Блог

Введение

Применение в стабилизаторах напряжения мощных полевых транзисторов, несмотря на их неоспоримые преимущества – ультранизкое сопротивление открытого канала (единицы миллиом), позволяющее получить сверхмалое падение напряжения между входным и выходным напряжением (десятые доли вольта), большие токи (сотни ампер), низкая стоимость (особенно n-канальных транзисторов), – как известно, сопряжено с решением одной проблемы, связанной с высоким пороговым напряжением (2 – 5 В), которое требуется подать на затвор, чтобы открыть транзистор. Если, например, в стабилизаторе положительного напряжения на n-канальном транзисторе входное напряжение подается на сток, выходное снимается с истока, а затвором управляет ОУ, то при малом падении напряжения стабилизатора (между истоком и стоком транзистора) ОУ должен подать на затвор напряжение на 2 – 5 В выше истока, а значит и выше стока, то есть выше входного напряжения. Но где его взять, если кроме входного другого напряжения нет? К каким только ухищрениям не прибегают, чтобы получить напряжение выше входного: используют дополнительную обмотку трансформатора и выпрямитель на ее основе, различные схемы повышения входного напряжения, основанные на умножителях напряжения, а в некоторые современные микросхемы стабилизаторов даже встраивают DC/DC преобразователи.

Стабилитрон — что стоит знать?

В некоторых наборах по электронике вы можете не найти этот элемент, и если у вас его нет, то его стоит приобрести отдельно. Внешне он похож на диод 1N4148, разница только в надписи на корпуса. Диод этого типа, как и кремниевый диод, можно поляризовать двумя способами.

На схемах, стабилитрон отмечен символом диода с одной полосой на катоде, обращенной к аноду. Американцы обычно добавляют две слегка изогнутые линии.

Пример стабилитрона	Условное обозначение стабилитронов на схемах

В прямом направлении этот диод не имеет особых свойств. Из-за протекания тока на него подается стандартное напряжение 0,7 В. Это не очень полезное свойство — любой кремниевый диод сделает то же самое.

Проводимый стабилитрон

По-другому обстоит дело с заградительной полярностью. В этом случае через кремниевый диод ток просто не течет. Однако через стабилитрон он будет течь, и на его клеммах будет отложено так называемое стабилитронное напряжение. Его значение определяется производителем и варьируется от одиночных вольт до 200 В.

Стабилитрон включен в обратном направлении

Стабилитрон открывается в результате так называемого прокола. Разъем поляризуется заграждением, и для определенного значения напряжения барьер внутри диода пробивается через носители — они начинают проходить через него. Обратное напряжение кремниевого диода (порядка десятков или сотен вольт) ограничено очень похожим явлением. Для обычных кремниевых диодов производители точно не контролируют значение этого напряжения, поскольку оно не используется для стабилизации.

Прокол связан с деструктивной и необратимой деятельностью. Для полупроводников все по-другому — он абсолютно безвреден, если во время его возникновения не происходит перегрева кремниевой структуры.

На практике существует несколько различных типов проколов, но для нас, сейчас, этот вопрос неинтересен.

Параллельные ИОН

Схема включения двухвыводного параллельного ИОН аналогична схеме включения стабилитрона. Наряду с двухвыводными имеется ряд микросхем так называемых «регулируемых стабилитронов», в том числе и популярнейшая разработка Texas Instruments — TL431. Наличие вывода регулировки позволяет с помощью двух резисторов получить ИОН с произвольным напряжением стабилизации в диапазоне напряжений от опорного до максимально допустимого рабочего напряжения микросхемы. В некоторых трехвыводных параллельных ИОН, таких как ADR512, LT1009, третий вывод предназначен для подстройки выходного напряжения в пределах от долей процента до единиц процентов.

Опорное напряжение в микросхеме TL431 и ее многочисленных версиях измеряется между выводом Ref и анодом, а в микросхемах AMS3100, LM185(285, 385), LM4041, LM4051 — между выводом Ref и катодом. Структурные схемы этих двух вариантов «регулируемых стабилитронов» показаны на рис. 1, 2 соответственно. Такое разнообразие дает разработчику дополнительные возможности при использовании трехвыводных ИОН в качестве элемента обратной связи.

