Wie kann die Temperaturempfindlichkeit der Spannungsreferenz des HP 721A DC-Netzteils verbessert werden?

Ich habe eine sentimentale Zuneigung zu meinem HP 721A DC-Netzteil: http://hpmemoryproject.org/pict/wall_a/anim/721a_q90/viewer.htm

Robust, zuverlässig und ungefähr so ​​alt wie ich, ist es auch ziemlich temperaturempfindlich. Am oberen Ende seiner Ausgangsspannung (30 V) kann es vom morgendlichen Einschalten (~19 °C) bis zur Hitze am späten Nachmittag (~25 °C) leicht um 700 mV driften.

Ich glaube, dies liegt hauptsächlich an der primitiven, auf Emitterfolgern basierenden Spannungsreferenzschaltung, die verwendet wird:

721A Spannungsreferenzschaltung

(vollständiger Schaltplan hier: http://www.kennethkuhn.com/hpmuseum/scans/hp721a_sch.gif )

V.refist -V.zener + V.BE des Germanium PNP (Q4) und hat eine Temperaturschwankung von etwa 26.000 ppm im Laufe der Temperaturschwankungen des Tages.

Ich dachte daran, eines meiner fünf Exemplare einer experimentellen Operation zu unterziehen, um zu sehen, ob ich die Temperaturempfindlichkeit verbessern könnte, ohne den Rest des Schaltkreises zu stören. (Die sentimentale Zuneigung, die ich erwähnt habe, kombiniert mit niedrigen eBay-Preisen, hat dazu geführt, dass ich eine Reihe dieser Einheiten "adoptiert" habe :)

Keine Notwendigkeit für übermäßige Präzision; Eine Schaltung mit einem TC von Hunderten von ppm wäre eine enorme Verbesserung. Ich hätte gerne etwas mit diskreten Komponenten, wenn es mit beispielsweise zwei oder drei Transistoren funktionieren würde. Ich erwäge auch eine hochpräzise Niederspannungsreferenz (~ 1,22 V), die mit einem LM358-Operationsverstärker mit einer Verstärkung von etwa 6 gepuffert ist, wollte aber die mögliche Notwendigkeit einer Kompensationsgymnastik vermeiden, wenn eine einfache diskrete Schaltung dies ergeben würde Verbesserung, die ich suche.

Welche Optionen könnte man empfehlen?

Schöne saubere Stromversorgung in der Animation, Sie können sicherlich nützliche Tischgeräte sein und ein Haufen wird ziemlich flexibel sein. Wenn ich etwas Einfaches versuchen müsste, würde ich den Zenner und den folgenden Transistor durch moderne Teile ersetzen, das Hinzufügen eines zweiten Zenner-Vorreglers würde eine geringere Stromschwankung im Haupt-Zenner ermöglichen und eine Erhöhung der Transistorverstärkung würde die Zenner-Laständerung verringern.
Obwohl ich keine Lösung habe, bin ich mir ziemlich sicher, dass ein Vorregler am Zener nicht helfen wird. Mein Verständnis ist, dass das Problem ein Leck im Transistor ist.
Soweit ich das Problem bisher verstehe, hat der Vorwärtsabfall am Emitter-Basis-Übergang (nominell 200 mV, da es sich um Germanium handelt) einen Temperaturkoeffizienten (TC) von einigen mV pro Grad C, und dies kombiniert mit dem TC des Zeners ist Erzeugen der Variation in der Referenzspannung. Die von mir erwähnte Temperatur ist die Umgebungstemperatur, aber die Sperrschichttemperatur könnte wesentlich höher sein.
In Bezug auf den Zenerstrom ist er mit ungefähr 300 µA recht stabil. Ich bin mir nicht sicher, ob man da viel machen kann.

Antworten (2)

Ersetzen Sie möglicherweise Q4 und die Referenzdiode durch einen supergünstigen (ein paar Cent in Menge) TO-92 TL431 und zwei 1% -Widerstände, die so eingerichtet sind, dass sie die -6,9-V-Spannung aufrechterhalten, an der der Emitter von Q4 angeschlossen ist. Der 560R-Widerstand kann bleiben, wenn er 1/4 W oder besser ist, entfernen Sie einfach Q4

Widerstände wären etwa 4,99 K und 2,80 K.

