Optimalisatie TL431 referentie

blackdog

Golden Member

Hi Dames en Heren,

Na een maand vakantie in een erg warm land, is het tijd om de daar opgedane gedachten betreffende elektronica hier weer te geven. :-)

Als eerste een presentatie van hoe je de beroemde TL431 instelbare Zener optimaal kan instellen.

Ik ben uitgegaan van een toepassing voor in één van mijn voedingen.
De manier zoals ik hem gebruik is misschien ook voor andere toepassingen geschikt en daarom wil ik het met jullie delen.
De toepassing in de voeding verlangt geen grote precisie van de 5V spanning waar ik in dit topic vanuit ga.
Ook de langetijd stabiliteit is niet van belang in deze toepassing.
Wat ik wel als eis heb, is het ruisgedrag en de thermische stabiliteit.
Verder ook dat hij onder fout condities heel blijft.

Als eerste de datasheet van de TL431/LM431 enz, dit is de TI versie.
http://www.bramcam.nl/NA/NA-TL431-Ref/tl431.pdf
Als je een TL431 koopt, zorg dan dat je de "A" of de "B" versie koopt, "B" is het beste.

Als eerste heb ik 50 stuks besteld bij een groothandel, ze kosten bijna niets :-)
Daarna ben ik ze gaan nummeren en testen.

Hier zitten de 50 stuks TL431A op een breadboard na te zijn genummerd.
http://www.bramcam.nl/NA/NA-TL431-Ref/NA-TL431-Ref-05.jpg

Alle 50 gemeten en nog wat extra testen gedaan op de laatste 6 stuks.
http://www.bramcam.nl/NA/NA-TL431-Ref/NA-TL431-Ref-06.jpg

De 50 stuks zijn getest met zeer stabiele weerstanden als spanningsdeler.
Deze weerstanden zijn van RohPoint.
Dit was eigenlijk geheel onnodig, daar de stabiliteit geheel door de TL431 bepaald word.
De specs varieren van rond de 30 tot 100PPM/C.

Datasheet Rhopoint Econistor weerstanden.
http://www.bramcam.nl/NA/NA-TL431-Ref/Rhopoint.pdf

Deze foto is van wat later, nu zijn de werstanden vervangen door standaard 1% types.
Wat ik verder hier wil laten zien is, de TL431 ver in het breadbordje geduuwd zit.
Zodat het goed contakt maakt en dat de warmte afgifte voor iedere meting het zelfde is.

Eerst nu even het schema...
http://www.bramcam.nl/NA/NA-TL431-Ref/TL431-5V-Ref-SCH-01-200.jpg

Van de QH40a heb ik weer één weerstand aangepast, deze is nu 270 i.p.v. 560 Ohm.
Hierdoor is de temperatuur nu rond de 47C.
Hierdoor blijft de regeling ook werken als de temperatuur in de voedingskast hoger wordt bij grote belasting.
Deze 270 is weer de weerstand rlinks onder op het plaatje, zit een beetje scheef, sorry ;-)

Eigenlijk is het geheel heel simpel.
Wat ik heb toegevoegt aan het standaard schema is de LM334 stroombron en goede ontkoppeling.
Door gebruikt te maken van de LM334 is de schakeling geheel ongevoelig voor variatie aan de ingang.
Als je boven de 7V DC aan de ingang komt kan je naar 15V gaan zonder dat er op een 6,5 Digit meter één digit veranderd aan de referentie spanning.
Ook helpt de LM334 met onderdrukking van storingen uit de 8.2V spanning (deze zijn al heel laag in mijn schakeling)
Maar als de schakeling een andere toepassing krijgt is deze storingsonderdrukking altijd welkom.

D1, de 1N4148 dient als beveiliging tegen het ompolen.

De TL431 is ingesteld met weerstanden die iets hoger zijn dan de voorgestelde waarden in de datasheets.
Meestal is dit Max. 3K3, Hier heb ik voor 4K75 gekozen om de totale stroom zo laag mogelijk te houden.

