Меню

Как понизить опорное напряжение



Источники опорного напряжения от компании Analog Devices

Компания Analog Devices производит около 600 модификаций источников опорного напряжения (ИОН), и рассмотреть их все, конечно же, невозможно. Поэтому в первую очередь рассмотрим недорогие ИОН ADR 01, ADR02, ADR03, и ADR06 с номинальными выходными напряжениями 10,0 В, 5,0 В, 2,5 В и 3,0 В соответственно, а завершим наш краткий обзор сведениями об AD780. Как и все другие ИОН, источники ADR 01, ADR02, ADR03 и ADR06 формируют опорные напряжения с помощью запрещенной энергетической зоны внутренних базовых p-n-переходов (band gap) транзисторов с разной площадью эмиттеров. ИОН серии ADR изготавливаются в компактных 8-выводных корпусах SOIC, а также в 5-выводных корпусах SC70 и TSOT. Малые габариты ИОН и широкий диапазон рабочих температур (–40…+125 °С) позволят им найти применение во многих приложениях, в том числе там, где на первый план выходит компактность печатной платы.

Начальная погрешность и температурный коэффициент зависят от исполнения ИОН, которое бывает трех типов: A, B и С. В зависимости от типа и исполнения микросхемы начальная погрешность варьируется в пределах 0,05–0,2%, а типовое значение температурного коэффициента находится в диапазоне 1–10 ppm/°С. Однако кроме типового значения существуют и максимальные значения, величина которых зависит уже от типа корпуса микросхемы. Например, в исполнении А типовое значение температурного коэффициента составляет 3 ppm/°С, но максимально возможная величина может достигать 10 ppm/°С для ИОН в корпусе SOIC и 25 ppm/°С для ИОН в корпусах SC70 и TSOT.

Это обстоятельство надо обязательно учитывать особенно в тех случаях, когда ИОН используется во всем рабочем диапазоне температур –40…+125 °С. Иначе вас может ожидать весьма неприятный сюрприз, и вместо температурной погрешности 3 ppm/°С × 165 °С = 495 ppm вы получите погрешность 25 ppm/°С × 165 °С = 4125 ppm. Напомним формулу для вычисления температурного коэффициента TCV:

где V(T2), V(T1) и V(+25 °С) — выходное напряжение при температуре Т2, Т1 и +25 °С соответственно.

В таблице указаны некоторые типовые параметры рассматриваемых ИОН. Заметьте, что нестабильность выходного напряжения зависит от температуры. Графики зависимостей можно найти в документации производителя.

Наименование микросхемы Диапазон входных напряжений, В Нестабильность выходного напряжения, ppm/В Нестабильность выходного напряжения по нагрузке ppm/мА Спектральная плотность шума, нВ√Гц Размах шума (от пика до пика), мкВ Ослабление пульсаций на частоте 10 кГц, дБ ADR 01 12–36 7 40 510 20 –75 ADR02 7–36 7 40 230 10 –75 ADR03 4,5–36 7 25 230 6 –75 ADR06 5–36 7 40 510 10 –75

Особенно нужно отметить довольно высокий уровень ослабления пульсаций напряжения и широкий диапазон входных напряжений, причем максимальная величина напряжений может достигать 36 В. Последнее обстоятельство упрощает схему и снижает стоимость решений. Например, если требуется получить опорное напряжение 2,5 или 3,0 В, а на плате напряжение питания только 15 В, вам не придется создавать еще одну шину питания 5 В специально для ИОН, на его вход можно безбоязненно подавать напряжение 15 В.

В распределенной системе питания с нестабилизированной шиной 12 В, напряжение на которой может варьироваться в пределах 9–18 В, напряжение на входе ИОН не превысит максимально допустимую величину.

Конечно, при большом падении напряжения на ИОН возрастает мощность рассеяния, но для контроля температуры микросхемы предусмотрен специальный вывод TEMP, напряжение на котором пропорционально температуре микросхемы. Контроль напряжения на этом выводе позволит избежать перегрева сверх максимального значения +125 °С или другого заданного разработчиком предела.

