Stabilizator napięcia z elektroniczną dioda Zenera o ultraniskim poziomie zakłóceń i szumów

[zjawisko]

Pamiętam te filtry aktywne ze swojego wzmacniacza WSH-205. Były to filtry podwójne - najpierw sygnał przechodził przez filtr RC, a później przez filtr aktywny z tranzystorem BC147. Nigdy nie słyszałem nawet śladu przydźwięku w tym wzmacniaczu, więc filtry te musiały być wystarczająco skuteczne.
Filltry WSH-205.png

Ja miałem na myśli nieco bardziej rozbudowane rozwiązanie, tj Trawiatę WS-301 (instrukcja obsługi ma nr zlecenia druku z rokiem 1981) oraz mocniejszą odmianę WSH-303. Mutacja mini (WS-311/315) miała to znacznie gorzej rozwiązane, tj drugi człon zastąpiono diodą Zenera 30V.

Jedyny uciążliwy przydźwięk mógł wynikać z fatalnie (a więc fabrycznie) połączonej masy gramofonu. Rezystory w bazach dodawały odrobinę idiotoodporności i umożliwiały tranzystorowi przeżycie przy ewentualnym krótkotrwałym zwarciu wyjścia.

Zupełnie obłędny był natomiast (sporo większy i mocniejszy) WS-303/503 gdzie wszystkie wejścia liniowe najpierw wytłumiano, a później ładowano w przedwzmacniacz gramofonowy pozbawiony korekcji. Brrr!

Diora miała też nieco inną tajemnicę. Namiętnie ładowali na płytki przedwzmacniacza SC237 z DDRu na miejsce naszych BC147. I zawsze mnie to drażniło wizualnie. A tu po prostu wychodzi na to, że RFT swoje SC237-238 selekcjonowała na niższy współczynnik szumów. https://www-user.tu-chemnitz.de/~heha/b ... /sc236.gif Tj standardowe dla siódemek i ósemek max. 10dB vs ichnie max. 8dB przy zachowaniu wyższych napięć przebicia złącz. Odpadem poselekcyjnym był tu SC236 bynajmniej nie o wyższych napięciach przebicia złącz (jak w reszcie świata - BC546/556 - nawet w schyłkowym CEMI), a będący po prostu standardowym BC238.

Tranzystorów ze śmieci, do wzmacniaczy wizji ani impulsowych wysokonapięciowych zupełnie nie widzę w tym zastosowaniu.
Te wszystkie końcowowizyjne BFy mają bety po 20 przy dobrym wietrze. O tranzystorach wielkiej mocy nie ma nawet co wspominać. Trzeba by pokleić długiego Darlingtona na miarę patentów radzieckich (patrz np zasilacz sieciowy oscyloskopu C1-49 ) a to już byłoby niepoważne.

[Romekd]

Romek dwa pytania:

1. Jak się wyznacza pojemność kondensatorów przy diodach w mostku prostowniczym ?
2. Jak się ma obecny układ w porównaniu do twojego poprzedniego stabilizatora (pomijając fakt, iż poprzedni jest kompensacyjny) ?

Prawdę powiedziawszy nie znam żadnych wzorów na obliczanie wartości kondensatorów blokujących diody w mostkach prostowniczych. Rolą tych elementów jest bocznikowanie diod dla sygnałów o wyższych częstotliwościach. Z jednej strony chodzi o to by diody nie prostowały zakłóceń w.cz. przychodzących z sieci (nie działały jak "detektory AM"), z drugiej by same nie generowały zakłóceń podczas przełączania (impuls prądu wstecznego przy rozpoczęciu opadania sinusoidy w sieci /w momencie wyłączania się diody/), które później "rozsiewałyby" się po obwodach urządzenia. W większość kolorowych tranzystorowych telewizorów równolegle z diodami w prostowniku napięcia sieciowego włączone były diody o pojemności 1 nF (do 4,7 nF). W odbiornikach radiowych, w prostownikach znacznie niższych napięć stosowane były kondensatory o większej pojemności, np. 22 nF (widywałem w nich kondensatory od 10 nF do 47 nF). Czasami w jakimś urządzeniu nie ma takich diod i nic szczególnego się nie dzieje (najwyżej w znajdującym się w pobliżu radiu ustawionym na zakresie AM pojawia się charakterystyczne "bzyczenie" ).

