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

[Einherjer]

Poeksperymentowałem jeszcze z różnymi rozwiązaniami szeregowego elementu zapewniającego jak najlepsze tłumienie. Napisałem "elementu", gdyż wypróbowałem kaskodę z użyciem MOSFETa z kanałem zubażanym. Niestety najprostsza kaskoda jak na rysunku A daje bardzo słabe rezultaty, gorsze nawet niż pojedynczy tranzystor. Dlaczego? Mój egzemplarz DN2540 przy prądzie 50 mA miał napięcie bramka-źródło około -1,4 V. Tyle samo wynosiło więc napięcie źródło-dren dolnego tranzystora. Dla zdecydowanej większości MOSFETów to za mało, żeby wejść w zakres dużej rezystancji dynamicznej. Na szczęście, nawet jeśli chce się użyć MOSFETa ze zubażanym kanałem, żeby nie musieć mieć dodatkowego napięcia polaryzującego górny tranzystor. Sztuczka polega na wymuszeniu przez napięcie bramka-źródło górnego tranzystora przepływu prądu przez rezystor i przepuszczeniu tego prądu przez diodę Zenera dołączoną do źródła dolnego tranzystora (rysunek B). Daje to napięcie dren-źródło dolnego tranzystora około 7 V (1,4 V + 5,6 V).

W tej drugiej konfiguracji udało mi się uzyskać około 100dB tłumienia przy 50 mA, ale tylko jeśli spadek napięcia na górnym tranzystorze też wynosił co najmniej 7V.

[Romekd]

Einherjer
Dziękuję za ciekawe przykłady układów i wyniki uzyskane przy ich testowaniu. Faktycznie ponad 100 dB tłumienia, przy tak prostym rozwiązaniu, to naprawdę sporo. Zastanawiam się jak można byłoby zwiększyć wartość prądu wyjściowego (równoległe połączenie kilku takich układów?), i jaka będzie składowa szumu w prądzie wyjściowym (ze względu choćby na użytą w układzie diodę Zenera). Najlepsze z tranzystorów, które testowałem w swoim elektronicznym "dławiku", wraz z kondensatorem na wyjściu pozwalały uzyskiwać tłumienie w granicach ok. 70 dB, przy spadku napięcia Uds mniejszym od 10 V. Pomiaru szumu nie przeprowadzałem, ale w wolnym czasie spróbuję zmierzyć.

Pozdrawiam
Romek

[Marek7HBV]

Diodę zenera można zastąpić zestawem zwykłych lub ledów i porównać szumy.

[AZ12]

Witam

Diodę Zenera można zastąpić zestawem zwykłych lub ledów i porównać szumy.

Popularne diody LED w obudowach o średnicy 3 i 5mm do montażu przewlekanego mają najczęściej dopuszczalny prąd 20mA. Mają one inny współczynnik temperaturowy w zależności od koloru świecenia. Przy znacznym przekroczeniu prądu zwykle powstaje w nich przerwa w przeciwieństwie do diod wykonanych z krzemu, co może spowodować spalenie innych elementów.

[Romekd]

Diodę zenera można zastąpić zestawem zwykłych lub ledów i porównać szumy.

Jestem ciekaw, czy "łańcuszek" zwykłych diod (np. typu 1N4148, lub BAP811, BAP812... ) miałby niższa rezystancję dynamiczną od diody Zenera 5,6 V przy tych samych prądach przewodzonych (na poziomie pojedynczych miliamperów). Akurat diody Zenera z przedziału napięć 5,1...7,5 V mają najniższą rezystancję dynamiczną (być może i najniższy poziom szumu... ) oraz najniższy temperaturowy współczynnik napięcia stabilizacji ze wszystkich diod tego typu. Tak więc ich porównanie mogłoby dać ciekawe wnioski...

Pozdrawiam
Romek

[Einherjer]

Einherjer
Dziękuję za ciekawe przykłady układów i wyniki uzyskane przy ich testowaniu. Faktycznie ponad 100 dB tłumienia, przy tak prostym rozwiązaniu, to naprawdę sporo. Zastanawiam się jak można byłoby zwiększyć wartość prądu wyjściowego (równoległe połączenie kilku takich układów?), i jaka będzie składowa szumu w prądzie wyjściowym (ze względu choćby na użytą w układzie diodę Zenera). Najlepsze z tranzystorów, które testowałem w swoim elektronicznym "dławiku", wraz z kondensatorem na wyjściu pozwalały uzyskiwać tłumienie w granicach ok. 70 dB, przy spadku napięcia Uds mniejszym od 10 V. Pomiaru szumu nie przeprowadzałem, ale w wolnym czasie spróbuję zmierzyć.