Mit anderen Worten, schließen Sie einen Shunt-Regler zwischen 0 V und -6,9 V Knoten an und verwenden Sie den vorhandenen 560R-Widerstand, um 16 mA durch den Shunt-Regler zu leiten. Er driftet typischerweise um etwa 50 ppm/°C. (Der 560R-Widerstand befindet sich auf der anderen Seite im Vergleich zum folgenden Schema)

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Natürlich gibt es viel bessere Shunt-Regler, aber ich bin mir nicht sicher, ob der Unterschied es wert wäre.

Danke @Spehro, das klingt auf jeden Fall nach dem heißesten Ticket, ich werde es versuchen und dich wissen lassen, wie es läuft :) Ich sehe, ich kann diese bei Jameco für etwa zehn Cent pro Stück bekommen, also werde ich welche bestellen hoch und fahre dort hin :) Ich denke, ich könnte den 560R-Widerstand auf 1,5 K erhöhen oder was auch immer mir über den R19-, R20 / 21-Zweig etwa 6 mA geben wird, nur um ihn ungefähr so ​​​​wie ursprünglich zu halten. Ich bin begeistert! Vielleicht kann ich sogar alles auf der vorhandenen Platine montieren!

Ergebnisbericht

Der von @Spehro vorgeschlagene Ansatz hat sehr gut funktioniert und eine sehr steife Spannungsreferenz (für Teile im Wert von buchstäblich 10 Cent) erzeugt, die ich mit R1 und R2 auf ungefähr 7,5 V programmiert habe. Der spezifische Wert ist nicht kritisch, da es in der Schaltung ein Trimmpotentiometer gibt, das die Versorgung auf den verwendeten Wert kalibriert.

Das Schema des Ersatzes sieht so aus:Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Ich konnte es auf der Originalplatine installieren, im Grunde als Ersatz für CR7, die Original-Zenerdiode:

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Q4 und R22 wurden entfernt. R23 wurde durch einen etwas größeren Wert ersetzt, um den ursprünglichen Strom durch die Ausgangsspannungs-Abtastschaltung aufrechtzuerhalten. Die jetzt leeren Emitter- und Basisanschlüsse für Q4 wurden mit einem Draht kurzgeschlossen, um den Stromkreis zu vervollständigen.

Ich habe den LM431 "Sub-Circuit" in einem 2 x 5-Loch-Stück Prototyping-PCB verdrahtet:

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Die Referenzspannung ist jetzt steinhart und weist zwischen 25 °C und 50 °C Gehäuseinnentemperatur höchstens 2 mV Drift auf. Das Original driftete um 135 mV für denselben Temperaturbereich. Das ist also eine massive Verbesserung der Stabilität.

Die schlechte Nachricht ist, dass die Temperaturempfindlichkeit der Gesamtversorgung sehr viel besser ist, aber immer noch leicht um einige hundert Millivolt driftet, etwas abhängig von Last und Ausgangsspannung; etwa 40 % der ursprünglichen Drift. Es gibt also noch mehr zu tun.

Es sieht so aus, als ob die verbleibende Temperaturempfindlichkeit vom Emitter-Basis-PN-Übergang in Q3 kommt, dessen Spannungsabfall den effektiven Fehlerverstärker-Erfassungspunkt bestimmt. Dieser Spannungsabfall am PN-Übergang variiert zwischen 0,18 und 0,12 V. Da es sich außerhalb der Rückkopplungsschleife befindet, ändert diese Verschiebung der Abtastspannung den Ausgang um ungefähr 7 mV/mV.

Aber das ist ein Thema für eine separate Frage. Nochmals vielen Dank @Spehro, dass du mich in die richtige Richtung gewiesen hast :)

Vielen Dank, dass Sie sich die Zeit für ein ausführliches Feedback genommen haben!
Mein Vergnügen @Spehro, meine bescheidenen Bemühungen wurden mehr als zurückgezahlt, als deine Anleitung mich davor bewahrte, in Sackgassen zu gehen :)
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