolitici sulla scheda stessa. Quest'ultima cosa, benchè quasi un'utopia, avrebbe in se' il grosso vantaggio di risparmiare un sacco di spazio sulla scheda preamplificatrice (perchè un condensatore elettrolitico da 200 V di lavoro da almeno 470 uF è grosso e costoso) ed eviterebbe di chiudere il segnale audio comunque su un elettrolitico, anche se vicino alla valvola. Che poi questo sarebbe proprio lo scopo di un'alimentazione shunt.

Negli esperimenti di questi giorni (ebbene sì, non sono stato a grattarmi la pancia) sono riuscito ad ottenere un risultato molto vicino all'obiettivo prefissato. L'alimentazione grezza di circa 160 Volt proveniente dal filtro sul ponte raddrizzatore (composto da una semplice cella C-R-C) arriva sulla scheda del prototipo e qui viene stabilizzata a circa 120 Volt tramite gli shunt (uno shunt per canale). Lo shunt è composto da due transistor, due zener, qualche resistenza, e nient'altro. Niente condensatori elettrolitici, e nemmeno a film plastico e nemmeno ceramici (che sarebbero proibitivi a queste tensioni di lavoro).

Un canale dell'amplificatore valvolare assorbe circa 20 mA (compresa la corrente necessaria da far scorrere nei LED negli zener) per cui il generatore di corrente che alimenta lo shunt deve essere programmato a fornire almeno il doppio di questa corrente, cioè 40 mA. Quindi a regime, durante il normale funzionamento, 20 mA scorreranno nell'amplificatore e 20 mA saranno assorbiti dallo shunt, il che vuol dire che il transistor dissiperà una potenza di circa 120 Volt moltiplicati 0.02 A = 2.4 Watt circa. E' necessario un dissipatore, che dovrà essere un po' sovradimensionato perchè se il filamento di una delle valvole si brucia, oppure se le valvole non sono inserite nei loro zoccoli, lo shunt dovrà sobbarcarsi tutti i 40 mA di corrente forniti dal generatore, dissipando il doppio della potenza. Questa situazione si ripropone per alcuni secondi anche ogni volta che si accende l'amplificatore, quando le valvole sono ancore fredde e non assorbono corrente.

Eliminare i dissipatori
La potenza assorbita dallo shunt non è molto elevata, circa 2.4 Watt. Siamo molto vicini al raggiungimento di un altro obiettivo, quello di riuscire a far fuori anche il dissipatore. La potenza dissipabile da un TO126 in aria è di circa 1.25 Watt. Per diminuire la potenza dissipata si può diminuire la corrente, oppure la tensione. Dal momento che la corrente non può essere ridotta, l'unico parametro su cui agire è la tensione Vce. Nel nostro caso si tratterebbe quindi di dimezzarla, portandola a soli 60 Volt. Ma come?


Ultima modifica di bandAlex il 17/3/2012, 02:08, modificato 7 volte
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il 12/3/2012, 19:53
Per dimezzare la tensione ai capi del transistor che fa da shunt si può mettere un cascode, in questo modo la potenza dissipata si distribuisce su due transistor invece di uno, e ciò permetterebbe l'eliminazione del dissipatore.

Ma ahimè, i test fatti questa sera non si sono rivelati molto positivi. A fronte di una complicazione circuitale (non è sufficiente infatti aggiungere un transistor, sono necessari altri componenti di contorno) il risultato a livello di rumore e di attenuazione del ripple peggiora notevolmente. Ciò è abbastanza naturale in quanto l'impedenza dello shunt con il cascode inevitabilmente aumenta (ci sono due elementi in serie invece di uno). Non mi aspettavo però un peggioramento di tale entità. Probabilmente studiandoci ancora un po' su forse riuscirei ad ottenere uno risultato migliore, ma ho deciso di accontentarmi del risultato raggiunto e di tenermi il dissipatore.

E il risultato è questo:

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[questa misura è nettamente migliorata: vedere gli aggiornamenti nei post successivi]

Questo è lo spettro dei primi 1000 Hz rilevato direttamente sui 120 Volt dell'alimentazione anodica, con un carico di 20 mA che rappresenta l'assorbimento dello stadio valvolare di un canale. La traccia rossa è la rilevazione, la traccia verde è il fondo di rumore dello strumento.