Stary układ stabilizatora był w miarę "cichy". Pamiętam, że przez kondensator (separujący składową stałą) podłączałem na jego wyjście słuchawki (zabezpieczone dwoma równolegle /przeciwsobnie/ połączonymi diodami 1N4007). W słuchawkach dało się wtedy usłyszeć cichutki szum...
Koledzy, którzy wykonali ten układ czasem zgłaszali mi pewną jego wadę - w miarę nagrzewania się płytki zamkniętej w małej obudowie napięcie po kilkunastu minutach było nieco niższe od wcześniej ustawionego. Wynikało to ze spadku prądu bazy tranzystora T3 (dla stałej wartości prądu emitera), którego wzmocnienie prądowe nieco wzrastało przy wzroście temperatury obudowy tranzystora. W tamtych zasilaczach szum na poziomie miliwolta (lub ułamka miliwolta) mi nie przeszkadzał, ale przy obecnych pomiarach jest to już wartość zbyt wysoka i dlatego chcę opracować zasilacz, którego napięcie wyjściowe będzie takie jakby pobierało się je z baterii anodowej - było idealnie czyste (nieco większa oporność wewnętrzna takiego źródła nie ma tu większego znaczenia).

Pozdrawiam
Romek

[Jurek O]

Romek dziękuję serdecznie za wyczerpującą odpowiedź.
O kondensatory zapytałem ponieważ przerzuciłem tonę publikacji starszych i nowszych i nic
W moim przypadku zakłócenia w. cz. mają znaczenie. Np. podczas nadawania na falach krótkich mocą tylko 50 W mój pierwszy wzmacniacz lampowy od "Reduktor szumu" z powodzeniem zastępował niezłej klasy odbiornik Aktualny PP EL 84 jest niewrażliwy nawet przy 0,7 kW gdzie ramiona dipoli są od niego oddalone tylko o ok. 5 metrów.

Z moim poziomem wiedzy elektronicznej raczej Ci nie pomogę przy zasilaczu ale trzymam kciuki i mocno kibicuję

Pozdrawiam.
Jurek

[Romekd]

W przetwornicach impulsowych izolowanych rzadko zachodzi konieczność stabilizacji napięć większych niż kilkadziesiąt woltów za pomocą transoptora.

Ponadto autor rozwiązania z tranzystorami bipolarnymi w swojej ostatniej wypowiedzi w wątku na "Elektrodzie" błędnie podał sposób włączenia swojej regulowanej "diody Zenera" w obwód z transoptorem - transoptor powinien zostać włączony od "góry" układu, a nie od strony masy, a dodatkowo równolegle z diodą "nadawczą" transoptora powinien zostać włączony dodatkowy rezystor, gdyż przez układ symulujący diodę Zenera prąd przepływa również przy napięciach niższych od stabilizowanego...

Takie rozwiązanie może zwiększyć co prawda wzmocnienie pętli sprzężenia zwrotnego, ale może to doprowadzić do wystąpienia niepożądanych oscylacji znanych jako skwierczenie, bzyczenie, itp.

Jak by na to nie patrzeć jest to ewidentnym błędem. Przez szeregowo połączone rezystory dla napięcia 95 V płynie 1,26 mA, a układ TL431 do stabilnej pracy potrzebuje dodatkowe 600...800 μA, co razem daje ponad 2 mA prądu płynącego przez wejście transoptora, i to jeszcze przed osiągnięciem na wyjściu przetwornicy napięcia znamionowego. Można co prawda układ po pierwotnej stronie zaprojektować tak by nie reagował na tak małe prądy diody emisyjnej w transoptorze, ale wówczas układ staje się wrażliwy na parametry samego transoptora (co będzie jak ktoś wymieni go w przyszłości na element o dużo większym wzmocnieniu?). Do układu można dodać jeden z dwóch zaznaczonych przeze mnie na pomarańczowo rezystorów (o wartości np. 390 Ω), który spowoduje, że dla samego prądu polaryzacji "regulowanej diody Zenera" napięcie na diodzie IR transoptora nie osiągnie wartości przy której dioda ta zacznie przewodzić, emitując promieniowanie podczerwone...

