Ta strona używa ciasteczek (plików cookies), dzięki którym może działać lepiej. Dowiedz się więcejRozumiem i akceptuję

Kurs elektroniki II – #12 – źródła napięcia odniesienia

Elektronika 07.06.2016 Futrzaczek

KursElektroniki2_12Podczas kursu elektroniki nie poruszyliśmy tematu uzyskania stabilnego napięcia. Potrafi to każdy stabilizator, jednak skąd wie on, że na wyjściu jest stałe napięcie?

Kluczowymi elementami są tutaj źródła napięcia odniesienia. Często pomijane przez hobbystów podczas nauki elektroniki – co jest błędem. Stąd pomysł na ostatni odcinek tej serii.

Nawigacja serii artykułów:
« poprzednia częśćnastępna część »

Kup zestaw elementów i zacznij naukę w praktyce! Przejdź do strony dystrybutora »

Zagadnienie jest proste do sformułowania. Do dyspozycji mamy napięcie, które zmienia się w zadanych granicach. Należy uzyskać napięcie niższe, ale o stałej wartości. Im mniejszy wpływ zmian napięcia wejściowego na wyjściowe, tym lepiej.

W przeciwieństwie do stabilizatorów, które mogą znieść prąd rzędu amperów, ze źródeł odniesienia (referencyjnych) nie należy pobierać więcej niż kilkadziesiąt miliamperów. Takie źródło staje się dopiero stabilizatorem dużej mocy po obudowaniu odpowiednimi układami.

1) Źródło napięcia odniesienia. 2) Napięcie wejściowe. 3) Napięcie wyjściowe.

1) Źródło nap. odniesienia. 2) Napięcie wej. 3) Napięcie wyj.

Zastosowanie źródeł odniesienia

Uzyskane napięcie możemy wykorzystać, chociażby, na potrzeby komparatora. Porównujemy napięcie (np. z czujnika analogowego) z innym, precyzyjnie ustalonym – mamy wtedy pewność, że próg przełączenia znajduje się na znanym i niezmiennym poziomie.

Co więcej potrzebne są one do stabilizacji napięcia, czyli wszelkiego rodzaju zasilaczy – również tych regulowanych. Każdy z nich musi zawierać wbudowane źródło referencyjne, do którego będzie mógł odnieść aktualną wartość napięcia na wyjściu.

Jeszcze inne zastosowanie to pomiary. Każdy multimetr musi być wyposażony w takie źródło, by (podobnie jak zasilacz stabilizowany) porównywać napięcie podawane na jego wejście i przeliczać na rzeczywistą wartość napięcia.

Każda inna wielkość (prąd, rezystancja) jest przetwarzana na napięcie i mierzona w ten sam sposób. Od dokładności tego źródła zależy dokładność pomiarów!

Inżynierowie na całym świecie łamią sobie głowy nad tym problemem, bo – wbrew pozorom – nie jest on prosty w rozwiązaniu. Zwłaszcza, jeżeli gotowe urządzenie ma być małe, lekkie oraz tanie. Na przestrzeni lat stosowano przeróżne wynalazki. W dalszej części zostaną omówione dwa, które istnieją do dzisiaj i mają się świetnie: dioda Zenera oraz źródło scalone.

Zestaw elementów do przeprowadzenia ćwiczeń

Gwarancja pomocy na forum dla osób, które kupią poniższy zestaw!

Elementy konieczne do wykonania ćwiczeń zebrane zostały w gotowe zestawy, które można nabyć w Botlandzie. W wygodnym kuferku znajdziecie ponad 160 części elektronicznych!


Kup w Botlandzie »

Dioda Zenera

Przed przejściem do dalszej lektury upewnij się, że zapoznałeś się z artykułem na temat diod z pierwszego poziomu kursu elektroniki. Do zestawu części dołączone są diody Zenera – wyglądają identycznie jak diody 1N4148 różnią się jedynie napisem na szklanej obudowie. Diodę tę, tak jak krzemową, możemy spolaryzować na dwa sposoby: w kierunku przewodzenia oraz zaporowym.

