Warum ist der Zener Lawinengeräuschsägezahn geformt?

Ich habe das folgende Schema einer auf Zener basierenden Geräuschquelle:

schematisch

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Im eingebauten Zustand zeigt ein Oszilloskop ein Sägezahnrauschsignal am Knoten "Rauschen" an, wie z.

Die Zeitbasis ist 1us / div. Kann jemand erklären, warum das Signal sägezahnförmig ist? Anfangs erwartete ich eine dreieckige oder sogar sinusförmige Wellenform. Ich denke, dass es etwas mit der Impedanz des Zener in Verbindung mit dem viel höheren 100-kOhm-Widerstand zu tun hat. Die Elektronen kaskadieren frei über den Übergang, aber der Widerstand begrenzt den Stromfluss, wenn die Lawine stoppt. Wir sprechen von 60uA. Das Ergebnis ist ein langsamerer Ladungsaufbau als wenn während der Lawine Strom fließt.

Diese Wellenform ist nicht speziell für mein Setup. Es gibt andere Beispiele im Interweb, bei denen das Signal wirklich vergrößert wurde. Eines davon ist https://youtu.be/CAas_kbTW3Q?t=714 . Außerdem gibt es hier ein gutes Diagramm , das zeigt, dass die ansteigende Flanke leicht gekrümmt ist. Es ist wahrscheinlich ungewohnt, da es normalerweise mit einer viel langsameren Zeitbasis angezeigt wird. Habe ich Recht mit der Erklärung von Widerstand / Impedanz?

zener waveform avalanche-breakdown

— Paul Uszak
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Gibt es einen Kondensator, von dem Sie uns nichts erzählen? Oder wie hoch ist die Sperrschichtkapazität der Diode?

— Brian Drummond

@BrianDrummond Nein, genau das, was gezeigt wird, und ein 50 Ohm-Signal führen direkt zum Zielfernrohr. Es wurde Bug-Stil gelötet (eindeutig ohne die 30V-Netzteil).

— Paul Uszak

Antworten:

Bedenken Sie, dass Sie dies effektiv haben:

schematisch

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Dabei ist C die Sperrschichtkapazität zuzüglich der externen Kapazität (Leitungen, Steckbrett usw.). Ein Teil des Stroms von R1 fließt durch D1, der Rest lädt sich jedoch auf C. Sobald die Spannung einen bestimmten Wert erreicht, kommt es zu einem Lawinendurchbruch und es fließt Strom von C, bis die Lawine stoppt. Dann beginnt der Strom C wieder aufzuladen.

Um C zu berechnen, müssen Sie zuerst die Leckage kennen. Verringern Sie V1, bis das Rauschen verschwindet. Dann messen Sie den Strom. Erhöhen Sie dann V1 wieder auf 30V. Messen Sie die ansteigende Flanke des Rauschens dV / dt. Den Mittelwert von V messen. Der Strom durch R1 ist ungefähr konstant bei (30 V - V) / 100 kOhm. Subtrahieren Sie den Ableitstrom davon und berechnen Sie die Kapazität mit I = C dV / dt.

— τεκ
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Wie sind Sie bitte zum 10pF-Wert gekommen? Und sehen Sie eine Panne als eine kurze Zeitspanne über den Zener?

— Paul Uszak

@PaulUszak Ich habe ein wenig hinzugefügt, wie die Kapazität berechnet wird (was auch die Kapazität des Steckbretts einschließt, wenn Sie diese auf einem Steckbrett aufbauen). Typische Werte für die Sperrschichtkapazität von Zenerdioden scheinen im Bereich von 10-100 pF zu liegen. Schauen Sie sich das Diagramm auf Seite 6 dieses Datenblattes an . Sie stellen auch Zener-Dioden mit niedriger Kapazität her.

— τεκ

@PaulUszak Wenn ein Durchschlag auftritt, ist dies die Zener-Impedanz (70 Ohm). Wenn Sie genug hineingezoomt haben, können Sie dies wahrscheinlich auch an der Steigung abschätzen, insbesondere wenn Sie mehr Kapazität hinzugefügt haben, um die Geschwindigkeit zu verringern.

— τεκ

Könnte dieser Aufbau in einem Komparator für einen PWM-Controller verwendet werden, der für einen DC-DC-Wandler ausgelegt ist, nur als Hobbyprojekt?

— Daniel Tork

@DanielTork um eine zufällige Pulszeit zu bekommen?

— τεκ

Die zufälligen Entladungen in der Nähe des Durchbruchs stammen von zufälligen dielektrischen Kristallladungen, die unter einem hohen E-Feld zusammenbrechen und einen Impulsstrom erzeugen, der die Spannung mit einer RC-Abfallzeit senkt. Wenn Sie messen könnten, wie klein die Abfallzeit war, könnten Sie die Größe des C in diesem geladenen Teilchen schätzen.

Wenn ich schätze, dass jedes Teilchen mindestens 50 kV / mm oder 50 V / um oder 50 mV / nm sieht, kann die Ladungsgröße etwa 10 bis 20 nm betragen, um 500 bis 1000 mV zu erhalten. Dies kann entsprechend den epixtaxialen Teilchengrößen im Si-Kristallgitter skaliert werden.

Wie ein Unijunction-Oszillator, mit Ausnahme von Zufallsschwellen in einem begrenzten Bereich, lädt sich C auf und die Zener-Spannung fällt bei sehr geringen Strömen schnell um 1 ~ 5% direkt unterhalb der Durchbruchsschwelle ab.

Beim Betrachten der Wellenform erwarte ich, dass das Anstiegs- / Abfallzeitverhältnis in diesem Sägezahn ~ 100 oder weniger beträgt.

— Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
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