Pozdrawiam
Romek

[AZ12]

Witam

Prawdę powiedziawszy nie znam żadnych wzorów na obliczanie wartości kondensatorów blokujących diody w mostkach prostowniczych. Rolą tych elementów jest bocznikowanie diod dla sygnałów o wyższych częstotliwościach. Z jednej strony chodzi o to by diody nie prostowały zakłóceń w.cz. przychodzących z sieci (nie działały jak "detektory AM"), z drugiej by same nie generowały zakłóceń podczas przełączania (impuls prądu wstecznego przy rozpoczęciu opadania sinusoidy w sieci /w momencie wyłączania się diody/), które później "rozsiewałyby" się po obwodach urządzenia. W większość kolorowych tranzystorowych telewizorów równolegle z diodami w prostowniku napięcia sieciowego włączone były diody o pojemności 1 nF (do 4,7 nF). W odbiornikach radiowych, w prostownikach znacznie niższych napięć stosowane były kondensatory o większej pojemności, np. 22 nF (widywałem w nich kondensatory od 10 nF do 47 nF). Czasami w jakimś urządzeniu nie ma takich diod i nic szczególnego się nie dzieje (najwyżej w znajdującym się w pobliżu radiu ustawionym na zakresie AM pojawia się charakterystyczne "bzyczenie".

Wydaje mi się że przyczyną tych zakłóceń jest rezonans wywołany indukcyjnością rozproszenia transformatora sieciowego wraz pojemnościami rozproszonymi i pojemnością diod prostowniczych.

[Einherjer]

[Marek7HBV]

Prawdę powiedziawszy nie znam żadnych wzorów na obliczanie wartości kondensatorów blokujących diody w mostkach prostowniczych. Rolą tych elementów jest bocznikowanie diod dla sygnałów o wyższych częstotliwościach.

Wydaje mi się że przyczyną tych zakłóceń jest rezonans wywołany indukcyjnością rozproszenia transformatora sieciowego wraz pojemnościami rozproszonymi i pojemnością diod prostowniczych.

Także drgania parametryczne są istotną częścią zakłóceń i dlatego blokuje się diodę kondensatorem o pojemności wielokrotnie większej niż może w danym układzie osiągnąć ona sama.

[Romekd]

Czołem.

Pamiętam te filtry aktywne ze swojego wzmacniacza WSH-205. Były to filtry podwójne - najpierw sygnał przechodził przez filtr RC, a później przez filtr aktywny z tranzystorem BC147. Nigdy nie słyszałem nawet śladu przydźwięku w tym wzmacniaczu, więc filtry te musiały być wystarczająco skuteczne.
Filltry WSH-205.png

Ja miałem na myśli nieco bardziej rozbudowane rozwiązanie, tj Trawiatę WS-301 (instrukcja obsługi ma nr zlecenia druku z rokiem 1981) oraz mocniejszą odmianę WSH-303. Mutacja mini (WS-311/315) miała to znacznie gorzej rozwiązane, tj drugi człon zastąpiono diodą Zenera 30V.

Jedyny uciążliwy przydźwięk mógł wynikać z fatalnie (a więc fabrycznie) połączonej masy gramofonu. Rezystory w bazach dodawały odrobinę idiotoodporności i umożliwiały tranzystorowi przeżycie przy ewentualnym krótkotrwałym zwarciu wyjścia.

Pomysł z zastosowaniem diody Zenera faktycznie nie był najlepszy (szumy). Natomiast kaskadowe łączenie kilku filtrów na pewno zapewniało zdecydowanie lepszą jakość napięcia, służącego do zasilania czułego przedwzmacniacza gramofonowego.
Co do prowadzenia mas, w wielu polskich sprzętach nie było ono najlepsze Pamiętam jeszcze jak rozczarował mnie tuner Diory o nazwie "Kleopatra 2A Hi-Fi", następca wcześniejszej "Kleopatry Hi-Fi", który z kolei zastąpił starszy zestaw o nazwie "Meluzyna". W cichszych fragmentach audycji buczał i bzyczał niemiłosiernie. Najwyraźniej było to słychać w słuchawkach - używałem wtedy polskich SN-50, które dla lepszego przenoszenia tonów niskich należało mocno rękami dociskać do głowy (były pod tym względem tragiczne... ). Spędziłem kilka wieczorów by zlikwidować w tym tunerze brum i przydźwięk; sam producent już coś "majstrował" z masami w moim egzemplarzu - niektóre ścieżki masy były przecięte, a masa poprowadzona w inny sposób przy pomocy srebrzanki w koszulce olejowej... Niestety musiałem te "oryginale" patenty wywalić i masę poprowadzić zupełnie inaczej.