Na schematach diodę Zenera oznacza się symbolem diody z jedną poprzeczką przy katodzie, skierowaną ku anodzie. Amerykanie stosują zazwyczaj dwie, lekko ugięte poprzeczki.

W kierunku przewodzenia, dioda ta nie wykazuje szczególnych właściwości. Wskutek przepływu prądu, odkłada się na niej napięcie 0,7V lub zbliżone. Nie jest to zbyt pożyteczne – w podobny sposób zachowa się dowolna dioda krzemowa.

Dioda Zenera w stanie przewodzenia

Dioda Zenera w stanie przewodzenia.

Inaczej jest przy polaryzacji zaporowej. Przez diodę krzemową prąd po prostu nie płynie. Przez diodę Zenera popłynie, a na jej zaciskach odłoży się napięcie Zenera. Wartość tego napięcia jest określona przez producenta i zawiera się w przedziale od pojedynczych woltów do nawet 200V.

Dioda Zenera spolaryzowana zaporowo

Dioda Zenera spolaryzowana zaporowo.

Dioda Zenera otwiera się wskutek wystąpienia przebicia. Złącze polaryzowane jest zaporowo i dla pewnej wartości napięcia, bariera wewnątrz diody zostaje przebita przez nośniki – zaczynają one przez nią przepływać.

Napięcie wsteczne diody krzemowej (rzędu dziesiątek i setek woltów) jest ograniczone przez bardzo podobne zjawisko. W ich przypadku, producenci nie kontrolują dokładnie tej wartości napięcia – nie służy ono do stabilizacji.

Przebicie zazwyczaj kojarzone jest z czynnością destrukcyjną, nieodwracalną. W przypadku półprzewodników jest inaczej. Jest ono całkowicie nieszkodliwe, o ile w czasie jego wystąpienia nie wystąpi przegrzanie struktury krzemowej. Występuje kilka różnych rodzajów przebić, ale to zagadnienie stanowczo wykracza poza ramy tego kursu.

Wady diod Zenera

Diody Zenera są elementami tanimi, ale mają sporo wad. Po pierwsze, są selekcjonowane z typowym rozrzutem ±5%. Oznacza to, że dioda o nominalnym napięciu 3,3V może mieć, tak naprawdę, od 3,135V do 3,465V.

Tak duże rozrzuty eliminują te podzespoły z zastosowań,
gdzie potrzebujemy tolerancji 0,1% lub jeszcze mniejszej.

Drugim poważnym uchybieniem jest wrażliwość na temperaturę. Napięcie odkładające się na diodzie ulega zmianom przy zmianie temperatury. Co gorsza, te zmiany są różne dla różnych wartości napięcia Zenera. Ponadto, zależą również od wartości płynącego prądu. Typowo, wynoszą od 1mV/°C do 9mV/°C.

Trzecią niedogodnością jest konieczność zapewnienia diodzie stałej wartości płynącego przez nią prądu. Jeżeli tego nie dopilnujemy, napięcie na jej wyprowadzeniach również będzie się zmieniało w takt zmian napięcia wejściowego. Dlatego zasilanie diody przez rezystor – mimo, że najprostsze w realizacji – jest dopuszczalne tylko tam, gdzie możemy się na takie wahania zgodzić.

Możliwe wahania napięcia wyjściowego. 1) Źródło napięcia odniesienia. 2) Napięcie wejściowe. 3) Napięcie wyjściowe.

Możliwe wahania napięcia. 1) Źródło napięcia odniesienia. 2) Napięcie wej. 3) Napięcie wyj.

