シャントレギュレータ電源
2023年8月24日 掲載
普通のシリーズレギュレータと違う、シャントレギュレータタイプの電源の実験をしました。
4極管 4CX250Bを用いたアンプのスクリーングリッド電源はもちろん、グリッド電流を流して使うAM送信機の固定バイアス用の、可変電圧の-C電源としても使えそうです。
参考文献：
[1]http://www.trpub.net/assets/applets/VHF-UHF_DX_Book.pdf FETが得意な方向き
[2]https://www.qsl.net/g3uvr/4cx250/G4AJW-psu.pdf 真空管でやりたい方向き
基本的なモデル
Ebを電圧降下用抵抗と真空管で分割した電圧を出力します。
真空管に常時流しておく電流（これをsink電流と呼びます）が、外に引き出せる最大電流になり、選ぶデバイスによって流し込む電流の最大値が決まります。
電圧降下用の抵抗は、あるsink電流で必要な出力電圧になるように選びます。例えばsink電流30mA、Eb=450V、出力300Vなら5kΩになります。
sink電流が一定なら、負荷をつなぎ電流を取ると出力電圧は下がります。逆に負荷から電流が流入すると電圧は上がります。
そこで、出力電圧にもとづいて適宜制御電圧を生成し、適正な電圧をCgに印加するようにすればsink電流は負荷に応じて自動的に変動するようになります。
つまり、出力電圧を一定にできます。
文献にある回路
文献[2]に、EL84とオペアンプを使った回路が掲載されています。
右端にツエナーダイオード1S3120がありますが、これは1S3012の誤植だと思います。
その2直列で得られた電圧24Vを電源として741を働かせ、制御電圧を発生して、3結したEL84=6BQ5にフィードバックするような回路です。この回路ではそれを2系統有しています。
簡単のためにpointだけを整理してみました。
この回路は次のように動きます。
出力電圧350Vのとき、220kと6.8kで抵抗分割されて、741の正入力は約10.5V。
一方負入力は、9.35Vから上に調整可能です。これを10.5Vになるように調整すると741の出力はVDD/2。
741の電源では24Vなので、741の出力は12Vになります。
これがEL84のグリッドに加えられています。
出力電圧が下がると正入力の電圧も下がり、741の出力電圧も低下します。
すると、EL84のバイアスが深くなり、EL84に流れる電流が減ってプレート電圧＝出力電圧は上昇します。
出力電圧が上がった場合はこの逆です。
具体的には、例えば、
http://web1.kcn.jp/tube/tube%20data.html
から、6BQ5三結のプレート特性は、
3.9kの負荷直線を書き入れています。また、カソードが24V浮いていますから326Vのところにも線を入れてみました。
6BQ5のカソードからみると、741からの12Vの出力は-12Vのバイアスに相当します。
この741の出力をそのままG1に加えたプレート電流30mA強、プレート/カソード間電圧300V弱をスタートとします。
このとき（対接地の）プレート電圧は320V強なので、741の正入力は9.6Vくらいになり、741の出力電圧は低下。よって、プレート電流も減って電圧は上がります。
それを繰り返し、平衡状態に落ち着くというわけです。
具体的にどこで平衡状態に落ち着くかは741のモデル化をしないとわかりませんが、この「周辺」とは言えます。
試行錯誤や調整は必要ありません。
この回路は、とてもシンプルに、分かりやすくまとめられた回路だと思います。ポイントはオペアンプの動作とツエナーの使い方でしょうか。
ツエナーを使って電源を作るやり方は、昔のFTdx400で、VFOの電源を低周波アンプの6BM8のカソードからもらっていたのと同じ考え方といえるでしょう。ノイズがどうか、ちょっと心配ではあります。
以上を、50メガのリニアアンプで使える回路にmodfyします。
下準備
ターゲットとするリニアアンプでは、レギュレータに6G-B7を使っています。よってはタマは6G-B7一択です。
6G-B7は、テレビの水平出力管で、国産球です。最大定格 Ep700V、ESｇ250Vで、許容損失は、それぞれ、PP15W、PSg5W。テレビ球なのでESgの最大定格がやや低いですが、許容損失と言う意味では6BQ5にも負けない便利な球と思います。何より、6G-B7は管径が太く堂々としていて、バランスととれた外観がVYFBです。同種の球には6G-B3や6G-B6もあります。
https://radiomann.sakura.ne.jp/HomePageVT/CESb.html#B7