Рис. 1

Рис. 2

Микросхема TL431 чаще всего используется в качестве элемента обратной связи, управляющего светодиодом оптрона в импульсных источниках питания, но ее использование затруднительно уже в источнике питания с выходным напряжением 5 В и менее. Это затруднение можно преодолеть с помощью микросхем LT1431 (Linear Technology), MIC4043 (Micrel), TS4431, TS4436 (STMicroelectronics), имеющих выход с открытым коллектором, и микросхемы NCP100 (ONSemiconductor) с минимальным напряжением стабилизации всего 0,9 В.

Параллельные ИОН перечислены в таблице 1, а их характеристики приведены в таблице 3.

Таблица 1. Параллельные ИОН

Таблица 3. Характеристики параллельных ИОН (полная версия таблицы на сайте http://www.finestreet.ru/magazine/compitech/specification.xls)

Возможно, вам также будет интересно

Коренным образом улучшились условия получения научно-технической и справочной информации, при этом особенно важна ее достоверность и полнота. Однако в некоторых случаях широкий охват зарубежных информационных материалов сочетается с поразительным невниманием к продукции отечественных производителей. Например, российский автор Л. Белов в обзоре «Опорные генераторы», опубликованном в российском журнале «Электроника: НТБ» (2004 г., № 6, с. 38–44),

Широкие возможности построения автоматизированных систем контроля открывают компьютерные технологии фирмы National Instruments  с модулем технического зрения IMAQ Vision . Точность измерения параметров определяется состоянием оптической системы по отношению к объекту контроля , механической стабильностью объекта контроля , конвейерным перемещением объекта в поле зрения оптической системы , а также алгоритмом обработки полученного изображения . Точность измерения определяется приведенным (с учетом оптического увеличения) шагом фотоэлементов матричного фотоприемника.

На предыдущем уроке мы освоили основные приемы ручного размещения компонентов и интерактивной трассировки. Теперь рассмотрим автоматизированные инструменты размещения.

Стабилитрон на практике

Пришло время проверить на практике, как ведет себя стабилитрон и действительно ли он «стабилен». Для этого эксперимента вам понадобятся следующие элементы:

• 1 × 1N4148 диод,
• 1 × стабилитрон 3,3 В,
• 1 × микровыключатель,
• Резистор 1 × 330 Ом,
• Батарея 4 × AA,
• 1 × блок для 4 батареек АА,
• 1 × макетная плата,
• Комплект соединительных кабелей.

Соединяем элементы по простой схеме, не забудьте об обратной полярности стабилитрона. На схеме также изображен символ вольтметра — благодаря ему вы можете увидеть именно те точки, которые мы будем проверять мультиметром.

Схема для проверки свойств стабилитрона

На плате все это может выглядеть так:

Схема на макетной плате	Схема со стабилитроном

После включения питания ничего особенного не произойдет. Однако нам нужно измерить напряжение на стабилитроне, потому что это то, что нас сейчас интересует. В зависимости от состояния кнопки, на стабилитрон будет попадать немного другое напряжение, когда кнопка не нажата, весь ток течет через диод 1N4148, поэтому остальная схема питается от более низкого напряжения (0,7 В).

Кнопка не нажата — измерение при более низком напряжении

После нажатия кнопки S1 подавляющая часть тока будет проходить через кнопку (потому что этот путь для тока проще), поэтому схема будет питаться от 6 В.

Нажата кнопка — измерение при более высоком напряжении

Когда кнопка отпускается, напряжение батареи снижается примерно на 0,7 В, с помощью кремниевого диода, получается примерно на 5,3 В. В этих условиях через стабилитрон течет ток примерно 6 мА. При замыкании контактов диода микровыключателем, питание схемы увеличивается до, примерно, 6 V. Следовательно, ток, протекающий через проверяемый источник опорного напряжения, увеличивается до ~ 8 мА. Как видите, разница в измеренном напряжении на диоде довольно значительная — около 0,1 В.

Эта разница значительна для элемента, который должен был служить только для того, чтобы обеспечить нам идеально стабильное напряжение известного значения на своем выходе.

Недостатки стабилитронов

Такой большой разброс исключает эти компоненты из проектов, где нужен допуск 0,1% или даже ниже (что не так уж и редко).