Ik heb voor de stroom en spanningspotmeter Max. 1,75 mA nodig en de LM334 staat op 3,7 mA ingesteld.
De TL431 heeft ongeveer 0,7 mA nodig om goed te kunne werken.
De instelweerstanden van 4K75 verbruiken ongeveer 0,5 mA.
Nu blijft er nog 0,8 mA over als ruimte.
Een nadeeltje is dat door de biasstroom de uitgangsspanning iets lager is dan berekend.
Als het nodig is kunnen de weerstanden R5 en R6 in dit schema een klein aanpassing
hier voor krijgen.
De ruisbijdrage door de hogere waarden wordt gecompenseerd door C3 die over R5 staat.

Waarom zo krap?
Dit is een kleine oven, en als ik de stroom hoger maakt, dan wordt de bijdrage van deze schakeling hoog t.o.v. de QH40A.
Verder wil ik de stroom in de "0" van deze referentie zo laag mogelijk houden,
dit i.v.m. bedradings verliezen en hierdoor ook grotere temperatuur variaties.

Als laatste heb ik de twee condensatoren toegevoegd.
Deze zorgen er voor dat het ruisgedrag beter wordt.
De ruis bij 30Khz bandbreedte is rond de 10 a 13uV.

Dit geeft de Analyzer aan tot 30Khz gemeten.
http://www.bramcam.nl/NA/NA-TL431-Ref/NA-TL431-Ref-04.jpg

En dit is een scoopplaatje waarbij de in het beeld weergegeven instellingen
geen relatie hebben tot de signaal sterkte, dit door de "auto ranging" van de analyzer.
http://www.bramcam.nl/NA/NA-TL431-Ref/NA-TL431-Ref-03.jpg

Wat allemaal nodig is om om het koperplaatje op de kachel te lijmen.
http://www.bramcam.nl/NA/NA-TL431-Ref/NA-TL431-Ref-02.jpg

En waarom dit alles, ik heb toch al goede referenties?
Ik vind het leuk om te kijken wat er mogelijk is met goedkope componenten
als je optimalisatie toepast van de schakeling!

Wil je een preciese spanning uit deze schakeling dan kan je b.v. parallel aan R6 een potmeter
in serie met een weerstand zetten met een klein reglebereik.
Zoiets van 2% en met een 20 a 25 turn instelpot kan je dan de spanning precies instellen.

De uitgangsweerstand van deze referentie komt overeen met wat in de datasheets vermeld word,
dit is rond de 0,2 Ohm.
Er is wat spreiding tussen de verschillende fabrikanten van de TL431.
Mijn testen met de 50 stuks zijn TI TL431A, ik had ook nog 10 stuks Fairchild liggen.
Deze ruisen meer maar hebben een stuk lagere gevoeligheid voor temparatuur variaties.
Ook de RI van de Fairchild is hoger, dus toch voor de TI versie gekozen omdat de temperatuur
als het goed is binnen de 0,1C blijft door de kachel.

Later deze week meer over deze schakeling als ik de referentie op het printje heb gesoldeerd.

Laters dus meer,

Gegroet,
Blackdog

Waarheden zijn "Illusies waarvan men vergeten is dat het illusies zijn"

Als het low power moet zijn gebruik ik de LT1004-2.5 .
Low cost is, volgens mij ;), minder belangrijk.

Jawadde! En dan zijn er mensen die durven beweren dat ik me aan rare meetopstellingen waag! :-)

Evengoed, ik ben benieuwd naar het eindresultaat...