ネットで得られる6G-B7のプレート特性図に負荷線を書き込んでみました。
3結で使えれば簡単で良いのですが、スクリーングリッドの最大定格上NGなので、普通に5極管で使わざるを得ません。
仮に第1グリッドにゼロからマイナス24Vの間の電圧を印加するとすると、スクリーングリッド電圧を100V以下にすることがmustだとわかりました。
そこで、Cgに、オペアンプの動作範囲、つまり0～-24Vを印加したときIPを都合よくコントロールできるのは、Sgに何ボルトを加えたときか、
ESgをいくつか振りながら、プレート電流対ECgの特性を計りました。
計った中ではSg電圧が70Vの時が都合よく、次のようになることがわかりました。
| Ip[mA] | ECg[V] |
|---|
| 10 | -13.5 |
| 20 | -10.5 |
| 30 | -8.1 |
| 40 | |
| 50 | -4.7 |
実験回路
手持ちに古い741がいくつかあります。
-24Vの電源を持ってきて、最近購入したサンハヤトの試作基板を使ってさっそく実験してみました。
スクリーングリッドは70Vの電源に直接つなぎました。
上の接続で、期待したように動くことがあっけなく確認できました。
実用回路
文献のように、6G-B7のカソードにツェナーダイオードを入れて、プレート電流による電圧降下を741の電源として活用します。
丁度12V5Wという物の手持ちがありましたので、2つ直列にしました。
スクリーングリッドは、カソードが24V浮く分だけ補正する必要があるので、90Vを目標に抵抗分割で供給しました。
上の実験回路とは若干電圧関係が変化するので、抵抗値を変える必要がありましたが、ボリュームを若干回すだけでこちらもうまく動作しました。
6G-B7の規格上は、Ep300Vで、sink電流50mAまでは大丈夫です。上の例では、30mAで平衡状態を作ったので、staticには、流出30mA、流入20mAまでは使えます。
瞬間的にどこまで行くか、そういう意味での最大値は十分確認できていませんが、流入50mAでも、オペアンプ回路は問題なくついて来るようでした。
・正入力につけているダイオードは高圧のスパイクに対する保護用です。4極管回路への適用を考えると、これは超必須です。
・入力の240kや出力の100kの高抵抗には、参考文献にあるようなスピードアップコンデンサを入れたほうが良いのかもしれません。
・スクリーングリッドの電圧をもう少し上昇させた方が良いかもしれません。丁度VR105MTのレンジでしょうか。
・100kのブリーダー抵抗はなくてもかまわないと思いました。
設計のポイント
以上では、如何にもstraight forwardにことが進んだように書きましたが、立派なお手本があったにもかかわらず、なかなかそんな風にはいきませんでした。
暑い中で色々試行錯誤を繰り返しながら、サンハヤトのブレットボードと格闘しました。そしてたくさんのデータを整理し、一歩ずつ上のような結果にたどり着きました。
まあ、実験のだいご味でしょうね。
設計を進めるうえでのポイントは、
・sink電流を決める電圧降下用の抵抗値
・741の負入力端子の初期値
・5極管を使うならスクリーングリッド電圧の決定
・スピードアップコンデンサ
といったところでしょうか。
抵抗はオームの法則でエイっと決めます。
741の動作範囲の「真ん中ぐらいのバイアス（12ボルトぐらい）」で所要のsink電流になるSg電圧を調べます。
正入力と負入力が概ね同じ電圧になるよう、回路定数を選びます。
オペアンプの動作範囲の「真ん中」のバイアスで所望のsink電流を得るようSg電圧を探るとしましたが、単純に真ん中である必要はありません。
「うえ目」にするか、「下目」にするか、ノウハウと思います。
真ん中にすると、流出と流入が同じように働きます。
上目に設定すると、オペアンプの出力範囲の下の方、つまりタマのバイアスの深い方にフトコロが広がりますから、流出の制御が良くできるようになります。
一方下目に設定すると、その逆で、オペアンプの出力範囲の上の方、つまりタマのバイアスの浅い方にフトコロが広がりますから、流入の制御が良くできるようになります。
最大流出電流は当初設定した抵抗で決まってしまいますから、下目に設定して流入に強い回路にした方がいいのではないかと思います。
展 開
この回路は、初めの電圧降下は抵抗に頼っていますが、そこをシリーズレギュレータに置き換えることもできると思います。
sink側は、6BQ5を2本並列にするとか、少し大きな6CA7や807などを使ってみるなど、大きさも含め、いろいろ発展できそうです。
機会を見て、一台作っておこうかと思います。