Come si vede, a fronte di un livello di rumore bassissimo, praticamente al limite del mio strumento - circa -120 dB, e che sale solo un po' alle frequenze più basse - il residuo del ripple a 100 Hz si colloca su un valore piuttosto basso, inferiore a -85 dB.

Un risultato di tutto rispetto, considerando che sono stati utilizzati pochissimi componenti: due transistor, due zener, qualche resistenza e un solo condensatore elettrolitico, tra l'altro quest'ultimo non sull'alimentazione bensì in parallelo allo zener dello shunt dove del resto era assolutamente necessario per abbattere il rumore prodotto dallo zener stesso.

L'impedenza dinamica dello shunt è piuttosto bassa: solo 1.5 ohm a 1000 Hz. Il che mi fa definitivamente chiudere il discorso sullo shunt e passare al disegno finale della pcb del preamplificatore valvolare del Lightning. Stay tuned.



Ultima modifica di bandAlex il 17/3/2012, 02:13, modificato 1 volta
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il 12/3/2012, 20:55
Seguo come sempre con molta attenzione le evoluzioni dei tuoi progetti, anche se devo dire che quando si scende (o si sale?) sul tecnico resto un po' indietro [Devi essere iscritto e connesso per vedere questa immagine]

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il 13/3/2012, 09:22
Diciamo che, per quanto lodevole, l'intenzione di eliminare i dissipatori importava già una certa complicazione concettuale che non lasciava desumere nulla di buono. no
Ci faremo una ragione dell'adozione dei dissipatori... wink
Piuttosto quegli spikes in basso - l'ultimo intorno ai 300 Hz - a cosa sono dovuti ? unsure

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il 13/3/2012, 10:05

E' rumore di fondo... nessuno spike. Tieni presente che in quel punto stai sotto i -110 dB...

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il 13/3/2012, 10:26
Le tre righe verticali rosse invece sono il ripple residuo sull'alimentazione (cioè quello che di cui si vuole misurare l'entità: più basso è, meglio è). Con il termine "ripple" si intende l'ondulazione della tensione dovuta ai residui di corrente alternata che derivano a loro volta dall'operazione di raddrizzamento e di filtraggio della tensione proveniente dal secondario del trasformatore di alimentazione.

Il ripple, quando l'alimentatore non è ben progettato, o quando gli stadi di amplificazione non hanno un sufficiente PSRR (Power Supply Rejection Ratio), sono la causa del classico "hum" o ronzio di fondo, che è molto fastidioso. Ovviamente, si deve cercare di minimizzare il più possibile tale ondulazione residua in modo da essere certi che non sia udibile in nessuna condizione.

Da un punto di vista elettrico, è come se sulla tensione continua di alimentazione fosse sovrapposto un segnale a 100 Hz, con le sue relative armoniche. Mettendo la sonda di un analizzatore di spettro sull'alimentazione si può quindi visualizzare e misurare l'entità di questo segnale sovrapposto indesiderato.

Nel grafico pubblicato si vedono infatti 3 righe verticali: la prima a sinistra, la più lunga, è posizionata a 100 Hz, e infatti è la fondamentale del ripple. Le altre due sono le relative armoniche di questo segnale, collocate infatti a 200 e 300 Hz, rispettivamente.

La riga più alta non arriva comunque a toccare i -85 dB di livello, come si vede guardando la scala a sinistra. E' questa la cosa importante: che si rilevi un ripple è del tutto inevitabile (soprattutto in quanto stiamo lavorando su un alimentatore ad alta tensione), ma è fondamentale che esso sia abbastanza basso da non arrecare danni. Un livello di -85 dB sull'anodica, per un progetto valvolare, è qualcosa di eccezionale, e raramente viene riscontrato. In genere, per progetti di questo tipo ci si accontenta di valori di ripple più alti, intorno ai -50 dB, e per abbattere il ronzio ci si affida al PSRR degli stadi di amplificazione.
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il 13/3/2012, 10:34

Ad ulteriore rassicurazione, c'è da dire che lo stadio preamplificatore valvolare del Lightning vanta un alto valore di PSRR. Ovvero, per dirla in parole povere, se ne fotte abbastanza poco di un po' di ripple sull'anodica.