Ostatnią istotną wadą, zwłaszcza w dzisiejszych czasach, jest konieczność zapewnienia diodzie pewnego minimalnego prądu, który przez nią płynie. Typowo, przyjmuje się wartość 5mA. Oznacza to, że nawet jeżeli do zacisków naszej diody jest podłączone wejście np. komparatora (pobierające znikomy prąd), to przez diodę musi płynąć 5mA i ani trochę mniej. W układach bateryjnych jest to bardzo duża wada – tam trzeba cenić każdy mikroamper.

Dioda Zenera w praktyce

Wykonując poniższy eksperyment możliwe będzie sprawdzenie w praktyce jak wygląda stabilność tego źródła napięcia odniesienia. Potrzebne elementy:

  • płytka stykowa i przewody połączeniowe,
  • koszyk baterii 4xAA,
  • dioda 1N4148,
  • dioda Zenera 3,3V,
  • microswitch,
  • rezystor 330Ω,
  • multimetr do pomiaru napięcia.

Połącz je według tego schematu, pamiętając o zaporowej polaryzacji diody Zenera:

Schemat układu do badania diody Zenera

Schemat układu do badania diody Zenera.

Zmontuj ten układ na płytce stykowej. Włącz woltomierz, ustaw go na odpowiem zakresie, po czym włącz zasilanie. W zależności od stanu przycisku do diody Zenera dopłynie odrobinę inne napięcie.

Odpowiednio podłączony woltomierz pozwala na sprawdzenie, jak zmienia się napięcie na diodzie, przy różnym napięciu wejściowym. Przykładowa realizacja układu została przedstawiona poniżej:

Przy zwolnionym przycisku, napięcie baterii jest obniżane o ok. 0,7V za pomocą diody krzemowej, czyli wynosi ok. 5,3V. W tych warunkach, przez diodę Zenera płynie prąd ok. 6mA.

Po zwarciu styków microswitcha, dioda krzemowa jest zwierana i napięcia zasilające układ wzrasta do ok. 6V. Co za tym idzie, prąd płynący przez badane źródło napięcia odniesienia rośnie do ok. 8mA.

Napięcie odniesienia – źródło scalone

Większość wad diody Zenera eliminuje stosowanie scalonych źródeł napięcia referencyjnego. Cześć z nich stosuje się podobnie, jak diody Zenera (nawet mają identyczny symbol na schemacie). Wystarczy zasilić je przez przez rezystor o odpowiedniej wartości. Te bardziej zaawansowane, mają specjalne wejście napięcia wejściowego i kilka wyjść.

Projektanci tych układów scalonych postarali się wyeliminować to, co w diodach Zenera dokucza najbardziej:

  • cechują się małym rozrzutem napięcia (najtańsze ±2%, droższe ±0,1% lub jeszcze mniej),
  • zależność od temperatury jest zdecydowanie słabsza i bardziej przewidywalna,
  • potrzebują do działania mniejszego prądu, niektórym wystarcza tylko 10μA,
  • wrażliwość na wartość płynącego prądu również jest zdecydowanie słabsza.

Mają jednak pewną wadę: produkowane są tylko na kilka napięć. Diody Zenera są pod tym względem zdecydowanie lepsze. Istnieją jednak układy źródeł referencyjnych, które można regulować (ustalić ich napięcie wyjściowe), lecz jest to ciut wyższa szkoła jazdy.

Uwaga czysto praktyczna: źródeł scalonych nie polaryzujemy w kierunku przewodzenia. Producenci nie deklarują, jakie będzie ich zachowanie. Może nawet dojść do uszkodzenia układu!

Dla początkujących może wydawać się, że diody Zenera całkowicie przegrywają ze źródłami scalonymi. Założenie to jednak staje się mylne, kiedy zacznie się projektować układy analogowe pracujące przy setkach megaherców. Również w innych dziedzinach elektroniki diody Zenera były, są i prawdopodobnie będą obecne.