Prosper, yop la boum, c'est le roi du macadam (aldus Maurice Chevalier)
blackdog

Golden Member

Hi,

rbeckers
Tja, er zijn zoveel referenties door mijn hoofd gegaan.
Als eerste wou ik dus de TL431 proberen, hoe goed kan hij worden...
Jouw voorgestelde LT1004 heeft voor zo'n type referentie wel een mooi laag gespecificerde "Long Term Stability", deze is maar 20PPM/1kHr.
Erg goed dus, hij is er alleen niet in 5V.
Maar de LT1029 is dat wel, met ook goede specs...
Ik heb nog 3 QH40A kacheltjes, dus misschien...

Pros
Ik heb nog geen meetopstelling laten zien toch, alleen een simpel testbordje ;-)
De referentie heeft nog niet aan de moduleerbare voeding gehangen.
Verder ook nog geen grafiekjes betreffende stabiliteit over tijd/temperatuur...

Gegroet,
Blackdog

Waarheden zijn "Illusies waarvan men vergeten is dat het illusies zijn"

De LT1029 gebruikt meer dan het totale energiebudget van mijn low power accu diepontlaad beveiliging. (o.a. met LT1018 en Tyco bistabiel relais)

blackdog

Golden Member

Hi,

Hieronder wat plaatjes wat betreft het bouwen van de TL431 referentie.

Dit is de LM334 referentie met zijn 18 Ohm weerstand voor de ongeveer 3,7mA stroombron.
http://www.bramcam.nl/NA/NA-TL431-Ref/NA-TL431-Ref-08.jpg

Ik heb geprobeerd zoveel mogelijk SMD componenten te gebruiken omdat ik weinig ruimte heb.

Dit is de 10uF condensator die tussen de Khatode en de referentie aansluiting komt.
De middelste pen is al naar beneden gebogen en komt aan het koper gesoldeerd, massa dus.
http://www.bramcam.nl/NA/NA-TL431-Ref/NA-TL431-Ref-09.jpg

Nu zit de condensator er op...
http://www.bramcam.nl/NA/NA-TL431-Ref/NA-TL431-Ref-10.jpg

Dit was de volgende stap, de twee SMD weerstanden voor het instellen van de 5V die ik wil hebben.
Dit was een heel gefreubel.
http://www.bramcam.nl/NA/NA-TL431-Ref/NA-TL431-Ref-11.jpg

Hierna de rest gemonteerd.
Ik had nog nieuwe 220uF 16V prof tantaal, dus die staat nu over de uitgang.
http://www.bramcam.nl/NA/NA-TL431-Ref/NA-TL431-Ref-13.jpg

En dan gaan testen, dat ging niet helemaal goed...
Het was instabieler dan het breadboard!!!
Oorzaak, mechanische stress, die kleine SMD weerstanden zijn niet echt geschikt voor het bouwen via Manhattan stijl.
Dit betekende dat ik bijna 2 uur werk weer kon gaan slopen :-)

De SMD weerstanden zijn nu vervangen door kleine axiale types en de stabiliteit is nu beter dan op het breadboard.
Dit alles zonder dat de kachel aan staat.
Het duurde natuurlijk zeker 2 uur voor hij rustig werd, eerst moet de basis stress er even uit.
Het blijft een plastic TO92 referentie en niet zo'n mooie LT6655 in zijn keramieken huisje.
Omdat het bouwsel nu werkt, kan morgen de drie weerstanden er aan gesoldeerd worden
voor de stroom en spannings potmeter en daarna komt er weer een klodder van die blauwe thermische lijm overheen.
http://www.bramcam.nl/NA/NA-TL431-Ref/NA-TL431-Ref-12.jpg

Hierna komt het geheel op een 8 pins IC voetje gemonteerd in een 5/8 pvc sok.
Waarschijnlijk plaats ik morgen de plaatjes hiervan als mijn werk het toelaat.

