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

[Romekd]

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!

Dziękuję za podesłany link do ciekawego filmu. Niecałe 100 μV składowej AC przy 1 kV DC, to imponujący rezultat. Mnie marzy się 1 μV przy napięciu kilkuset woltów...

Pozdrawiam
Romek

[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.

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.

Czyli intuicja mnie jednak nie zawiodła i użycie dwóch mosfetów w połączeniu kaskadowym da lepsze rezultaty niż użycie tylko jednego. Myślałem wcześniej by zmniejszyć rezystor antyparazytowy w obwodzie bramki mosfeta (łączący bramkę z kondensatorem filtru), ale teraz sądzę, że niewiele by to pomogło, gdyż tętnienia i tak przenikałyby do kondensatora 4,7 μF przez pojemności pasożytnicze tranzystora (obawiałem się też wpływu napięcia drenu na prąd źródła, ale to zagadnienie spróbuję dokładniej zgłębić w przyszłości). Zrobiłem kolejny eksperyment - zasiliłem dren mosfeta z oddzielnego zasilacza stabilizowanego napięciem +300 V, a regulowaną "diodę Zenera" (z szeregowo włączonym źródłem prądowym z tranzystorem LND150) zasiliłem napięciem 300 V z nałożoną składową tętnień o napięciu 2 Vrms, którą w kolejnym pomiarze zwiększyłem do 10 Vrms, a w następnie do 20 Vrms. Uzyskałem wyniki jak na wykresach poniżej.
Dla 2 V rms tętnień:

Dla 10 Vrms tętnień:

Dla 20 Vrms tętnień

Wcześniej przy zasilaniu źródła napięcia stabilizowanego przez rezystor 47 kΩ uzyskałem poziomy tłumienia jak w załącznikach poniżej.
Tłumienie bez załączonego filtru 1 MΩ (z diodą Zenera 6,8 V) i 4,7 μF dla regulowanej "diody Zenera":

Z załączonym filtrem:

Tłumienie bez załączonego filtru 1 MΩ (z diodą Zenera 6,8 V) i 4,7 μF dla zwykłej diody Zenera:

i z filtrem:

Pomysł by zastąpić drugi z rezystorów zasilających "źródło napięcia odniesienia" dodatkową diodą Zenera w układzie z dwoma tranzystorami szeregowymi też "chodził mi po głowie", ale obawiałem się wzrostu szumów wywołanych szumami własnymi tak podłączonej diody. Rezystor włączony w szereg ze źródłem prądowym zrealizowanym na tranzystorze LND150 także zapewni stałą wartość spadku napięcia na nim, a szumy powinny być na nim zdecydowanie niższe niż na diodzie Zenera.

Pozdrawiam
Romek

[Marek7HBV]

Tętnienia jednak muszą dostawać się na wyjście przez szeregowo włączonego mosfeta T2. Jestem bardzo rozczarowany...

To może jednak wykonać pełną ,,wirtualną baterię,, tj-przesuwać ładunek z kondensatora na kondensator z wykorzystaniem kluczy na mosfetach i na końcu poddać stabilizacji.Rozwiązanie nadaje się do zasilania budowanego przez Kolegę przedwzmacniacza i innych pobierających mały prąd.

[Janusz]

Czy taka pompa ładunkowa nie stałaby się kolejnym źródłem zakłóceń? Szybkie otwieranie kluczy to udary prądowe, powiększenie ich rezystancji w dowolny sposób, to brak udarów, ale z kolei falowanie napięcia znowu stwarzające podobny problem, jak tętnienia z pierwotnego zasilacza. Ciekawe.

[Marek7HBV]

Czy taka pompa ładunkowa nie stałaby się kolejnym źródłem zakłóceń? Szybkie otwieranie kluczy to udary prądowe, powiększenie ich rezystancji w dowolny sposób, to brak udarów, ale z kolei falowanie napięcia znowu stwarzające podobny problem, jak tętnienia z pierwotnego zasilacza. Ciekawe.

Któraś z japońskich firm zastosowała takie rozwiązanie do zasilania korektora MC z doskonałym wynikiem,ale rozwiązanie nie miało powodzenia z prostego powodu-wystarczyło postawić igłę na płycie .Falowanie rzędu ułamka herca{sinus} nie byłoby żadnym problemem,a to się da zrobić-tanio .

[^ToM^]

Dziękuję za podesłany link do ciekawego filmu. Niecałe 100 μV składowej AC przy 1 kV DC, to imponujący rezultat. Mnie marzy się 1 μV przy napięciu kilkuset woltów...

Pozdrawiam
Romek

Tu masz Romku jeszcze to samo, ale w wersji PDF - gdybyś nie dotarł do tego.