Pozdrawiam
Romek

Nie mam dobrych warunków, żeby sensownie zmierzyć szumy, ale nie sądzę, żeby dioda Zenera je znacząco zwiększała. Można tak jak proponuje Marek zamienić ją na łańcuszek LEDów, albo nawet TL431 i sprawdzić. Zwiększyć prąd można bardzo łatwo, wystarczy górnemu tranzystorowi dołożyć "wspomagacz" w postaci tranzystora PNP tworząc parę Sziklaiego. Może też być MOSFET typu P, ale zabierze on aż ~ 4 V z napięcia dren-źródło "kaskodującego" tranzystora, bipolarny tylko ~ 0,6 V.
Załączam porównanie zmierzonych szumów z wyłączonym zasilanie stabilizatora i z włączonym. Nie wiem skąd ten "grzebień", nie wygląda na wzbudzenie, raczej jakieś "śmieci", nie mam blachy po biurkiem a wokół mam mnóstwo różnych urządzeń.

[robertstarzewski]

Witam.
A może coś takiego da się wykorzystać?
https://pl.mouser.com/datasheet/2/240/98704-1546069.pdf
Pozdrawiam
Robert

[Romekd]

Czołem.

Nie mam dobrych warunków, żeby sensownie zmierzyć szumy, ale nie sądzę, żeby dioda Zenera je znacząco zwiększała. Można tak jak proponuje Marek zamienić ją na łańcuszek LEDów, albo nawet TL431 i sprawdzić.

Spróbuję wykonać takie pomiary w wolnym czasie. Będę chciał również sprawdzić jak wyglądają szumy diody Zenera, łańcuszka zwykłych diod i połączonych szeregowo diod LED. Już kiedyś planowałem to sprawdzić (wykonałem nawet w tym celu odpowiedni przedwzmacniacz), ale zabrakło czasu same pomiary i jakoś umknęło mi to z pamięci.

Zwiększyć prąd można bardzo łatwo, wystarczy górnemu tranzystorowi dołożyć "wspomagacz" w postaci tranzystora PNP tworząc parę Sziklaiego. Może też być MOSFET typu P, ale zabierze on aż ~ 4 V z napięcia dren-źródło "kaskodującego" tranzystora, bipolarny tylko ~ 0,6 V.
Załączam porównanie zmierzonych szumów z wyłączonym zasilanie stabilizatora i z włączonym. Nie wiem skąd ten "grzebień", nie wygląda na wzbudzenie, raczej jakieś "śmieci", nie mam blachy po biurkiem a wokół mam mnóstwo różnych urządzeń.

Pomysł z tranzystorem PNP ciekawy, ale nie wiem czy nie będzie problemu ze zdobyciem takiego elementu o wystarczająco wysokim dopuszczalnym napięciu Uce i odpowiedniej do naszych potrzeb mocy.
Na wykresie z analizatora widać długi "warkocz" nieparzystych harmonicznych z podstawowej 50 Hz (ciągną się dość wysoko).

Pozdrawiam
Romek

[Romekd]

A może coś takiego da się wykorzystać?
https://pl.mouser.com/datasheet/2/240/98704-1546069.pdf

Dokumentacja do tego elementu jest dość skąpa i nie wiadomo jak zachowałby się w opisywanym w wątku układzie. Sam je kiedyś kupiłem (nadal leżą w szufladce, opisane jako wysokonapięciowe mosfety z kanałem zubożanym; koledzy robili na nich źródła prądowe we wzmacniaczach audio z triodami). Podana w nocie katalogowej rezystancja dynamiczna przyjmuje wartości od 9...900 kΩ (zmiana o dwa rzędy wielkości, pewnie malejąca ze wzrostem prądu /100 mA/9 kΩ/ - trochę słabo).

Nieco lepiej opisany jest IXCP10M90S o dopuszczalnym napięciu 900 V i tej saamej dopuszczalnej mocy strat (oba typy dostępne w TME):

Niestety charakterystyki prąd-napięcie Uak też wyraźnie podnoszą się ze wzrostem napięcia, co sugeruje, że rezystancja dynamiczna nie jest zbyt wysoka.

Pozdrawiam
Romek

[atom1477]

Spróbuję wykonać takie pomiary w wolnym czasie. Będę chciał również sprawdzić jak wyglądają szumy diody Zenera, łańcuszka zwykłych diod i połączonych szeregowo diod LED.

To sprawdź też to:
https://refsnregs.waltjung.org/GLED431_ ... 092418.pdf

[Einherjer]

Spróbuję wykonać takie pomiary w wolnym czasie. Będę chciał również sprawdzić jak wyglądają szumy diody Zenera, łańcuszka zwykłych diod i połączonych szeregowo diod LED.

To sprawdź też to:
https://refsnregs.waltjung.org/GLED431_ ... 092418.pdf

Układ z tego linku to po prostu popularny "power Zener", taki jak tu
tylko, że z użyciem tranzystora PNP i diody LED. Spadek napięcia będzie równy napięciu BE tranzystora i napięciu przewodzenia diody LED, czyli faktycznie około 2,5 V. Karty katalogowe małych diod LED rzadko podają współczynnik temperaturowy napięcia przewodzenia, tutaj https://www.tme.eu/Document/6b1a5647f5b ... 4-LP-1.pdf producent podaje -1,7 mV/K dla czerwonej diody. Wsp. temp. złącza BE tranzystora zwykle przyjmuje się -2,2 mV/K. Razem mamy -3,9 mV/K na 2,5 V czyli -0,156 %/K. Taką stabilność temperaturową napięcia na wyjściu stabilizatora uzyskamy przy optymistycznym założeniu, że wpływa na nią tylko stabilność napięcia odniesienia.