Ook nog een update van het schema, dit omdat er condensatoren zijn aangepast.
Hierdoor is de ruis van 13 naar 10uV gegaan en vooral een verbetering van de ruis in de lage frequenties.
http://www.bramcam.nl/NA/NA-TL431-Ref/TL431-5V-Ref-SCH-02-200.jpg

Tot laters en gegroet,
Blackdog

Waarheden zijn "Illusies waarvan men vergeten is dat het illusies zijn"
blackdog

Golden Member

Hi,

Hierbij wat foto's betreffende het bouwen van de TL431 referentie en één grafiekje.

Het kacheltje+referentie heb ik gemonteerd op een 8 pins IC voetje.
Aan één kant van het IC voetje zitten de weerstanden voor de stroom en spannings potmeter.
http://www.bramcam.nl/NA/NA-TL431-Ref/NA-TL431-Ref-26.jpg

Nu zit de referentie op het IC voetje en het geheel weer op een printje zodat ik er aan kan meten.
http://www.bramcam.nl/NA/NA-TL431-Ref/NA-TL431-Ref-25.jpg

Dit is de andere zijde en nu zijn de weerstanden ingepakt in een stukje krimpkous.
Dit om er voor te zorgen dat het geen contact maakt met de oven onderdelen.
http://www.bramcam.nl/NA/NA-TL431-Ref/NA-TL431-Ref-24.jpg

Nu zijn de onderdelen bedolven onder de thermische lijm.
http://www.bramcam.nl/NA/NA-TL431-Ref/NA-TL431-Ref-23.jpg

Shxtttttttt
De lijm was iets vloeibaarder dan ik dacht...
http://www.bramcam.nl/NA/NA-TL431-Ref/NA-TL431-Ref-18.jpg

Mmmm
http://www.bramcam.nl/NA/NA-TL431-Ref/NA-TL431-Ref-16.jpg

Met een scherp mesje heb ik de blauwe lijm redelijk makkelijk kunnen verwijderen.
http://www.bramcam.nl/NA/NA-TL431-Ref/NA-TL431-Ref-17.jpg

Over het geheel weer een stukje krimpkous gedaan.
http://www.bramcam.nl/NA/NA-TL431-Ref/NA-TL431-Ref-15.jpg

Na wat metingen heb ik besloten om i.p.v. een 16mm sok een 25mm sok te gebruiken.
Aan de stroom die door de kachel loopt was direkt te zien dat met de 25mm sok het warmte verlies duidelijk minder was.
Hier een plaatje van het stukje print dat ik geknipt en gevijlt heb om als deksel te gebruiken.
http://www.bramcam.nl/NA/NA-TL431-Ref/NA-TL431-Ref-21.jpg

Dit is de tweede deksel waar het 8 pins IC voetje in komt.
http://www.bramcam.nl/NA/NA-TL431-Ref/NA-TL431-Ref-20.jpg

Strak in het printje!
http://www.bramcam.nl/NA/NA-TL431-Ref/NA-TL431-Ref-19.jpg

Zo komt de referentie er aan de onderkant uit te zien.
http://www.bramcam.nl/NA/NA-TL431-Ref/NA-TL431-Ref-14.jpg

Dit is een plaatje van de Agilent software die aan mijn 34401A hangt.
Deze meting geeft de drift weer bij een meting van 5 kwartier.
De witte lijn is de "offset null"
Door de meter is te "nullen" kan ik daarna met een hogere resolutie meten/kijken.
Het geheel ziet er knap ruisig uit, maar hou rekening met 5uV/Div.
De ruis is grotendeel in de hele lage frequenties, ruim beneden de 10Hz.
Verder zit bij deze ruis natuurlijk ook de ruis van het meetinstrument.
Zonder dat het oventje helemaal dicht zit drift hij niet meer dan 1 digit op 5V bij twee uur aan staan.
Dan mogen jullie zeggen wat je er van vind :-).
http://www.bramcam.nl/NA/NA-TL431-Ref/34401a-Drift-01-200.jpg

Later als hij echt dicht zit nog wat metingen betreffende de onderdrukking van stoorsignalen vanuit de voeding.