AN118fb.pdf

(2.44 MiB) Pobrany 171 razy

i jeszcze jakieś inne pomysły:

1409.3471.pdf

(210.98 KiB) Pobrany 165 razy

[Jurek O]

Ponieważ będę majstrował nową PCB do mojego potrójnego zasilacza HV pomyślałem aby jako trzeci stabilizator, który będzie zasilał regulator barwy dźwięku zastosować twoją "diodę". Dwa pierwsze będą zasilały odpowiednio prawy i lewy kanał wzmacniacza. Zauważyłem, iż stabilizatory pracują najlepiej gdy różnica napięcia We -> Wy nie jest mniejsza niż 20 V. Zerknij proszę na schemat i powiedz czy przypadkiem znów nie przekombinowałem
Oczywiście V1 w rzeczywistym układzie to mój prostownik.

Pozdrawiam
Jurek

Edit: D3 jest zbędna.

[atom1477]

Proponuję sprawdzić szumy stabilizatora gdy jako źródło napięcia odniesienia będzie użyta bateria ogniw.
Najlepsze będą Li-Ion albo Ni-MH.
Trochę sporo ich trzeba do uzyskania napięcia rzędu 50V, no ale da się. Najłatwiej użyć akumulatorków ze starych baterii od laptopów. One często są całkiem dobre (jeżeli chodzi o trzymanie napięcia) mimo że już nie chcą pracować w laptopie. Taka bateria ma od razu z 16...18V, więc wystarczą 2...3 zdobyczne baterie i już mamy 35...50V. Zdobyczne czyli np. z pojemnika na baterie w supermakrecie

To nie jest wygodne do używania w praktyce, ale do testu jest bardzo dobre.
Takie ogniwa są najlepszym źródłem niskoszumnego napięcia referencyjnego.
Ich stabilność termiczna oraz długoczasowa są słabe, ale za to szumy są bardzo niskie.
Kiedyś testowałem i nawet najlepsze scalone źródło napięcia odniesienia jakie miałem w ręku czyli LTC6655, wypadało gorzej niż bateria ogniw Ni-MH czy Li-Ion.
Dla ogniw nawet nie udawało mi się zmierzyć szumów. Zupełnie jakbym sondę pomiarową podłączał do GND.

Użycie takich ogniw pozwoli sprawdzić ile szumów pochodzi z samego elementu regulacyjnego (tranzystora NPN czy MOSFETa).
Trzeba tylko uważać gdy się tego używa, bo bateria ogniw jest "prawdziwym" źródłem napięcia. Wytwarza napięcie niezależnie od zasilania zewnętrznego, czego diody Zenera czy inne układy nie robią. Więc trzeba sobie dać jakiś przełącznik mechaniczny do odłączania napięcia baterii przed wyłączeniem zewnętrznego zasilania stabilizatora. Albo jakiś automatyczny układ z przekaźnikiem zrobić.
Przełącznik mechaniczny albo przekaźnik jest najlepszy, bo nie wprowadzi dużych szumów jak by to zrobiły przełączniki półprzewodnikowe.

[Einherjer]

Jurek O Nie bardzo rozumiem jaką funkcję mają spełniać Q3 i Q5...

[Einherjer]

Pomysł by zastąpić drugi z rezystorów zasilających "źródło napięcia odniesienia" dodatkową diodą Zenera w układzie z dwoma tranzystorami szeregowymi też "chodził mi po głowie", ale obawiałem się wzrostu szumów wywołanych szumami własnymi tak podłączonej diody. Rezystor włączony w szereg ze źródłem prądowym zrealizowanym na tranzystorze LND150 także zapewni stałą wartość spadku napięcia na nim, a szumy powinny być na nim zdecydowanie niższe niż na diodzie Zenera.

Pozdrawiam
Romek

Z tego powodu lubię MOSFETy z kanałem zubażanym, przy odpowiednio małych prądach nie potrzebują dodatkowych elementów, żeby zbudować kaskodę. Ja chciałbym przetestować coś takiego (po dodaniu zabezpieczeń bramki, etc.) Jeszcze jedna sugestia: zaporowo włączone złącze baza-emiter jako dioda Zenera. Dlaczego tak? 2n3904 w takim połączeniu ma pojemność tylko ~7 pF.

[Marek7HBV]

Kiedyś testowałem i nawet najlepsze scalone źródło napięcia odniesienia jakie miałem w ręku czyli LTC6655, wypadało gorzej niż bateria ogniw Ni-MH czy Li-Ion.
Dla ogniw nawet nie udawało mi się zmierzyć szumów. Zupełnie jakbym sondę pomiarową podłączał do GND.

