Kurs elektroniki II – #11 – źródła napięcia odniesienia

Kurs elektroniki II – #11 – źródła napięcia odniesienia

W naszym kursie elektroniki nie poruszyliśmy jeszcze tematu uzyskania stabilnego napięcia. Potrafi je osiągnąć np. stabilizator liniowy, jednak skąd on wie, że na wyjściu jest stałe napięcie?

Kluczowymi elementami są tutaj źródła napięcia odniesienia, często pomijane przez hobbystów podczas nauki elektroniki – jest to błędem.

O co chodzi ze stabilnym napięciem?

Zagadnienie jest ogólnie 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.

Ogólna zasada źródła napięcia odniesienia

Ogólna zasada źródła napięcia odniesienia

W przeciwieństwie do omawianych wcześniej stabilizatorów liniowych, które mogą znieść prąd nawet rzędu kilku amperów, ze źródeł napięcia odniesienia (tzw. źródeł referencyjnych) nie należy pobierać więcej niż kilkadziesiąt miliamperów. Takie źródło może „stać się” np. stabilizatorem lub zasilaczem laboratoryjnym, ale dopiero po obudowaniu odpowiednimi układami.

Jakie jest zastosowanie źródeł odniesienia?

Uzyskane napięcie możemy wykorzystać chociażby na potrzeby komparatora napięcia. 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, źródła napięcia potrzebne są 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 swoim wyjściu. Jeszcze inne zastosowanie to różne pomiary. Każdy miernik musi być wyposażony w takie źródło, by (podobnie jak zasilacz stabilizowany) porównywać napięcie podawane na jego wejście i przeliczać je na rzeczywistą wartość.

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 tym poradniku zajmiemy się dwoma elementami, które przetrwały do teraz i cieszą się dużą popularnością – mowa o diodzie Zenera i scalonym źródle napięcia odniesienia. Zanim przejdziesz dalej, upewnij się jednak, że zapoznałeś się z materiałem na temat diod prostowniczych (z kursu elektroniki – poziom I).

Dioda Zenera – co warto wiedzieć?

W zestawie elementów do tego kursu dołączone są diody Zenera – wyglądają identycznie jak diody 1N4148, różnią się jedynie napisem na szklanej obudowie. Diodę tego typu, tak samo jak diodę krzemową, możemy spolaryzować na dwa sposoby – w kierunku przewodzenia oraz zaporowym.

W kierunku przewodzenia dioda ta nie wykazuje szczególnych właściwości. Wskutek przepływu prądu odkłada się na niej standardowe napięcie 0,7 V 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. W takim przypadku przez diodę krzemową prąd po prostu nie płynie. Jednak przez diodę Zenera popłynie, a na jej zaciskach odłoży się tzw. napięcie Zenera. Jego wartość jest określona przez producenta i wynosi od pojedynczych woltów do nawet 200 V.

Dioda Zenera podłączona w kierunku zaporowym

Dioda Zenera podłączona w kierunku zaporowym

Dioda Zenera otwiera się wskutek wystąpienia tzw. 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 przypadku zwykłych diod krzemowych producenci nie kontrolują dokładnie wartości tego napięcia, bo nie jest ono używane do stabilizacji.

Przebicie kojarzone jest z czynnością destrukcyjną i nieodwracalną. W przypadku półprzewodników jest inaczej – jest ono całkowicie nieszkodliwe, o ile w czasie jego wystąpienia nie dojdzie do przegrzania struktury krzemowej.

Wady diod Zenera

Diody Zenera są małe i tanie, ale mają sporo wad. Po pierwsze, są produkowane z rozrzutem ±5%. Oznacza to, że dioda o nominalnym napięciu 3,3 V w rzeczywistości może mieć od 3,135 V do 3,465 V.