Gegroet,
Blackdog

Waarheden zijn "Illusies waarvan men vergeten is dat het illusies zijn"

Bob Pease zou zich er niet voor hoeven hebben schamen.

Vertel welk probleem je wilt oplossen, niet met welke oplossing je een probleem hebt.
blackdog

Golden Member

Hi,

Hierbij de beloofde extra gegevens/metingen aan de TL431 referentie.
We beginnen met de onderdrukking voor stoorsignalen aan de ingang.
Deze is extreem goed en was ook lastig te meten.
Bij dit signaal niveau wordt het lastig je meetklemmen goed te plaatsen.
Voor je het weet meet je een deel van de spanning die valt over de toevoerende leiding van de voeding.
Aan de ingang van de referentie zit een kleine condensator, bij hogere frequenties krijg je natuurlijk ook groter laadstromen door die condensator.

Door het tekort aan pinnen op het 8 pins IC voetje kon ik geen Ref-0 appart naar buiten brengen.
Maar ik vind het goed zo, kijk maar naar de grafiek, mooie onderdrukking.
Bij 1V RMS gemoduleerd op de 12V voeding was het slechtste punt nog beneden de -90dB, ik klaag niet.
http://www.bramcam.nl/NA/NA-TL431-Ref/Stooronderdrukking-TL431-Referentie-200.jpg

Nu even de testsetup, dus hoe de meetinstrumenten aan elkaar hangen.
Mijn meetcomputer heeft geen beeldscherm en toetsenboard, alles gaat via RDC.
Net ook even RDC geprobeerd op mijn 7-Inch tablet, ook dat werkt.
Maar wel heel lastig de onderdelen te bedienen.
Bij mij staat alles ingesteld op hoge resolutie, dus werkbaar is het niet op het tablet.
http://www.bramcam.nl/NA/NA-TL431-Ref/TL431-Test-Setup-200.jpg

Ben ook weer een ervaring rijker wat het meten betreft via bluetooth met de Agilent-U1272a.
Er treed af en toe storing op, dit is niet zo vreemd met de hoeveelheid Wireless en Bluetooth aparatuur
die hier aanwezig is.
Het is echter wel knap lastig, het gooit de schaling van de grafieken overhoop.
Het plaatje hier beneden heb ik twee stoorpulsen laten staan ter verduidelijking.
http://www.bramcam.nl/NA/NA-TL431-Ref/TL431-KachelStroom-6U-200.jpg

En dan nu de drift van vandaag in een periode van 8 uur.
Hou er rekening mee dat referenties meestal pas na 2000 uur hun eindstabiliteit vertonen.
http://www.bramcam.nl/NA/NA-TL431-Ref/TL431a-Drift-8U-02-200.jpg

Hieronder een plaatje van de lange termijn drift, van een goede Linear referentie, de LTC6655.
Dit plaatje uit de datasheet laat 4 units zien met hun drift.
Voor de beroemde LTZ1000 serie Referentie's, geeft Lineair typical 2uV x Wortel uit het aantal duizend uren.
Dit is natuurlijk veel beter dan de plastic TL431a, maar wie zet er nou een LTZ1000a in een voeding.
Dit is van de LTC6655
http://www.bramcam.nl/NA/NA-TL431-Ref/LTC6655-Long-Term-Drift.jpg

Dit plaatje is de drift weergegeven in 50 bins van de TL431a Referentie.
http://www.bramcam.nl/NA/NA-TL431-Ref/TL431a-Drift-50Bins-8U-200.jpg

De Referentie is bijna klaar, het huisje moet nog luchtdicht gemaakt worden en dan kan hij in een van de op stapel staande voedingen komen.