W czasach prehistorycznych procesorów stosowano baterie podtrzymujące pamięć i te potrafiły wytrzymać nawet ponad 10 lat.Można zastosować nawet niskonapięciowe żródło odniesienia na baterii licząc się z zużyciem i związaną z tym zmianą tegoż napięcia.Ale zalety szumowe mogą przeważyć niestabilność rzędu 10 procent{co to znaczy w stopniu napięciowym przedwzmacniacza?}.Zresztą układy zasilania bateryjno/akumlatorowego w przedwzmacniaczach stosowano nie raz{zapewne?} w eksperymentalnych urządzeniach.

[Romekd]

Czołem.
Dziękuję Kolegom za ciekawe wypowiedzi w założonym przeze mnie wątku o regulowanej, elektronicznej "diodzie Zenera". Choć sytuacja rodzinna i stan zdrowia zmusiły mnie do odłożenia na jakiś czas eksperymentów i pomiarów układów stabilizatorów o bardzo niskim poziomie szumów i tętnień, to jednak zawsze z przyjemnością czytam Wasze odpowiedzi i z uwagą analizuję przedstawiane w nich materiały (również te z linków).
Pomysł z wykorzystaniem ogniw litowo-jonowych, jako źródła napięcia o ekstremalnie niskim poziomie szumów i zakłóceń wydaje mi się bardzo dobry. Mam u siebie w pracowni kilkadziesiąt akumulatorków typu 18650, których napięcie wynosi ok. 4 V na (są naładowane), a rezystancja wewnętrzna mieści się w zakresie od kilku do kilkudziesięciu miliomów, więc nawet po złożeniu wielu takich ogniw w duży pakiet, rezystancja wewnętrzna całości, a więc również szumy termiczne takiego zestawu (zależne właśnie od wielkości rezystancji), pozostaną bardzo, bardzo niskie.

Układ dobrego stabilizatora (lub aktywnego filtru) z Mosfetem musi nie tylko sam generować niski poziom szumu i zakłóceń, ale musi również bardzo dobrze tłumić szumy i tętnienia występujące na jego wejściu, pochodzące z sieci elektrycznej, prostownika i układu filtru RC. By wyjaśnić kilka zagadnień, związanych z filtracją tętnień, ich poziomem w zależności od przyjętego rozwiązania (poproszono mnie bym tym razem zrobił to w sposób "łopatologiczny"), zmontowałem najprostszy prostownik z filtrem RC (CRC, CLC), który dla własnego bezpieczeństwa i bezpieczeństwa używanej w pomiarach aparatury pomiarowej zasiliłem z autotransformatora (o napięciu wyjściowym ~0...~260 V) przez transformator separujący ~230/180 V 400 VA.

W układach tych przeprowadziłem testy kilku rodzajów filtrów RC, CRC, CLC oraz filtrów, w których poza dwoma kondensatorami użyłem własnego pomysłu prościutkiego "dławika elektronicznego" (mającego dwa wyprowadzenia, czyli będącego z zewnątrz prostym dwójnikiem), zbudowanego na kilku pasywnych elementach i jednym tranzystorze typu MOSFET. Filtr taki można umieścić np. w rurce o średnicy 1 cm i długości 2 cm (lub innej obudowie), zalać klejem epoksydowym, a wtedy będzie wyglądał jak nieco większy rezystor (jeżeli ktoś z Kolegów ma pomysł jak taki najprostszy filtr z Mosfetem układowo zrealizować, to bardzo proszę przedstawić swoje propozycję). Kilka lat temu podobny w działaniu filtr został opracowany i sprzedawany jako element polecany do stosowania we wzmacniaczach lampowych.

MEC100.png (161.1 KiB) Przejrzano 2476 razy

Oczywiście tego typu "elektroniczny dławik" nie posiada możliwości gromadzenia energii jak zwykły dławik (z uzwojeniem na rdzeniu z blaszek stalowych), ale jest w stanie dobrze tłumić tętnienia (do 60 dB) przy niewielkim spadku napięcia DC (ok. 10 V), będąc jednocześnie elementem małym, lekkim, prostym w montażu i nie generującym wokół siebie zmiennego pola magnetycznego, które może nakładać się na inne elementy wzmacniacza, zakłócając ich pracę. Poniżej w załączniku nota katalogowa i linki do stron przedstawiających tamten "dławik elektroniczny":