Drugim poważnym uchybieniem jest wrażliwość na temperaturę. Napięcie odkładające się na diodzie ulega zmianom zależnie od temperatury. Co gorsza, te zmiany są różne dla różnych wartości napięcia Zenera. Ponadto zależą również od wartości płynącego prądu. Typowo wynoszą około 1–9 mV/°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 przypadkach, w których możemy się na takie wahania zgodzić.

Możliwe wahania na wyjściu źródła napięcia odniesienia

Możliwe wahania na wyjściu źródła napięcia odniesienia

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

Gotowe zestawy do kursów Forbota

 Komplet elementów  Gwarancja pomocy  Wysyłka w 24h

Chcesz zrozumieć elektronikę? Zamów zestaw elementów do wykonania wszystkich ćwiczeń z kursu i przejdź do praktyki!

Zamów w Botland.com.pl »

Dioda Zenera w praktyce

Pora, aby w praktyce sprawdzić, jak zachowuje się dioda Zenera i czy faktycznie jest „stabilna”. Do tego eksperymentu potrzebne są następujące elementy:

  • 1 × dioda 1N4148,
  • 1 × dioda Zenera 3,3 V,
  • 1 × microswitch,
  • 1 × rezystor 330 Ω,
  • 4 × bateria AA,
  • 1 × koszyk na 4 baterie AA,
  • 1 × płytka stykowa,
  • komplet przewodów połączeniowych.

Elementy łączymy zgodnie z prostym schematem, pamiętając o zaporowej polaryzacji diody Zenera. Na schemacie znajduje się również symbol woltomierza – dzięki niemu widać dokładnie punkty, które będziemy badać miernikiem uniwersalnym.

Schemat układu do badania właściwości diody Zenera

Schemat układu do badania właściwości diody Zenera

Całość może wyglądać w praktyce następująco:

Po włączeniu zasilania nie stanie się nic widowiskowego. Musimy jednak zmierzyć napięcie na diodzie Zenera, bo to właśnie nas teraz interesuje. W zależności od stanu przycisku do diody Zenera dotrze odrobinę inne napięcie – gdy nie wciskamy przycisku, cały prąd płynie przez diodę 1N4148, więc reszta układu zasilana jest przez niższe napięcie (o 0,7 V).

Przycisk puszczony – pomiar przy niższym napięciu

Przycisk puszczony – pomiar przy niższym napięciu

Po wciśnięciu przycisku S1 zdecydowana większość prądu popłynie przez przycisk (bo taka droga dla prądu jest łatwiejsza), więc układ będzie zasilany z 6 V. Działa to analogicznie jak dodatkowe rezystory, które prąd „omijał” w eksperymencie z diodą RGB (został on opisany na początku tego kursu).

Przycisk wciśnięty – pomiar przy wyższym napięciu

Przycisk wciśnięty – pomiar przy wyższym napięciu

Przy zwolnionym przycisku napięcie baterii jest obniżane o około 0,7 V za pomocą diody krzemowej, czyli wynosi około 5,3 V. W tych warunkach przez diodę Zenera płynie prąd wynoszący około 6 mA. Po zwarciu styków microswitcha dioda krzemowa jest zwierana i napięcie zasilające układ wzrasta do około 6 V. Co za tym idzie, prąd płynący przez badane źródło napięcia odniesienia rośnie do ~8 mA. Jak widać, różnica w zmierzonym napięciu na diodzie jest całkiem spora – wynosi około 0,1 V.

Scalone źródła napięcia odniesienia

Większość wad diody Zenera można wyeliminować poprzez wykorzystanie scalonych źródeł napięcia referencyjnego. Część z nich stosuje się podobnie jak diody Zenera (nawet mają identyczny symbol na schemacie). Wystarczy zasilić je przez rezystor o odpowiedniej wartości. Te bardziej zaawansowane mają też specjalne wejście napięcia zasilającego i kilka wyjść.