Zupełnie obłędny był natomiast (sporo większy i mocniejszy) WS-303/503 gdzie wszystkie wejścia liniowe najpierw wytłumiano, a później ładowano w przedwzmacniacz gramofonowy pozbawiony korekcji. Brrr!

To faktycznie zupełne kuriozum. Nie miałem jeszcze okazji przemierzyć tych dwóch modeli, ale domyślam się, że odstęp sygnału od szumu raczej nie mógł być ich mocną stroną...

Diora miała też nieco inną tajemnicę. Namiętnie ładowali na płytki przedwzmacniacza SC237 z DDRu na miejsce naszych BC147. I zawsze mnie to drażniło wizualnie. A tu po prostu wychodzi na to, że RFT swoje SC237-238 selekcjonowała na niższy współczynnik szumów. https://www-user.tu-chemnitz.de/~heha/b ... /sc236.gif Tj standardowe dla siódemek i ósemek max. 10dB vs ichnie max. 8dB przy zachowaniu wyższych napięć przebicia złącz. Odpadem poselekcyjnym był tu SC236 bynajmniej nie o wyższych napięciach przebicia złącz (jak w reszcie świata - BC546/556 - nawet w schyłkowym CEMI), a będący po prostu standardowym BC238.

Tego nie wiedziałem, ale też widok widok SC237 w polskim sprzęcie jakoś mnie raził - wydawały się jakieś takie małe i nieco tandetne...

Pozdrawiam
Romek

[Romekd]

Einherjer
Widzę że do zagadnienia filtru podszedłeś z wielkim rozmachem... Wyliczone przez program parametry wypadły na poziomie "kosmicznym"... Mam tylko prośbę o mały ich z Twojej strony komentarz, by każdy czytający wiedział co konkretnie każda z krzywych na wykresie przedstawia.

Osobiście nie zamierzam aż tak mocno komplikować swojego układu (początkowo miał powstać z tego co znajdę "pod ręką"), choć pierwszy z rezystorów polaryzujących regulowaną "diode Zenera" też chciałem zastąpić źródłem prądowym, choć dużo prostszym, zbudowanym na jednym tranzystorze LND150 z rezystorem ustalającym wartość prądu na 1,2 mA.
Jeśli czas pozwoli (znowu mam nieplanowaną wcześniej pracę w warsztacie...), to dzisiaj wieczorem przedstawię wyniki pomiarów układu z rezystorami oraz rezystorem i źródłem prądowym na wspomnianym wyżej tranzystorze.

Pozdrawiam
Romek

[Romekd]

A temu TLowi jakby jeszcze ten nanofaradowy kondensator dołożyć? Nie ujmie jeszcze trochę szumu?

Dzisiaj po pracy spróbowałem pobawić się z podłączaniem tych kondensatorów między wyprowadzeniem REF i K układu scalonego TL431. By obserwować jak zmienia się poziom szumu i ich "energetyczny rozkład" w paśmie 1,5 Hz...96 kHz, wyłączyłem kondensator i rezystor filtru przy mosfecie, z wyjścia którego pobierałem sygnał AC na kartę pomiarową. Próby przeprowadzałem na prostszym układzie z jednym mosfetem, którego schemat jest poniżej.



Obecność kondensatora wpływała na wartość napięcia szumów i ich charakterystykę widmową. Pomiary przeprowadziłem z kondensatorami o pojemnościach 1 nF, 10 nF i 100 nF. Wyniki w załącznikach poniżej (0 dBFS ustawione na 2 Vrms).

Następnie wpadłem na pomysł by włączyć kondensator między wejście REF układu TL431 i dren tranzystora T1 (wcześniej między pin REF i masę włączyłem diodę Zenera o napięciu 6,6 V by zabezpieczyć TL431 przy włączaniu układu). Zastanawiałem się czy regulowana "dioda Zenera" nie wzbudzi mi się w tych warunkach, ale na ekranie oscyloskopu nie zauważyłem żadnych niepokojących wskazań dla napięcia wyjściowego. Tak wyglądały szumy dla tak zrealizowanego układu.