Второй серьезный недостаток — температурная чувствительность. Напряжение на диоде изменяется в зависимости от температуры. Хуже того, эти вариации различаются для разных значений напряжения стабилитрона. Кроме того, они также зависят от величины протекающего тока. Обычно они составляют около 1-9 мВ / ° C.

Третий недостаток — необходимость обеспечения диода постоянной величиной протекающего через него тока. Если мы этого не обеспечим, напряжение на его выводах также будет изменяться во времени с изменениями входного напряжения. Следовательно, питание диода должно идти через резистор. Оно хоть и является самым простым в реализации, но допустимо только в тех случаях, когда мы можем согласиться с такими колебаниями.

Возможные колебания на выходе опорного напряжения

Последним существенным недостатком является необходимость обеспечения диода определенным минимальным током, протекающим через него. Обычно берется 5 мА. Это означает, что даже если вход, например, компаратора (потребляющий ничтожно малый ток) подключен к клеммам нашего диода, через диод должно протекать 5 мА и не меньше. Это очень большой недостаток для аккумуляторных схем, в них ценится каждый миллиампер.

Встроенные источники опорного напряжения

Большинство недостатков стабилитрона можно устранить за счет использования встроенных источников опорного напряжения. Некоторые из них используются аналогично стабилитронам (у них даже есть идентичный символ на схеме). Достаточно запитать их через резистор соответствующего номинала. Более продвинутые, также имеют специальный вход напряжения и несколько выходов.

Разработчики интегрированных источников опорного напряжения постарались устранить то, что больше всего беспокоит в стабилитронах, благодаря этому, им удалось получить элементы, обладающие следующими особенностями:

• небольшой разброс напряжения (± 2% или даже меньше),
• температурная зависимость намного слабее и предсказуемее,
• для работы требуется меньший ток (некоторым требуется всего 10 мкА),
• чувствительность к величине протекающего тока меньше.

Однако у этих элементов есть определенный недостаток: они изготавливаются всего на несколько номиналов напряжений. Стабилитроны в этом отношении однозначно лучше. Есть схемы в справочных источниках, которые можно регулировать (их выходное напряжение можно определить), но это уже немного другой уровень электроники.

Новичкам может показаться, что стабилитроны полностью проигрывают интегрированным источникам. Однако это предположение становится неверным, когда вы начинаете проектировать аналоговые схемы, работающие на высоких частотах (сотни мегагерц). Также в других областях электроники стабилитроны были, есть и, вероятно, будут присутствовать постоянно, не стоит их отказываться!

Нужно помнить, что мы не поляризуем интегральные источники в направлении проводимости. Производители не заявляют, каким будет их поведение. Схема может даже выйти из строя!

Примером такой схемы может быть микросхема LM385Z-2.5. Это интегрированный источник напряжения со значением 2,5 В (это значение указано в конце названия). Этот элемент закрыт в том же корпусе, что и биполярные транзисторы, но выводы разные, и задача у них тоже разная.

Встроенный источник опорного напряжения	Описание выводов LM385Z-2,5

У нас есть анод с пометкой «-», он подключен к низкому потенциалу, например к земле. Также есть катод с символом «+». Третий вывод FB — это обратная связь. С помощью этого вывода вы можете установить напряжение, отличное от 2,5 В (вам понадобится резистивный делитель — подробности об этом можно найти в документации).

Некоторые производители не делают вход FB в схемах, и этот вывод тогда не подключается.

Основные параметры LM385Z-2.5:

• допуск: ± 1% или ± 2%,
• номинальное напряжение: 2,5 В,
• минимальный ток: 10 мкА,
• максимальный ток: 20 мА.

Такой низкий минимальный ток был достигнут благодаря использованию большого количества транзисторов. Внутреннее устройство этой схемы можно просмотреть в каталоге.

Стабилитрон на 6,3 В внутри используется только для защиты схемы и не способствует стабилизации.

Внутренняя схема микросхемы LM385

Данную схему следует рассматривать только из собственного любопытства — самостоятельно собрать эту схему невозможно. Производитель использовал эффект взаимной компенсации изменения параметров под воздействием температуры. Это возможно только тогда, когда транзисторы размещены на общей кремниевой подложке и имеют схожие параметры.

Параметры транзисторов изменяются под действием температуры и протекающего через них тока. Однако вы можете использовать транзисторы с одинаковой температурой и соединить их таким образом, чтобы эти изменения вычитались друг из друга. Если, например, напряжение на одном транзисторе немного увеличится, то разница на другом тоже останется постоянной — это взаимная компенсация.

