Źródła napięcia odniesienia

Rys. 1. Źródło napięcia wzorcowego w konfiguracji typu shunt

Źródła napięcia referencyjnego występują zwykle w jednej z dwóch konfiguracji: typu shunt lub szeregowej. Te pierwsze są elementami dwuzaciskowymi, łączonymi równoległe z obciążeniem. Jeden pin takiego układu połączony jest z masą, natomiast drugi z zewnętrznym rezystorem, który jest również połączony z zasilaniem (rys. 1).

Układy tego typu pracują jak źródła prądowe sterowane napięciowo. Celem regulacji jest uzyskanie takiego natężenia prądu źródła, przy którym różnica napięcia zasilania i napięcia na rezystorze R1 osiągnie wymaganą wartość napięcia wzorcowego. Bez obciążenia wyraża to zależność UREF = UZAS - IREF·R1. Jeżeli zatem UZAS = 5 V, a napięcie wzorcowe ma wynieść UREF = 4 V, prąd źródła powinien mieć natężenie, przy którym spadek napięcia na rezystorze R1 wyniesie 1 V.

Po dołączeniu obciążenia natężenie prądu IREF nie jest już równe natężeniu prądu IR1. Celem regulacji jest wówczas zapewnienie stałej sumy prądu obciążenia i prądu źródła (IREF + IOBC = IR1). Uzyskuje się to przez zmianę natężenia prądu źródła w kierunku przeciwnym do zmiany prądu obciążenia. Ważną kwestią w projektowaniu źródeł tego typu jest wybór wartości rezystancji opornika R1.

Zaleca się, by zawierała się ona w przedziale od wartości określonej zależnością: (UWEMAX - UREFMIN))/ (IREFMAX +IOBCMIN) do wartości: (UWEMIN - UREFMAX))/(IREFMIN + IOBCMAX)). Źródła napięcia referencyjnego drugiego typu to komponenty trzyzaciskowe, łączone z obciążeniem jak na rysunku 2.

Układy tego typu wykorzystują rezystancję sterowaną napięciowo umieszczoną między zaciskiem UWE i UWY. Regulacja polega na zmianie wartości rezystancji tego opornika w taki sposób, aby różnica UWE i spadku napięcia na tym rezystorze osiągnęła wymaganą wartość napięcia wzorcowego.

Aby utrzymać stały spadek napięcia między wejściem i wyjściem układu, wartość tej rezystancji musi maleć wraz ze wzrostem prądu obciążenia. W razie braku tego ostatniego pobierany jest niewielki prąd upływu.

Parametry

Rys. 2. Źródło napięcia wzorcowego w konfiguracji szeregowej

Idealne źródło powinno zapewniać stałe napięcie, niezależnie od obciążenia, temperatury oraz opływu czasu. W praktyce napięcie może się zmieniać w pewnym przedziale wartości określanym przez dokładność źródła. Parametr ten wyrażą się m.in. w procentach. Jest on wówczas użyteczny przy porównywaniu różnych modeli źródeł napięcia, chociaż nie dostarcza konkretnej informacji o zakresie wahań napięcia wzorcowego.

To ostatnie lepiej wyraża wartość w woltach wyznaczona jako iloczyn wartości nominalnej napięcia i dokładności w procentach. Przykładowo jeżeli to ostatnie wynosi ±1,5%, a napięcie wzorcowe ma wartość 3,5 V, odchylenie wyniesie ±0,0525 V, czyli łącznie 105 mV. W rezultacie napięcie wzorcowe zmieniać się może w zakresie od 3,4475 V do 3,5525 V.

Ważnym parametrem źródeł napięcia odniesienia jest również dokładność początkowa, podawana zwykle dla temperatury pokojowej. Wartość tego wskaźnika jest odniesieniem dla innych parametrów. Kolejny przydatny wskaźnik to współczynnik temperaturowy, który określa odchylenie wartości napięcia wyjściowego źródła spowodowane zmianą temperatury.

W związku z tym, że charakteryzuje on niewielką zmianę napięcia, wyrażany jest zwykle w jednostce ppm. W zależności od struktury i technologii produkcji obwodu zmiana ta może być dodatnia (wzrost napięcia wraz ze wzrostem temperatury) lub ujemna. Na ten parametr szczególną uwagę powinni zwrócić zwłaszcza konstruktorzy elektroniki samochodowej oraz urządzeń wojskowych.

W kartach katalogowych zamieszczane są również wartości takich parametrów, jak histereza temperaturowa, stabilność długoterminowa (zwykle wyrażana w ppm/1000 godzin), współczynnik zmienności napięcia pod wpływem wahań napięcia zasilania określany w ppm/V (line regulation) oraz współczynnik zmienności napięcia w wyniku zmiany prądu obciążenia wyrażany w %/mA (load regulation).

Ważnym parametrem jest też czas załączenia źródła (turn-on settling time). Określa on czas, po którym ustala się oczekiwana wartość napięcia wzorcowego. Zwykle opóźnienie to nie przekracza kilkudziesięciu µs. Przez ten czas nie należy, w zależności od funkcjonalności urządzenia, w którym używane jest dane źródło, na przykład dokonywać odczytu danych lub kalibracji.

Wybór źródła

Jeżeli wymagana jest bardzo duża dokładność oraz mały współczynnik temperaturowy, lepiej wybrać źródło napięcia wzorcowego w konfiguracji szeregowej. Ten typ źródeł ogólnie charakteryzuje się też mniejszym poborem prądu. Ponadto także w wypadku spodziewanej dużej zmienności napięcia zasilania oraz prądu obciążenia w wypadku źródeł typu shunt można się spodziewać większych strat mocy niż w wypadku obwodu szeregowego.

W aplikacjach zasilanych napięciem powyżej kilkudziesięciu V źródło typu shunt może być z kolei jedyną możliwością, dzięki temu, że większość napięcia odkłada się w tym wypadku na zewnętrznym rezystorze. Ten rodzaj konstrukcji zaleca się również do budowy źródeł napięcia ujemnego oraz ograniczników napięcia.

Monika Jaworowska