Хотя для использования ИОН серии ADR не требуются внешние компоненты, будет не лишним установить на вход и выход микросхемы ИОН керамические конденсаторы емкостью 0,1 мкФ, как показано на рис. 1. Конденсатор на выходе увеличит стабильность и послужит фильтром выходных шумов, а на входе сократит время протекания переходных процессов и уменьшит пульсации питания. Если пульсации питания велики, то параллельно конденсатору 0,1 мкФ можно подключить электролитический или танталовый конденсатор 1–10 мкФ.

Вывод TRIM в микросхемах позволяет изменить их выходное напряжение. Простейший вариант подстройки выходного напряжения показан на рис. 2. Резистор R1 величиной 470 кОм позволит увеличить плавность настройки, потенциометр POT надо выбрать многооборотным, иначе не удастся произвести точную подстройку.

Напряжение на выводе TEMP изменяется пропорционально изменению температуры, однако надо учесть, что производитель не указывает точность измерения, поэтому следует использовать такое напряжение скорее как справочное значение, а не для точных измерений. При температуре +25 °С напряжение на этом выводе составляет примерно 552 мВ и при увеличении температуры на 20 °С повышается на 39,2 мВ. Таким образом, чувствительность достигает 1,96 мВ/°С. Следует иметь в виду, что вывод TEMP подключен к опорному напряжению band gap, а потому нагрузка на данном выводе должна быть минимальной. Лучше всего подсоединять этот вывод к схеме через буфер с большим входным сопротивлением.

Читайте также:  Возмещение ущерба при перепаде напряжения

В выходном каскаде ИОН серии ADR применяется схема Дарлингтона на биполярных n-p-n-транзисторах и ток собственного потребления практически не зависит от тока нагрузки. Соответственно, на основе ИОН можно создавать прецизионные источники тока. Довольно простая схема такого источника изображена на рис. 3. Потенциометр ABW величиной 100 кОм введен в схему для регулирования тока.

Нагрузкой источника является резистор RL. Величина тока нагрузки IL = VREF/RSET. При использовании ИОН в различных схемах, в том числе с операционными усилителями, следует помнить, что выход рассмотренных ИОН рассчитан на вытекающий ток и даже небольшой втекающий ток может привести к увеличению погрешности выходного напряжения. При выборе резисторов не забудьте обратить внимание на их ТКС, он должен быть минимальным.

Однако не всегда можно удовлетвориться параметрами рассмотренных выше ИОН. А потому компания Analog Devices предлагает ИОН с лучшими параметрами — в частности, AD780. Его выходное напряжение составляет 2,5 или 3,0 В и программируется коммутацией внешних выводов. В отличие от рассмотренных выше ИОН серии ADR ИОН AD780 содержит встроенный буфер, поэтому максимальные втекающие и вытекающие токи равны и составляют 10 мА, что упрощает схемотехнику узлов с использованием AD780.

Лазерная подгонка при производстве позволяет уменьшить начальную погрешность до 1 мВ или 0,04% полной шкалы в случае напряжения 2,5 В, а максимальный температурный дрейф, в зависимости от исполнения, составляет 3 или 7 ppm/°С, что также существенно лучше, чем у ИОН серии ADR. Это иллюстрируется рис. 4, на котором показана зависимость погрешности напряжения ИОН AD780 от температуры. Как видно из рисунка, почти во всем рабочем диапазоне температур погрешность не превышает 1 мВ.
Ну и конечно, нельзя не сказать о долговременной стабильности опорного напряжения. У ИОН серии ADR она составляет ±20 ppm/1000 ч, а серии ADR — 50 ppm/1000 ч.

Описанные ИОН могут найти применение в очень многих функциональных узлах аналоговых схем. Вот некоторые из них: опорное напряжение для АЦП, ЦАП и аналоговых компараторов, источники прецизионного тока для питания датчиков, мониторинг напряжения аккумуляторных батарей и другие.