L'alto valore di PSRR è dovuto all'adozione dei CCS (generatori di corrente costante) come carico delle valvole, i quali avendo un'impedenza dinamica molto elevata, isolano molto bene le valvole dalla tensione di alimentazione. E' uno dei vantaggi dell'adozione dei CCS a stato solido...
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il 13/3/2012, 14:05
Hai fatto bene a tenerti i dissipatori [Devi essere iscritto e connesso per vedere questa immagine]

P.S: belle FFT, complimenti.
Ciao.
Giulio.
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il 13/3/2012, 14:10
L'impedenza dinamica dello shunt è piuttosto bassa: solo 1.5 ohm a 1000 Hz.

Riesci a misurarla anche a frequenze più elevate (a 100Khz quanto vale il modulo?)

Ciao.
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il 13/3/2012, 14:14

Il test a 100 Khz e 1 MHz lo farò stasera... sarà l'occasione per parlare un po' dei vantaggi di un regolatore di tipo shunt. cool
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il 13/3/2012, 14:23
Ottimo [Devi essere iscritto e connesso per vedere questa immagine]
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il 13/3/2012, 14:27
Ovviamente farò il test senza condensatori in parallelo allo shunt... sono abbastanza tranquillo: le capacità parassite dei semiconduttori, che rappresentano un limite per uno stabilizzatore in serie, nel caso di uno shunt giocano a nostro favore... roll
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il 13/3/2012, 21:55
100 Hz
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1 KHz
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100 KHz
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1 MHz
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[vedere i post successivi per aggiornamenti sui dati]



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il 13/3/2012, 22:29
Nel post precedente avete la sequenza delle misurazioni fatte stasera per verificare l'impedenza dinamica del regolatore shunt a varie frequenze. Il test è stato effettuato a 100 Hz, 1 KHz, 100 KHz e 1 MHz.

Il generatore di funzioni è stato regolato ad ogni misura per fornire un segnale sinusoidale di 3 Volt di picco. In serie al generatore sono stati messi una resistenza da 220 ohm e due condensatori in parallelo, un elettrolitico da 470 uF 200 V, e un polipropilene da 1 uF da 250 V.

Il segnale è stato quindi applicato ai capi dello shunt, sostanzialmente su quello che poi sarà il ramo di alimentazione anodica della valvola. Il condensatore è servito a bloccare i 120 Volt in continua che altrimenti si sarebbero scaricati sul generatore, mentre la resistenza è servita a fornire un valore noto di resistenza in serie in modo da poter calcolare l'impedenza dinamica dello shunt.

Il parallelo dei due condensatori ha garantito che non entrasse in gioco la reattanza del condensatore a mischiare le carte.

E ora veniamo ai risultati. I numeri da prendere in considerazione nelle figure pubblicate sono quelli nel riquadro "Massimo": il verde è il valore di picco misurato in uscita dal generatore (che è ogni volta regolato a 3 Vp), il rosso è quello misurato sullo shunt, dopo la resistenza da 220 ohm.

Tale resistenza, insieme all'impedenza dello shunt forma un partitore, per cui dalla misurazione della tensione si può ricavare il valore di impedenza dello shunt stesso.

I valori rilevati sullo shunt sono i seguenti:

100 Hz -> 23.50 mV

1 KHz -> 26.79 mV

100 KHz -> 27.84 mV

1 MHz -> 33.39 mV

[vedere i post successivi per aggiornamenti sui dati]

Come vedete la tensione cala aumenta leggermente all'aumentare della frequenza, il che vuol dire che l'impedenza dello shunt aumenta leggermente con la frequenza. Questo c'era da aspettarselo. La prima cosa da evidenziare è comunque che tale aumento è davvero trascurabile, e persino a 1 MHz lo shunt si comporta quasi come una resistenza pura.