Het project is wat mij betreft geslaagt, met low cost onderdelen een stabiele referentie maken.
Ik weet dat er allemaal variaties mogelijk zijn zoals de referentie uitvoeren met een LT1029.
Alleen deze is niet overal te krijgen en met de TL431 kan je ook een Referentie maken van zeg 9,35V als je dit nodig hebt.
Maar goed, ik zal tot het einde van het jaar denk ik nog zeker twee versies laten zien, gewoon omdat ik het leuk vind dit soort units te bouwen en ik er veel van leer.

Graag hoor ik jullie opmerkingen!

Gegroet,
Blackdog

Waarheden zijn "Illusies waarvan men vergeten is dat het illusies zijn"
haasje93

Golden Member

Ziet er echt heel mooi uit, weer eens herkenbaar als het werk van blackdog. :) Mijn complimenten!

Je hebt de codes van je plaatje niet goed staan waardoor hij de hele tekst als url gaat zien.

Dat van die storing is idd wel jammer, was ook wel een reden vanwege het vele draadloos verkeer dat ik de gewone usb kabel gekocht.

Had je trouwens mijn mailtje nog gehad?

If a cluttered desk is a sign of a cluttered mind of what than is an empty desk a sign?
blackdog

Golden Member

Ha die Haasje, :-)

Dank je voor het compliment!
Ja mailtje is binnen en dit weekeinde zal ik hem beantwoorden.
Ben nu ff gaar.

Ik zag die errors in de code niet, heb het grotendeels opnieuw gedaan en volgens mij is het nu goed, even refressen :-)

Gegroet,
Blackdog

Waarheden zijn "Illusies waarvan men vergeten is dat het illusies zijn"

@blackdog
Uitstekend resultaat voor zo'n eenvoudige referentie.
Ik gebruik veel verschillende referenties o.a.: de REFxx serie, LT1004, uA723 (!), Tl431.

blackdog

Golden Member

Hi heren,

Nog een kleine aanvulling op de TL431a referentie...

Verbruik oven bij 12V input: <30mA bij 22C omgeving.
Uitganspanning na stabilisatie oven: 5,008.26V
Verbruik referentie deel: < 4mA
Geschatte temperatuur gevoeligheid: ~2ppm
Eindwaarde bereikt binnen ongeveer: 7 minuten
Extra isolatie van een los dopje: ~35mW (warmte lek buitenzijde is dus ongeveer 35mW, de rest gaat via het voetje)
Totale PP waarde drift in 39 uur: +60 -70 uV
Gemiddelde drift na 39 uur: binnen 20uV

Dit is een plaatje van de isolatie in het 25,4mm sok waar de oven in komt.
Op de bodem waar je nu het koper van de print ziet zit ook wat isolatie materiaal.
http://www.bramcam.nl/NA/NA-TL431-Ref/NA-TL431-Ref-27.jpg

Het isolatie materiaal op het printje is hier goed te zien.
http://www.bramcam.nl/NA/NA-TL431-Ref/NA-TL431-Ref-28.jpg

Dit is de meetopstelling met de drift dubbel gemeten met 2x de DMM4050.
De 34401a is aan het begin van de meting ge-nuld en geeft na 39 uur weer 00.000,00 aan. :-)
http://www.bramcam.nl/NA/NA-TL431-Ref/NA-TL431-Ref-30.jpg

De spanning die uit de referentie komt na te zijn opgewarmt.
Deze spanning is ingesteld met twee weerstanden, die zijn uitgezocht.
Bij de hogere temperatuur van ruim 47C is dit een nette waarden, ruim binnen 1%.
http://www.bramcam.nl/NA/NA-TL431-Ref/NA-TL431-Ref-31.jpg

Nu is de referentie luchtdicht gelijmd en van een labeltje voorzien.
http://www.bramcam.nl/NA/NA-TL431-Ref/NA-TL431-Ref-32.jpg

Nu mag hij wachten tot hij in een voeding komt...

Gegroet,
Blackdog

Waarheden zijn "Illusies waarvan men vergeten is dat het illusies zijn"