Таким образом ИОН серии ADR01, ADR02, ADR03, ADR06 и AD780 компании Analog Devices схожи по характеристикам, но AD780 имеет программируемое выходное напряжение и встроенный буфер, что позволяет упростить конечную схему. В линейке компании Analog Devices огромное количество различных ИОН. В данной статье показано, что выбор ИОН может и должен осуществляться в зависимости от требований конкретного проекта, и на примере продукции Analog Devices продемонстрировано широкие возможности такого выбора.

Источник

Как понизить напряжение?

За счет наличия большого количества международных стандартов и технических решений питание электронных устройств может осуществляться от различных номиналов. Но, далеко не все они присутствуют в свободном доступе, поэтому для получения нужной разности потенциалов придется использовать преобразователь. Такие устройства можно найти как в свободной продаже, так и собрать самостоятельно из радиодеталей.

В связи с наличием двух родов электрического тока: постоянного и переменного, вопрос, как понизить напряжение, следует рассматривать в ключе каждого из них отдельно.

Понижение напряжения постоянного тока

В практике питания бытовых приборов существует масса примеров работы электрических устройств от постоянного тока. Но номинал рабочего напряжения может существенно отличаться, к примеру, если из 36 В вам нужно получить 12 В, или в ситуациях, когда от USB разъема персонального компьютера нужно запитать прибор от 3 В вместо имеющихся 5 вольт.

Для снижения такого уровня от блока питания или другого источника почти вполовину можно использовать как простые методы – включение в цепь дополнительного сопротивления, так и более эффективные – заменить стабилизатор напряжения в ветке обратной связи.

На рисунке выше приведен пример схемы блока питания, в котором вы можете понизить вольтаж путем изменения параметров резистора и стабилитрона. Этот узел на рисунке обведен красным кругом, но в других моделях место установки, как и способ подсоединения, может отличаться. На некоторых схемах, чтобы понизить напряжение вы сможете воспользоваться лишь одним стабилитроном.

Читайте также:  Зачем повышают электрическое напряжение

Если у вас нет возможности подключаться к блоку питания – можно обойтись и менее изящными методами. К примеру, вы можете понизить напряжение за счет включения в цепь резистора или подобрать диоды, второй вариант является более практичным для цепей постоянного тока. Этот принцип основан на падении напряжения за счет внутреннего сопротивления элементов. В зависимости от соотношения проводимости рабочей нагрузки и полупроводникового элемента может понадобиться около 3 – 4 диодов.

На рисунке выше показана принципиальная схема понижения напряжения при помощи диодов. Для этого они включаются в цепь последовательно по отношению к нагрузке. При этом выходное напряжение окажется ниже входного ровно на такую величину, которая будет падать на каждом диоде в цепи. Это довольно простой и доступный способ, позволяющий понизить напряжение, но его основной недостаток – расход мощности для каждого диода, что приведет к дополнительным затратам электроэнергии.

Понижение напряжения переменного тока

Переменное напряжение в 220 Вольт повсеместно используется для бытовых нужд, за счет физических особенностей его куда проще понизить до какой-либо величины или осуществлять любые другие манипуляции. В большинстве случаев, электрические приборы и так рассчитаны на питание от электрической сети, но если они были приобретены за рубежом, то и уровень напряжения для них может существенно отличаться.

К примеру, привезенные из США устройства питаются от 110В переменного тока, и некоторые умельцы берутся перематывать понижающий трансформатор для получения нужного уровня. Но, следует отметить, что импульсный преобразователь, которым часто комплектуется различный электроинструмент и приборы не стоит перематывать, так как это приведет к его некорректной работе в дальнейшем. Куда целесообразнее установить автотрансформатор или другой на нужный вам номинал, чтобы понизить напряжение.