Questa è l'impedenza che se ne ricava dai dati, per ciascuna frequenza:

100 Hz -> 1.74 Ω

1 KHz -> 1.98 Ω

100 KHz -> 2.06 Ω

1 MHz -> 2.48 Ω

[vedere i post successivi per aggiornamenti sui dati]

Quindi lo shunt si comporta quasi come una resistenza pura, senza mostrare alcuna parte induttiva evidente ben oltre i 100 KHz.


Ultima modifica di bandAlex il 17/3/2012, 02:12, modificato 2 volte
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il 13/3/2012, 22:50
Questo è il rumore rilevato sullo shunt:
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Come si vede è estremamente silenzioso, si notano solo i residui dei 100 Hz, comunque molto bassi.
[questa misura è nettamente migliorata: vedere gli aggiornamenti nei post successivi]

Il vantaggio principale di utilizzare un regolatore shunt per le valvole è quello di mettere fuori gioco qualunque influenza possa arrivare dall'alimentazione (quindi trasformatore, rettificatore, condensatori di filtro, cablaggio) in quanto la sua bassa impedenza in prossimità della valvola farà sì che il segnale audio si chiuda sullo shunt, senza percorrere il tragitto lungo l'alimentatore o qualche condensatore elettrolitico messo sul ramo di alimentazione.

Lo svantaggio è che un regolatore shunt è meno efficiente di un regolatore in serie (tipo un emitter follower o un integrato come LM317 e simili) e deve essere progettato con attenzione altrimenti si rischia di non sfruttarne i vantaggi o peggio ancora di assistere a qualche fumata.


Ultima modifica di bandAlex il 17/3/2012, 02:10, modificato 1 volta
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il 15/3/2012, 23:36
I residui di alternata sarebbero maggiori o minori in assenza di shunt?



(che poi, dico io, si potrebbe sempre pensare a una meravigliosa alimentazione induttiva....[Devi essere iscritto e connesso per vedere questa immagine] )
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il 16/3/2012, 00:53
Alimentazione induttiva... vuoi dire qualche chilogrammo di ferraglia, tanto per gradire...

No, un'alimentazione induttiva non potrà mai essere superiore ad uno shunt. Anzi, all'accoppiata CCS + shunt come nel nostro caso. Credo sia il caso di chiarire alcuni aspetti della questione, in modo da evidenziare gli innumerevoli vantaggi di uno shunt rispetto a qualunque altro tipo di alimentazione.

Innanzitutto, se lo scopo è quello di isolare per quanto possibile la parte "grezza" o "sporca" dell'alimentazione, quella cioè composta da trasformatore + rettificatore + cella di filtro, un'induttanza va pure bene, ma il suo effetto si riduce grandemente oltre una certa frequenza, da circa 7 KHz in su, per via delle capacità parassite dell'avvolgimento. Questo significa che da quella frequenza l'induttanza è come se non ci fosse, e lascia passare ogni schifezza proveniente dalla rete. Schifezza che passa in gestione quindi ai soli condensatori elettrolitici di filtro. Quella stessa schifezza per cui alcuni audiofili spendono centinaia di euro in ciabatte e filtri di rete.

L'alimentazione induttiva, ovvero l'utilizzo di una grossa induttanza in serie all'alimentazione, con una o più capacità di filtro seguenti, era l'unico modo, all'epoca delle valvole, per ottenere un'alimentazione con ripple abbastanza basso. Questo perchè a quell'epoca si usavano valvole rettificatrici al posto del silicio, che non erano in grado di sostenere il picco di corrente richiesto da una grossa capacità di filtro. Un altro motivo per cui veniva usata l'induttanza era che condensatori elettrolitici di grande capacità e ad alta tensione di lavoro erano proibitivi, sia per motivi di costo che di spazio. Non solo, ma i condensatori elettrolitici di una volta non erano certo come quelli di oggi: il loro alto valore di resistenza e di induttanza serie (ESR + ESL) li rendeva molto meno efficienti; l'alimentazione induttiva permetteva di usare valori più bassi di capacità, e nel contempo un filtraggio migliore del ripple.