Projektanci scalonych źródeł napięcia odniesienia postarali się wyeliminować to, co w diodach Zenera dokucza najbardziej – dzięki temu udało się uzyskać elementy, które mają następujące cechy:

  • występuje mały rozrzut napięcia (najtańsze ±2%, droższe ±0,1% lub jeszcze mniej),
  • zależność od temperatury jest zdecydowanie słabsza i bardziej przewidywalna,
  • do działania potrzebny jest mniejszy prąd (niektórym wystarcza tylko 10 μA),
  • wrażliwość na wartość płynącego prądu jest mniejsza.

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

Początkującym może się wydawać, że diody Zenera całkowicie przegrywają ze źródłami scalonymi. Założenie to jednak staje się mylne, kiedy zacznie się projektować układy analogowe pracujące przy wysokich częstotliwościach (setkach megaherców). Również w innych dziedzinach elektroniki diody Zenera były, są i prawdopodobnie będą cały czas obecne – nie warto ich od razu przekreślać!

W zestawie elementów do tego kursu znajduje się układ LM385Z-2,5. Jest to scalone źródło napięcia o wartości 2,5 V (wartość tę wskazuje nam końcówka nazwy). Element ten jest zamknięty w takiej samej obudowie jak tranzystory bipolarne – oczywiście inne są wyprowadzenia, inne jest też ich zadanie.

Mamy anodę oznaczoną jako „−”, bo podłącza się ją do niskiego potencjału, np. masy. Jest również katoda, z symbolem „+”. Trzecie wyprowadzenie FB (ang. feedback) to sprzężenie zwrotne. Za pomocą tej nóżki można ustalić inne napięcie niż 2,5 V (potrzebny jest do tego dzielnik rezystorowy – szczegóły na ten temat można znaleźć w dokumentacji).

Podstawowe parametry LM385Z-2,5:

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

Tak niski prąd minimalny został osiągnięty dzięki zastosowaniu licznych tranzystorów. Wnętrze tego układu możemy podejrzeć dzięki schematowi, który dostępny jest w jego nocie katalogowej.

Schemat wewnętrzny układu LM385

Schemat wewnętrzny układu LM385

Należy to jednak traktować tylko jako ciekawostkę – samodzielny montaż tego układu nie jest możliwy. Producent wykorzystał tutaj efekt wzajemnej kompensacji zmian parametrów pod wpływem temperatury. Jest to możliwe jedynie wtedy, gdy tranzystory są umieszczone na wspólnym podłożu krzemowym i mają zbliżone parametry.

Parametry tranzystorów zmieniają się pod wpływem temperatury i płynącego przez nie prądu. Można jednak użyć tranzystorów znajdujących się w tej samej temperaturze (będących w jednej obudowie) i tak je połączyć, by te zmiany się od siebie odejmowały. Jeżeli np. napięcie na jednym tranzystorze lekko wzrośnie, to na drugim też i różnica pozostanie stała – na tym polega wzajemna kompensacja.

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. Wykonując tę zamianę, trzeba pamiętać, że środkowa nóżka jest katodą – dwie pozostałe zwieramy i traktujemy jako anodę.

Schemat układu testowego ze scalonym źródłem napięcia

Schemat układu testowego ze scalonym źródłem napięcia

Całość w praktyce może wyglądać następująco (budując ten układ, trzeba koniecznie zwrócić uwagę na numerację i opis wyprowadzeń scalonego źródła napięcia odniesienia!):

Po uruchomieniu układu można sprawdzić stabilność uzyskanego źródła:

Przycisk puszczony – pomiar przy niższym napięciu

Przycisk puszczony – pomiar przy niższym napięciu

Przy zwolnionym przycisku napięcie baterii jest obniżane o około 0,7 V za pomocą diody krzemowej, czyli wynosi około 5,3 V. W tych warunkach przez źródło scalone płynie około 8,5 mA. Z kolei po zwarciu styków przycisku dioda krzemowa jest zwierana i napięcie zasilające układ wzrasta do ~6 V. Co za tym idzie, prąd płynący przez badane źródło napięcia odniesienia rośnie do około 10,5 mA. 