С помощью трансформатора

Изменение величины напряжения при помощи электрических машин используется в блоках питания и подзарядных устройствах. Но чтобы понизить вольтаж источника в такой способ, можно использовать различные типы преобразовательных трансформаторов:

  • С выводом от средней точки – могут выдавать разность потенциалов как 220В, так и в два раза меньшее – 127В или 110В. От него вы сможете взять установленный номинал на те же 110В со средней точки. Это заводские изделия, которые массово устанавливались в старых советских телевизорах и других приборах. Но у этой схемы преобразователя имеется существенный недостаток – если нарушить целостность обмотки ниже среднего вывода, то на выходе трансформатора получится номинал значительно большей величины.

Выбирая конкретную модель электрической машины, чтобы понизить напряжение, обратите внимание на характеристики конкретной модели по отношению к тем устройствам, которые вы хотите запитать.

Наиболее актуальными параметрами у трансформаторов являются:

  • Мощность – трансформатор должен не только соответствовать, подключаемой к нему нагрузке, но и превосходить ее, хотя бы на 10 – 20%. В противном случае максимальный ток приведет к перегреву обмоток трансформатора и дальнейшему выходу со строя.
  • Номинал напряжения – выбирается и для первичной, и для вторичной цепи. Оба параметра одинаково важны, так как, выбрав модель с входным напряжением на 200 или 190В, на выходе вы при питании от 220В получится пропорционально большая величина.
  • Защита от поражения электротоком – все обмотки и выводы от них должны обязательно иметь достаточную изоляцию и защиту от прикосновения.
  • Класс пыле- влагозащищенности – определяет устойчивость оборудования к воздействию окружающих факторов. В современных приборах обозначается индексом IP.

Помимо этого любой преобразователь напряжения, даже импульсный трансформатор, следовало бы защитить от токов короткого замыкания и перегрузки в обмотках. Это существенно сократит затраты на ремонт при возникновении аварийных ситуаций.

С помощью резистора

Для понижения напряжения в цепь нагрузки последовательно включается делитель напряжения в виде активного сопротивления.

Основной сложностью в регулировке напряжения на подключаемом приборе является зависимость от нескольких параметров:

  • величины напряжения;
  • сопротивления нагрузки;
  • мощности источника.

Если вы будете понижать от бытовой сети, то ее можно считать источником бесконечной мощности и принять эту составляющую за константу. Тогда расчет резистора будет выполняться таким методом:

  • R – сопротивление резистора;
  • R Н – сопротивление прибора нагрузки;
  • I – ток, который должен обеспечиваться в номинальном режиме прибора;
  • U C – напряжение в сети.

После вычисления номинала резистора можете подобрать соответствующую модель из имеющегося ряда. Стоит отметить, что куда удобнее менять потенциал при помощи переменного резистора, включенного в цепь. Подключив его последовательно с нагрузкой, вы можете подбирать положение таким образом, чтобы понизить напряжение до необходимой величины. Однако эффективным способ назвать нельзя, так как помимо работы в приборе, электрическая энергия будет просто рассеиваться на резисторе, поэтому этот вариант является временным или одноразовым решением.

Читайте также:  Автоматическое определение напряжения блок питания

Источник

Простейший источник отрицательного опорного напряжения для схемы с положительной шиной питания

Maxim MAX6010 MAX9820 MAX5491

Chapin Wong, Maxim Integrated

Application Note 5978

В некоторых приложениях может потребоваться источник отрицательного опорного напряжения (ИОН), обычно никем не предлагаемый в виде законченного компонента. До сих пор наиболее распространенный способ формирования отрицательного напряжения основывался на использовании операционного усилителя (ОУ), инвертирующего выходной сигнал прецизионного источника положительного напряжения. При таком подходе, как правило, требуются источник положительного опорного напряжения, ОУ и две шины питания.

В основу другого подхода положено использование инвертора напряжения на коммутируемых конденсаторах. Для этого метода понадобятся ИОН, зарядовый насос, ОУ и положительная шина питания. Хотя оба этих решения вполне работоспособны, каждое из них требует нескольких компонентов. Кроме того, большое количество компонентов увеличивает цену изделия, что, конечно же, нежелательно.