Mnie chodzi po głowie zastosowanie układu takiego jak poniżej. Dlaczego tak? Ponieważ w miejsce TL431 można wstawić dowolne źródło napięcia odniesienia (diodę, diodę LED, diodę Zenera, LM385 etc.) w zależności na czym nam bardziej zależy. Połączony w diodę tranzystor Q2 ma kompensować temperaturowe zmiany napięcia BE tranzystora Q3. Najlepiej, żeby były to dwa tranzystory w jednej obudowie np BCM847BS. Q4 zwiększa wzmocnienie pętli, redukując rezystancję wyjściową, ale przede wszystkim pozwala ustalić prąd kolektora Q3 równy prądowi przepływającemu przez Q2 dla lepszej kompensacji. Zwróćcie uwagę, że prąd płynący przez Q2 zależy tylko od napięcia odniesienia a nie od ustawionego stabilizowanego napięcia, ponieważ napięcie na R13 jest równe napięciu odniesienia.

Ocena poziomu szumów generowanych przez podane układy to już nie jest rzecz na szybki wieczorny wpis.

[atom1477]

Układ z tego linku to po prostu popularny "power Zener", taki jak tu
tylko, że z użyciem tranzystora PNP i diody LED.

Nie taki normalny, bo użyto tam specjalnie dobranego tranzystora.

Karty katalogowe małych diod LED rzadko podają współczynnik temperaturowy napięcia przewodzenia, tutaj https://www.tme.eu/Document/6b1a5647f5b ... 4-LP-1.pdf producent podaje -1,7 mV/K dla czerwonej diody. Wsp. temp. złącza BE tranzystora zwykle przyjmuje się -2,2 mV/K.

Żółte mają -2.2mV/K niezależnie od producenta. Wynika to pewnie z małej szerokości dostępnego zakresu długości fali dla uzyskania koloru żółtego.
W tym układzie to bez znaczenia, bo współczynniki temperaturowe się nie kompensują tylko dodają. No ale jakby ktoś robił źródło prądowe gdzie się kompensują, to żółte diody będą najlepsze.

Razem mamy -3,9 mV/K na 2,5 V czyli -0,156 %/K. Taką stabilność temperaturową napięcia na wyjściu stabilizatora uzyskamy przy optymistycznym założeniu, że wpływa na nią tylko stabilność napięcia odniesienia.

No tak. Ale w tym układzie chodzi o małe szumy a nie o stabilność temperaturową.

[Einherjer]

Karty katalogowe małych diod LED rzadko podają współczynnik temperaturowy napięcia przewodzenia, tutaj https://www.tme.eu/Document/6b1a5647f5b ... 4-LP-1.pdf producent podaje -1,7 mV/K dla czerwonej diody. Wsp. temp. złącza BE tranzystora zwykle przyjmuje się -2,2 mV/K.

Żółte mają -2.2mV/K niezależnie od producenta. Wynika to pewnie z małej szerokości dostępnego zakresu długości fali dla uzyskania koloru żółtego.
W tym układzie to bez znaczenia, bo współczynniki temperaturowe się nie kompensują tylko dodają. No ale jakby ktoś robił źródło prądowe gdzie się kompensują, to żółte diody będą najlepsze.

Razem mamy -3,9 mV/K na 2,5 V czyli -0,156 %/K. Taką stabilność temperaturową napięcia na wyjściu stabilizatora uzyskamy przy optymistycznym założeniu, że wpływa na nią tylko stabilność napięcia odniesienia.

No tak. Ale w tym układzie chodzi o małe szumy a nie o stabilność temperaturową.

Zgadza się, chciałem tylko na szybko policzyć jak bardzo źle będzie ze stabilnością temperaturową, o ile pamiętam początek tego wątku, to Romkowi na niej również zależało. To co napisałeś o współczynniku temperaturowym żółtych diod świecących podsunęło mi pewien pomysł: szeregowo z R13 można włączyć diodę krzemową --- taki sam współczynnik temperaturowy, ale mniejszy spadek napięcia, więc zostanie jeszcze dla R13. To wszystko ma oczywiście sens tylko, jeśli szumy okażą się mniejsze niż w prostszym układzie z TL431 zaproponowanym przez RomkaD.

[Romekd]

Czołem.
Koledzy, dziękuję za ciekawe wypowiedzi. Ze względu na trudną sytuację rodzinną nie dysponuję obecnie wolnym czasem na przeprowadzenie odpowiednich eksperymentów i pomiarów Nie mam też tranzystora ZTX951 (będę musiał go zamówić), by sprawdzić czy źródło napięcia z takim tranzystorem i zalecaną diodą elektroluminescencyjną faktycznie dawałoby tak bardzo niski poziom szumu (można byłoby porównać ich wartość z szumem układów wykonanych na innych, podobnych elementach).

Pozdrawiam
Romek

[rufus74pz]

Witam.
Może to nie elektroniczna dioda Zenera ale jednak ultra niskie zakłócenia.
https://neurochrome.com/collections/pow ... -regulator

Piotr