Ma la cosa fondamentale è che quando si parla di "alimentazione induttiva", non si parla di alimentazione stabilizzata. Paragonarla con uno shunt quindi è del tutto fuori luogo. Uno stabilizzatore shunt, esattamente come uno stabilizzatore in serie (come ad esempio un LM317 o un 7815), cerca di mantenere il valore di tensione prefissato nonostante variazioni del carico e della tensione al suo ingresso, cosa che un'induttanza neanche si sogna di fare.

Un'induttanza può migliorare il filtraggio, perchè si oppone alle variazioni della corrente a 100 Hz, presentando un'alto valore di impedenza fino a qualche KHz. Non può però regolare la tensione e nemmeno garantire una bassa impedenza dell'alimentazione stessa.

In un'alimentazione induttiva, il compito di abbassare l'impedenza dell'alimentazione è demandato ai condensatori elettrolitici dopo l'induttanza. Cioè esattamente l'opposto di quello che fa uno shunt che, in virtù del suo comportamento, è come se fosse esso stesso un enorme condensatore, che abbassa l'impedenza della linea senza però presentare i difetti che di solito presenta un componente reattivo.

Il test fatto da me alle varie frequenze dimostra questo fatto. Fino a 1 MHz, l'impedenza dello shunt (e di conseguenza l'impedenza dell'alimentazione vista dalla valvola) è praticamente costante. Questo non sarebbe ottenibile con nessun tipo di condensatore o di induttanza. Il fatto che prima dello shunt ci sia un CCS (un generatore di corrente), con la sua alta impedenza dinamica, fa sì che l'insieme CCS + shunt si comporti come un partitore, in grado di attenuare enormemente ogni tipo di influenza proveniente da tutto ciò che si trova prima del CCS stesso, cioè il cablaggio, il raddrizzatore, il filtro, il trasformatore e di conseguenza la rete elettrica di casa.

Con lo shunt si evita che il segnale passi attraverso uno o più condensatori elettrolitici. Con un'alimentazione induttiva, no. E lo si ottiene con una manciata di componenti che occupano poco spazio e costano una frazione infinitesimale della ferraglia induttiva.

Lo shunt da me utilizzato nel Lightning non è il migliore che si possa realizzare. Un'impedenza di circa 2 ohm 0.2 ohm, per quanto sia bassa in senso assoluto, è comunque un'impedenza ben più alta rispetto a quella ottenibile da un normale stabilizzatore in serie fortemente controreazionato come può esserlo un LM317, o anche uno shunt di tipo più complesso. L'obiettivo era quello di accorciare il più possibile il percorso del segnale audio, evitando di farlo passare in grossi condensatori elettrolitici. Per questo scopo, e considerando che si tratta di un circuito a valvole, un'impedenza di 0.2 ohm nella banda audio, quasi puramente resistiva, ottenuta senza complicazioni eccessive, è già un motivo valido di per se' per utilizzare questo tipo di soluzione.


Ultima modifica di bandAlex il 21/3/2012, 10:54, modificato 2 volte
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il 16/3/2012, 01:02
[Devi essere iscritto e connesso per vedere questo link] ha scritto:I residui di alternata sarebbero maggiori o minori in assenza di shunt?

Per quanto riguarda poi la tua domanda, vorrei far notare che lo spettro di rumore da me pubblicato è relativo ai residui misurati direttamente sull'alimentazione della valvola. Un valore di quasi -90 dB del residuo a 100 Hz è considerato in genere un ottimo risultato negli altri amplificatori valvolari, ma all'uscita dell'amplificatore!

Quindi, per rispondere: sì, lo shunt fa il suo sporco lavoro in maniera egregia, tanto che quel fondo di rumore per molti sarebbe un buon risultato anche se fosse misurato sull'uscita cuffia. Non so se mi spiego...
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il 17/3/2012, 02:01
Questo è lo schema dello shunt.
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Sulla destra, dove è indicato il test point TP2, c'è l'ingresso della tensione "grezza" proveniente dal ponte di diodi, filtrata con una semplice cella CRC. In quel punto sono circa 150 - 160 Volt. Sulla sinistra dello schema si vede invece il test point TP1, che sarebbe l'uscita dello shunt, il punto in cui è presente la tensione stabilizzata a circa 120 Volt che alimenta la valvola.