Infineon IRF1405 IRF3205 IRFB3306

Алексей Кузьминов, Москва

В статье приведены принципиальные схемы, разводка плат и фотографии двуполярного стабилизатора напряжений ±14 В с максимальным током 9.5 А на базе ОУ MC34072/MC33072 и мощных n-канальных полевых транзисторов IRF3205/IRF1405 с защитой по току, а также конструкция источника питания на их основе. Использование для питания ОУ помимо входного напряжения одного стабилизатора, еще и входного напряжения другого, то есть суммы двух входных напряжений, и стабилизация полученного напряжения простейшими микросхемами стабилизаторов 78L24/79L24, позволили кардинально снизить размах пульсаций выходного напряжения стабилизаторов до значений менее 0.5 мВ при токе 9.5 А. А простота схем, применение компонентов для поверхностного монтажа и ОУ в сверхминиатюрном корпусе привели к несложной разводке и, как результат, – к миниатюризации платы устройства, имеющей размер всего 16×40 мм.

Опорные источники для АЦП и ЦАП

Одной из самых больших проблем для разработчиков устройств с аналого-цифровыми или цифро-аналоговыми преобразователями является достижение приемлемо низкого уровня шума. Проблема становится тем более существенной, чем выше разрешающая способность преобразователя. Хотя во многих случаях достаточно 8-битных преобразователей (например многих осциллографов бюджетного класса), есть и такие, что требуют минимум 24-битной обработки. Например, фармацевтические лабораторные весы, которые, имея диапазон измерения 2,1 г, должны измерять с разрешением 0,1 мкг. В этом случае требуемое разрешение преобразователя больше 24 бит. Для достижения такого требуется сигнальная цепочка со сверхнизким уровнем шума.

Основы работы источника тока с двумя операционными усилителями

Чтобы проанализировать источник тока на двух операционных усилителях, мы будем использовать его реализацию в LTspice.

Рисунок 5 – Источник тока на двух операционных усилителях. Схема LTspice

Здесь я использую «идеальный однополюсный операционный усилитель» из LTspice. Сначала я попробовал это с OP-77, но симуляция не прошла должным образом. Возможно, возникла проблема с макромоделью OP-77, потому что у меня есть другая версия схемы, в которой используется операционный усилитель LT1001A, и она моделируется правильно.

Схемы источника постоянного тока обычно полагаются на некоторый тип обратной связи, который заставляет источник напряжения вырабатывать заданный ток независимо от сопротивления нагрузки (простой пример этого вы можете увидеть в управляемом напряжением светодиодном драйвере).

В источнике тока с двумя операционными усилителями U1 усиливает дифференциальное управляющее напряжение, а U2 сконфигурирован как повторитель напряжения, который измеряет напряжение на нагрузке и подает его обратно на входной каскад.

Показанная выше конфигурация источников напряжения создает дифференциальное входное напряжение, которое изменяется от +250 мВ до –250 мВ. Согласно уравнению, приведенному в примечании к применению, выходной ток должен изменяться от 2,5 мА до –2,5 мА, поскольку AV = 1 и R1 = 100 Ом, и это именно то, что мы наблюдаем:

Рисунок 6 – Зависимость выходного тока от входного дифференциального напряжения

Одна вещь, на которую вам нужно обратить внимание в этой схеме, – это выходное напряжение U1. Весь ток нагрузки исходит от U1

Если пренебречь очень небольшими токами, которые протекают через резистор обратной связи R4 и на неинвертирующий вход U2, напряжение на выходе U1 будет равно Iвых, умноженному на сумму сопротивления нагрузки и сопротивления R1.

\(V_{вых,U1}\approx \left(R_{нагр}+R1\right)I_{вых}\)

Это напряжение может легко превысить то, что фактически может генерировать выходной каскад операционного усилителя, особенно если вы используете шины ±3 В или ±5 В, а не аналоговые напряжения питания ±12 В или ±15 В, которые, как я полагаю, раньше были более распространены.

Из-за этого ограничения я бы сказал, что источник тока с двумя операционными усилителями является подходящим выбором для приложений с низким сопротивлением нагрузки и/или небольшими выходными токами.