В статье представлен простой способ формирования отрицательного опорного напряжения из единственного источника питания, для реализации которого используется ОУ с интегрированным зарядовым насосом. Комбинация ОУ и зарядового насоса имеется, например, в микросхеме MAX9820, изначально разработанной для использования в качестве стерео усилителя для головных телефонов и поддерживающей различные функции, необходимые для аудио приложений. Здесь, однако, он служит другой цели, являясь основой схемы, формирующей отрицательное опорное напряжение при минимальном количестве внешних компонентов и единственной шине питания.

Описание схемы

В схеме на Рисунке 1 для формирования отрицательного опорного напряжения используются 3-вольтовый последовательный ИОН (U1) и ОУ с внутренним зарядовым насосом (U2). U1 обеспечивает на выходе точное напряжение 3 В, потребляя ток менее 5 мкА. В этой конфигурации выход U1 подключен к петле обратной связи усилителя U2. Благодаря отрицательной обратной связи на выходе ОУ установится напряжение –3 В. Низкое напряжение смещения выхода U2 в сочетании с прецизионностью U1 обеспечивают высокую точность выходного отрицательного напряжения.

Рисунок 1. Эта схема формирует отрицательное опорное напряжение.
Выход микросхемы ИОН U1 (MAX6010A) подключен к входу
операционного усилителя U2 (MAX9820). Напряжение на
выходе U2 имеет отрицательный знак.

Напряжение питания схемы должно быть достаточно высоким, чтобы иметь определенный запас для ИОН и ОУ. Микросхеме ИОН для формирования напряжения 3 В требуется входное напряжение не менее 3.2 В. Максимально допустимое напряжение питания и наибольшее рабочее напряжение обеих микросхем U1 и U2 равно 6 В и 5.5 В, соответственно. Эти требования определяют диапазон возможных напряжений шины питания – от 3.2 В до 5.5 В.

Возле источника опорного напряжения необходимо установить развязывающие конденсаторы. Рекомендуемые величины емкостей – 0.1 мкФ на входе и 0.01 мкФ на выходе. На схеме не показан элемент развязки питания усилителя U2, который должен состоять из включенных параллельно конденсаторов 10 мкФ и 0.1 мкФ.

В качестве R1 и R2 должны использоваться высокоточные согласованные резисторы, обеспечивающие стабильность выходного напряжения во всем диапазоне рабочих температур обоих компонентов (–40 °C … +85 °C).

Рисунок 2. Здесь в схеме Рисунок 1 два резистора заменены микросхемой
U3 (MAX5491) прецизионного согласованного делителя.

Есть более дорогая, но и более точная альтернатива использованию двух согласованных резисторов – включение в цепь обратной связи интегрального прецизионного резисторного делителя (Рисунок 2). Например, рассогласование сопротивлений в микросхеме MAX5491 (U3) составляет 0.035% для группы A, 0.05% для группы B и 0.1% для C в температурном диапазоне, перекрывающем область рабочих температур ИОН и ОУ. Этот прибор будет идеальным дополнением к регулятору напряжения.

Рисунок 3. Зависимость выходного напряжения от
температуры для схемы на Рисунке 1.

На Рисунке 3 представлена зависимость выходного напряжения от температуры для схемы на Рисунке 1. Наибольшее отклонение напряжения в диапазоне –40 °C … +85 °C составило 3 мВ, что не выходит за пределы максимальных значений, указанных в справочных данных на микросхему U1.

Рисунок 4. Зависимость выходного напряжения от тока
нагрузки для схемы на Рисунке 1.

Рисунок 4 демонстрирует зависимость выходного напряжения от тока нагрузки для схемы на Рисунке 1 при –40 °C, +25 °C и +85 °C. Испытания выполнялись с двумя резисторами в цепи обратной связи, имеющими допуск 1%, при напряжении питания 5 В.

Материалы по теме

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

Источник