Stasera ho rifatto le stesse misure di ieri, in quanto c'è stato un piccolo cambiamento nella componentistica. I giorni scorsi non avevo a disposizione lo zener da 120 Volt, per cui per il prototipo ne ho usati tre in serie: uno da 82 V, e due da 20 V, in modo da ottenere uno zener da 122 V, vicino al valore necessario. Facendo riferimento allo schema pubblicato qui sopra, si tratta dello zener D5. In teoria, uno zener da 120 V oppure tre in serie la cui somma da lo stesso valore non dovrebbe fare differenza. Ma stasera, dopo aver sostituito i tre zener provvisori con quello giusto da 120 V, ho rifatto le misure e... sorpresa. Vediamo i risultati.

Questo è il rumore nella finestra fino a 500 Hz:

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Notate qualcosa? O meglio, cosa manca? Rispetto alla stessa misura di ieri si può notare che è praticamente sparito il ripple residuo a 100 Hz. Il rumore sullo shunt è praticamente uguale al fondo di rumore dello strumento di misura. Notevole, eh?

Per brevità, pubblico solo la misura relativa al test di impedenza dinamica a 100 Hz, nelle stesse condizioni di misura di ieri, ovvero: resistenza da 220 ohm in serie al generatore, 3 Vp. Ecco il risultato:

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Sullo shunt si legge un segnale residuo di soli 4.71 mV, rispetto ai 23.50 mV rilevati ieri! Ciò corrisponde ad un'impedenza di circa 0.2 ohm, molto inferiore a quella di ieri.

La spiegazione di questo notevole miglioramento è data dal fatto che l'impedenza dinamica del singolo zener da 120 V è molto inferiore a quella di tre zener messi in serie. Consultando il datasheet degli zener utilizzati ieri, risulta infatti che il totale dei tre dava un valore superiore a 600 ohm di impedenza dinamica a 1 KHz. Il singolo zener invece è dichiarato per 250 ohm. Pertanto anche la base del transistor T7 che fa da shunt vede un'impedenza inferiore e ciò spiega il miglioramento rilevato.

Per capire meglio l'efficace lavoro effettuato dallo shunt, pubblico la misura del rumore rilevata al test point TP2, cioè prima dello shunt:

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Come si può vedere, il ripple raggiunge la vetta di -35 dB, più le varie armoniche fino alla quinta. Notate anche il rumore elevato a bassissima frequenza, che tocca i -30 dB. Questa misura è la prova evidente di quanto sia efficace lo shunt, senza l'aiuto di grossi condensatori elettrolitici.
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il 17/3/2012, 02:05
Pubblico anche lo spettro fino a 80 KHz rilevato sull'alimentazione fornita dallo shunt:

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Siamo ai limiti del mio strumento di misura. Non si rileva rumore su quella che sarà la linea di alimentazione anodica dello stadio valvolare del Lightning...
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il 17/3/2012, 21:15
Ottime notizie!
Il saldatore è impaziente.
grande sorriso
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il 17/3/2012, 23:58
[Devi essere iscritto e connesso per vedere questo link] ha scritto:Ottime notizie!
Il saldatore è impaziente.
grande sorriso

Sto lavorando sulla pcb dello stadio valvolare... wink
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il 18/3/2012, 13:46
Ora sì che possiamo definire bassa l'impedenza dello shunt! [Devi essere iscritto e connesso per vedere questa immagine]


Ciao.
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Appunti di viaggio: regolatore shunt Empty Re: Appunti di viaggio: regolatore shunt

il 18/3/2012, 15:30

Certo 0.2 ohm è sicuramente meglio di 2 ohm... ma c'è da dire che anche se fosse rimasto il valore di 2 ohm, per le caratteristiche del circuito alimentato, ovvero uno stadio valvolare ad alto PSRR, lo shunt sarebbe andato benissimo lo stesso. smile
Giulio
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nespola
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Appunti di viaggio: regolatore shunt Empty Re: Appunti di viaggio: regolatore shunt

il 18/3/2012, 20:19
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Ciao.
Giulio.
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