Po tych eksperymentach wróciłem do wcześniejszego sposobu włączenia kondensatora i dla dwóch pojemności sprawdziłem jak wypadną szumy dla włączonego filtru z rezystorem 1 MΩ (z diodą 6,8 V) i kondensatorem 4,7 μF. Uzyskałem wyniki jak poniżej.

Po tych pomiarach zmieniłem sposób zasilania regulowanej "diody Zenera", zastępując rezystor 47 kΩ układem źródła prądowego z tranzystorem LND150 i sprawdziłem jak układ radzi sobie z tłumieniem tętnień. Niestety i tym razem tłumienie zakłóceń o częstotliwości 50 Hz i napięciu 2 V wynosiło 86 dB. Tętnienia jednak muszą dostawać się na wyjście przez szeregowo włączonego mosfeta T2. Jestem bardzo rozczarowany...

Pozdrawiam
Romek

[Tomex-T1]

Bardzo ciekawy temat.
Ta regulowana dioda zenera wygląda bardzo fajnie i świetnie działa. Szkoda że cały zasilacz nieco zawodzi Twoje oczekiwania. Może jeszcze warto byłoby
sprawdzić to tłumienie na innych mosfetach? Niby zasada działania tranzystora taka sama, ale nieraz tak było, że niby taki sam element ale od różnych producentów działał nieco lepiej lub gorzej.

[^ToM^]

Warto obejrzeć jak robi to sam mistrz - Jim Williams znany z nowatorskich rozwiązań w tym zakresie:

How To Build a Low Noise Power Supply for High Voltage
https://www.analog.com/en/education/edu ... 37001.html

Pozdrawiam!

[Einherjer]

Zrzut ekranu z 2020-05-27 17-30-59.png
Zrzut ekranu z 2020-05-27 17-31-59.png

Lewy układ: taki jak proponował RomekD, prawy moja wersja, w której użyłem wszystkich sztuczek, które mi przyszły do głowy. Nawet mam wszystkie potrzebne elementy, więc mógłbym spróbować go zmontować, gdybym miał czas. Oba układy zasilane z 350VDC z nałożonym 1V AC. Ciągłe linie na wykresie to amplituda napięcia zmiennego wyrażona w dB względem 1V. Jak widać tłumienie lewego układu wynosi około 85 dB dla niższych częstotliwości, podczas, gdy dla prawego symulacja pokazuje "kosmiczne" 185dB tłumienia. W rzeczywistości pewnie nie byłoby tak różowo.

[Einherjer]

Bardzo ciekawy temat.
Ta regulowana dioda zenera wygląda bardzo fajnie i świetnie działa. Szkoda że cały zasilacz nieco zawodzi Twoje oczekiwania. Może jeszcze warto byłoby
sprawdzić to tłumienie na innych mosfetach? Niby zasada działania tranzystora taka sama, ale nieraz tak było, że niby taki sam element ale od różnych producentów działał nieco lepiej lub gorzej.

RomekD To zupełnie sensowna sugestia, MOSFETy mają swój odpowiednik efektu Early'ego (powodującego skończoną rezystancję dynamiczną) i tak jak w przypadku BJT, poszczególne typy tranzystorów mogą się pod tym względem mocno różnić. Na pewno masz w swoich zapasach co najmniej kilka różnych wysokonapięciowych MOSFETów.
Mając źródło prądowe i poprawioną "zenerkę", spróbowałbym dać jeszcze jedną szansę układowi z dwoma szeregowymi MOSFETami, ale napięcie dla górnego tranzystora przesunąłbym nie rezystorem, ale zwykłą diodą zenera, zbocznikowaną kondensatorem i zrezygnowałbym z filtru RC dla niego, tak żeby bramka widziała niską impedancję źródła także dla niższych częstotliwości.

[Romekd]

Bardzo ciekawy temat.
Ta regulowana dioda zenera wygląda bardzo fajnie i świetnie działa. Szkoda że cały zasilacz nieco zawodzi Twoje oczekiwania. Może jeszcze warto byłoby
sprawdzić to tłumienie na innych mosfetach? Niby zasada działania tranzystora taka sama, ale nieraz tak było, że niby taki sam element ale od różnych producentów działał nieco lepiej lub gorzej.

Dziękuję, powoli zbliżam się do osiągnięcia zamierzonego efektu końcowego. Wykonałem kolejne eksperymenty i pomiary, a uzyskane wyniki są dla mnie coraz bardziej satysfakcjonujące...

Pozdrawiam
Romek