W zestawie elementów do kursu znajduje się układ LM385Z-2,5. Jest to źródło napięcia 2,5V, zamknięte w identycznej obudowie, jak tranzystory. Układ jego wyprowadzeń jest następujący:

Układ wyprowadzeń LM385 (widziany od spodu)

Układ wyprowadzeń LM385 (od spodu).

Mamy anodę oznaczoną jako -„, bo podłącza się ją do niskiego potencjału, np. masy. Jest również katoda, z symbolem „+”. Trzecie wyprowadzenie FB (ang. feedback) to znane Ci już sprzężenie zwrotne. Za pomocą tego wyprowadzenia można ustalić inne napięcie niż 2,5V. Potrzebny jest do tego odpowiedni dzielnik rezystorowy.

Niektórzy producenci nie wykonują wejścia FB w układach i nóżka ta nie jest wtedy połączona. Inni z kolei tego przestrzegają. Dlatego proponuję zawsze zwierać tę nóżkę z anodą i traktować źródło jako nieregulowane.

Podstawowe parametry LM385Z-2,5:

  • tolerancja: ±1% lub ±2%,
  • nominalne napięcie: 2,5V,
  • minimalny prąd: 10μA,
  • maksymalny prąd: 20mA.

Tak niski prąd minimalny został osiągnięty dzięki zastosowaniu… tranzystorów. Spojrzyjmy na schemat samego układu; producent udostępnia go w nocie katalogowej.

Schemat ideowy układu LM385

Schemat ideowy układu LM385.

Próba montażu takiego układu na płytce stykowej zakończyłaby się niepowodzeniem. Został tutaj wykorzystany efekt wzajemnej kompensacji zmian parametrów pod wpływem temperatury. Jest to możliwe tylko wtedy, gdy tranzystory są umieszczone na wspólnym podłożu krzemowym i mają zbliżone parametry. Znajdująca się wewnątrz dioda Zenera na napięcie 6,3V służy jedynie do zabezpieczenia układu i nie bierze udziału w stabilizacji.

Parametry tranzystorów zmieniają się pod wpływem temperatury oraz płynącego przez nie prądu. Można jednak użyć tranzystorów, które są w tej samej temperaturze i tak połączyć, by te zmiany się od siebie odejmowały. Jeżeli np. napięcie na jednym lekko wzrośnie, to na drugim też i różnica pozostanie stała. Na tym polega efekt wzajemnej kompensacji.

Źródło scalone w praktyce

Pora sprawdzić jak to źródło radzi sobie ze zmianą napięcia wejściowego. W poprzednim układzie wystarczy podmienić diodę Zenera na LM385Z-2,5. Pamiętaj, że środkowa nóżka jest katodą dwie pozostałe zewrzyj i traktuj jako anodę.

Dla formalności schemat:

Schemat układu do badania źródła scalonego

Schemat układu do badania źródła scalonego.

Po uruchomieniu układu można sprawdzić stabilność uzyskanego źródła:

Przy zwolnionym przycisku, napięcie baterii jest obniżane o ok. 0,7V za pomocą diody krzemowej, czyli wynosi ok. 5,3V. W tych warunkach przez źródło scalone ok. 8,5mA.

Po zwarciu styków microswitcha, dioda krzemowa jest zwierana i napięcia zasilające układ wzrasta do ok. 6V. Co za tym idzie, prąd płynący przez badane źródło napięcia odniesienia rośnie do ok. 10,5mA.


Warto również sprawdzić jak scalone źródło napięcia odniesienia zachowuje się przy dłuższej pracy. Czekanie przez kilkanaście sekund ma na celu podgrzanie struktury wewnętrznej płynącym przez nią prądem. Swoimi obserwacjami podziel się w komentarzu!