Przycisk wciśnięty – pomiar przy wyższym napięciu

Przycisk wciśnięty – pomiar przy wyższym napięciu

Zmiana prądu i napięcia nie wpływa jednak na wskazanie woltomierza, układ więc działa poprawnie. W efekcie użycia scalonego źródła napięcia odniesienia uzyskaliśmy… stałe napięcie, którego nasz układ mógłby używać jako punktu odniesienia.

Gdzie i kiedy to się przydaje?

Wiemy już, jak działają źródła napięcia odniesienia, jednak jakie mają one praktyczne zastosowanie? Najlepszym tego przykładem są zasilacze stabilizowane. Napięcie na ich wyjściu jest stałe zarówno przy zmieniającym się napięciu zasilania (np. sieciowym lub z baterii), jak i przy zmiennym poborze prądu. W ich schemacie blokowym znajduje się kilka elementów:

Schemat blokowy przykładowego zasilacza stabilizowanego

Schemat blokowy przykładowego zasilacza stabilizowanego

Napięcie wyjściowe jest na bieżąco monitorowane przez układ zwany wzmacniaczem błędu. Na razie nie będziemy rozwijać szczegółów na jego temat, przyjmijmy, że jego zadaniem jest takie wysterowanie swojego wyjścia, aby napięcia na obu jego wejściach były takie same. Wyjście steruje elementem wykonawczym – najczęściej jest to tranzystor (lub zespół tranzystorów) dużej mocy.

Źródło napięcia odniesienia daje wzmacniaczowi błędu informację w postaci stabilnego i niezmiennego napięcia, na które może on na bieżąco „zerkać”. Rezystory R1 i R2 kierują do wzmacniacza błędu napięcie wyjściowe (tak, to jest dzielnik napięciowy), a ten musi się tak nagimnastykować, aby obie te wartości, które do niego trafiają, były sobie równe.

Źródła napięcia odniesienia można przyrównać do poziomicy używanej podczas budowy domu. Jeżeli jest ona wiarygodna, to za jej pomocą można wykonać proste ściany. Jeżeli nie będzie dobrze wskazywała pionu i poziomu, wzniesienie prosto stojącego budynku będzie niewykonalne. Odnosząc to do przypadku źródła napięcia odniesienia: jeśli będzie dobre, to uda nam się uzyskać stabilne napięcie; jeśli nie, to nasze urządzenie nie będzie pracowało poprawnie.

Podsumowanie

Konieczność uzyskania stabilnego napięcia jest w elektronice analogowej bardzo istotna. Bez niego nie byłoby możliwe np. 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 na pewno warto je znać, aby lepiej rozumieć niektóre zagadnienia.

Czy wpis był pomocny? Oceń go:

Średnia ocena 4.8 / 5. Głosów łącznie: 167

Nikt jeszcze nie głosował, bądź pierwszy!

Artykuł nie był pomocny? Jak możemy go poprawić? Wpisz swoje sugestie poniżej. Jeśli masz pytanie to zadaj je w komentarzu - ten formularz jest anonimowy, nie będziemy mogli Ci odpowiedzieć!

W kolejnym odcinku kursu zajmiemy się tematem przetwornic, czyli elementów, dzięki którym możliwe jest obniżanie i podwyższanie napięcia! Co więcej, elementy te pozwalają na zniwelowanie strat, które powstałyby, gdyby w analogicznej sytuacji zastosowano tradycyjny stabilizator liniowy.

Nawigacja kursu


Autorzy kursu: Damian Szymański, Michał Kurzela, ilustracje: Piotr Adamczyk. Zakaz kopiowania treści kursów oraz grafik bez zgody FORBOT.pl. Data ostatniego sprawdzenia tego wpisu: 13.06.2021.

dioda, kursElektroniki2, napięcie, odniesienia, referencyjne, zenera, źródło

Trwa ładowanie komentarzy...