MEC-MANUAL-UK.pdf

(830.29 KiB) Pobrany 122 razy

https://www.hificollective.co.uk/compon ... choke.html

https://www.tentlabs.com/Components/Tub ... age36.html

http://press.diyhifisupply.com/tentlabs ... ma-diyhfs/

Wracając do podstaw (dla początkujących), to przybliżoną wartość (międzyszczytową) napięcia tętnień prostego filtru z jednym ogniwem RC (R w tym przypadku to oporność sieci elektrycznej 230 V, oporność uzwojeń transformatora i diod w mostku prostowniczym, czyli w zasilaczu anodowym z diodami krzemowymi wartości stosunkowo niskie) można posłużyć się wzorem na szybkość zmian napięcia kondensatora, w zależności od jego pojemności i prądu rozładowania (ładowania), przy założeniu, że prąd ten ma wartość stałą (przypadek ma miejsce przy stosowaniu za filtrem stabilizatora napięcia). Zakładając, że stosujemy mostek Graetza (pełnookresowy) kondensator ładowany jest impulsami prądowymi z częstotliwością 100 Hz, czyli co 10 milisekund (1/100 Hz = 0,01 s) przez bardzo krótki czas (niska wartość R), a czas wyładowania prądem wymuszanym przez obciążenie układu trwa prawie 10 ms, szybkość spadku napięcia na kondensatorze w filtrze (w woltach na sekundę, np. po odłączeniu zasilacza od sieci) określa wzór SR=I/C, natomiast przybliżoną wartość napięcia (międzyszczytową) tętnień można wyliczyć ze wzoru ΔU=(I/C)*0,01 s. Podstawiając do wzoru pojemność kondensatora 100 μF i prąd 100 mA otrzymujemy międzyszczytową wartość napięcia tętnień na poziomie 10 Vpp. Taką samą wartość uzyskamy dla kondensatora o pojemności 1000 μF przy obciążeniu wyjścia filtru prądem o wartości 1 A. Tak wyliczone wartości będą co prawda nieco wyższe od rzeczywistych w wykonanym układzie, gdyż podczas doładowywania kondensatora prąd do obciążenia nie jest pobierany z kondensatora a z diod prostownika, ale możemy takie nieco nadmiarowe obliczone wartości przyjmować jako maksymalne, graniczne. Bardzo dokładne policzenie napięcia tętnień jest bardzo trudne, gdyż przeważnie nie znamy wszystkich potrzebnych we wzorach wartości. Również napięcie w sieci elektrycznej 230 V nigdy nie ma przebiegu idealnie sinusoidalnego (często półokresy przypominają pogięty trapez równoramienny). Nawet w godzinach dopołudniowych analizując dzisiaj przebieg napięcia w sieci elektrycznej (na niczym nie obciążonej w moim domu fazie) uzyskałem taki oto przebieg:

Sam mocno odkształcony i zmieniający się kształt przebiegu napięcia w sieci elektrycznej to nie jedyny problem przy dokonywaniu pomiaru układów filtrów RLC z niej zasilanych. Zdecydowanie gorszy problem stanowią (w moim przypadku) ciągłe chaotyczne wahania wartości napięcia. Napięcie zmienia się bez przerwy, a chwilowe zmiany napięcia potrafią dochodzić do 10 V w ciągu kilku minut (będzie to widać na oscylogramach).

W kolejnym poście przedstawię wartość napięcia tętnień na wyjściu filtru dla różnych wartości elementów oraz poziomy tłumienia filtru z dławikiem elektronicznym dla kilku typów tranzystorów MOSFET (różnice w tłumieniu dla różnych tranzystorów są bardzo duże).

Pozdrawiam
Romek

[Marek7HBV]

Nawet dla kilkustopniowego filtru CLR zmiany chwilowe napięcia mogą wynosić kilkadziesiąt -kilkaset miliwoltów dla dolnych częstotliwości pasma akustycznego{od 5-20 Hz},a to czasem widać i na dodatek może przesterować wzmacniacz w pewnych przypadkach.

[Romekd]

Wiem Kolego Marku. Ta niestabilność parametrów sieci irytuje mnie od lat. Ostatnio znowu zgłaszałem to do energetyki (po podłączeniu do sieci żarówki cały czas widzę wahania jasności jej włókna). Jednak wszystkie te odchyłki mieszczą się w obowiązującej obecnie normie i tak ma ponoć być, zdaniem specjalistów... Ostatnio mój wspólnik w firmie namawiał mnie bym skorzystał z naszego układu naszego obciążenia aktywnego (służy do sprawdzania /obciążania/ falowników), które po zasileniu z sieci poprzez falownik i rozgrzaniu się łożysk w silniku i synchronicznej prądnicy, może dostarczać prądu o regulowanych i bardzo stabilnych parametrach.

Jednak na razie w eksperymencie zdecydowałem się na rozwiązanie prostsze - użyłem starego stabilizatora do telewizorów typu SM 200/1. Wynik nie był do końca zadowalający, ale w końcu jakoś udało się przeprowadzić pomiary.

Pozdrawiam
Romek

[Jurek O]

Czekam z niecierpliwością na ciąg dalszy

Jurek O Nie bardzo rozumiem jaką funkcję mają spełniać Q3 i Q5...

Już nieważne

Parę "fot" jak to u mnie wygląda

****************************************************************************************