Podsumowanie

Konieczność uzyskania stabilnego napięcia jest w elektronice analogowej bardzo istotna. Bez niego, nie byłoby możliwe budowanie stabilizowanych zasilaczy. Eksperymentalnie dowiedliśmy, że niektóre elementy nadają się do tego celu lepiej, a inne gorzej. Źródła napięcia odniesienia nie są może zbyt „widowiskowym” elementem jednak warto je znać!

Kup zestaw elementów i zacznij naukę w praktyce! Przejdź do strony dystrybutora »

W kolejnym odcinku kursu zajmiemy się podsumowaniem serii oraz krótkim testem sprawdzającym wiedzę zdobytą podczas wszystkich 12 odcinków. Nie zabraknie też zapowiedzi kolejnej serii, która wystartuje już niedługo!

Autor: Michał (futrzaczek) Kurzela
Redakcja, zdjęcia: Damian (Treker) Szymański

Powiadomienia o nowych, darmowych artykułach!

Komentarze

#R2D2#

20:25, 10.06.2016

#1

Czy możesz polecić jakieś inne scalone źródła napięcia odniesienia, które mają większy wybór napięć znamionowych niż LM385?

adam30010

15:20, 11.06.2016

#2

Wszystko zależy jakiego napięcia potrzebujesz, ja spotkałem się ze źródłami 10V, 4.096V, 2.5V, 3V i kilkoma innymi więc wybór powinien być dość spory. Pewnie znajdą się też jakieś regulowane źródła napięcia odniesienia, wystarczy przeszukać ofertę sklepów z elektroniką.

Shadok

22:20, 11.06.2016

#3

Moje obserwacje są zgodne z oczekiwaniami. Źródło scalone zachowywało się bardzo stabilnie. Dopiero wprowadzenie 3 diod pozwoliło zaobserwować wahania rzędu od 10-15mV do max. 20mV. Przy 5 diodach, wahania utrzymały się na tym samym poziomie. Niezależnie od ilości diod (0-5), napięcie wyjściowe mieściło się w tolerancji. Wpływu temperatury nie zaobserwowałem, co świadczy o skutecznej kompensacji lub ew. o zbyt mało dokładnych przyrządach pomiarowych :)

Treker
Administrator

23:01, 11.06.2016

#4

Shadok, super - czyli wszystko się zgadza. Dzięki, że podzieliłeś się swoimi obserwacjami :)

Treker
Administrator

9:49, 12.06.2016

#5

#R2D2# napisał/a:

Czy możesz polecić jakieś inne scalone źródła napięcia odniesienia, które mają większy wybór napięć znamionowych niż LM385?

Jeśli chodzi o inne napięcia, to najlepiej zerknij do TME (łatwo sortować tam produkty):

http://www.tme.eu/pl/katalog/#id_category=100218&page=1&s_field=artykul&s_order=ASC

140 źródeł referencyjnych do wyboru ;)

bejdak

15:49, 02.01.2017

#6

Widzę pewną nieścisłość: w opisie teoretycznym układu scalonego, w żółtej ramce, jest napisane, że wyjście FB zwieramy z katodą. Natomiast w przykładzie praktycznym zwieramy to wyjście z anodą. Czyżby praktyka aż tak bardzo odbiegała od teorii? ;)

I przy okazji: świetny kurs, idealny do uzupełniania teorii ze studiów praktyką :)

Treker
Administrator

12:58, 09.01.2017

#7

bejdak, słuszna uwaga! Gratuluję spostrzegawczości, bo nikt wcześniej nie zwrócił na to uwagi. Autor kursu przyznaje, że był tu drobny błąd i w pomarańczowej ramce powinno być "FB zwieramy z anodą". Oczywiście już poprawione w artykule :)

Zobacz powyższe komentarze na forum

FORBOT Damian Szymański © 2006 - 2017 Zakaz kopiowania treści oraz grafik bez zgody autora. vPRsLH.

Jak zainstalować Linuxa na STM32?

Mikrokontrolery stają się coraz potężniejsze. Każdy producent stara się wprowadzać...

Zamknij