В наших статьях по электронике, мы еще ни разу не затронули тему получения стабильного напряжения. Конечно, этого можно добиться, например, линейным стабилизатором, но как узнать точно, что на выходе постоянное напряжение?
Ключевыми элементами здесь являются источники опорного напряжения, которые часто упускаются из виду любителями электроники при ее изучении.
Что такое стабильное напряжение?
Задачу в целом сформулировать просто — у нас есть напряжение, которое изменяется в заданных пределах. Напряжение должно быть ниже постоянного значения. Чем меньше влияние изменения входного напряжения на выходное, тем лучше.
Отличие рассмотренных ранее линейных стабилизаторов, которые выдерживают ток даже в несколько ампер, от источников опорного напряжения состоит в том, что их следует брать не более нескольких десятков миллиампер. Такой источник может «стать», например, стабилизатором или лабораторным блоком питания, но только после включения в него соответствующих схем.
Польза от справочных источников
Полученное напряжение можно использовать хотя бы для нужд компаратора напряжения. Мы сравниваем напряжение (например, аналогового датчика) с другим, точно установленным тогда, когда мы уверены, что порог переключения находится на привычном и неизменном уровне.
Более того, для стабилизации напряжения нужны источники напряжения, то есть всевозможные источники питания, в том числе регулируемые. Каждый из них должен содержать встроенный опорный источник, к которому он сможет соотнести текущее значение напряжения на своем выходе. Еще одно применение — для различных измерений. Каждый замер должен быть оснащен источником, который (аналогично стабилизированному источнику питания) сравнивает напряжение, подаваемое на его вход, и преобразует его в реальное значение.
| Любая другая величина (ток, сопротивление) также преобразуется в напряжение и измеряется таким же образом. Так что точность окончательных измерений зависит от точности этого источника! |
Инженеры-электрики во всем мире борются с этой проблемой, потому что решить ее не так уж и просто. Особенно, если готовое устройство должно быть маленьким, легким и дешевым. На протяжении многих лет использовались различные изобретения. В этой статье мы рассмотрим два элемента, которые сохранились до наших дней и очень популярны — стабилитрон и встроенный источник опорного напряжения. Однако прежде чем продолжить, убедитесь, что вы прочитали материал по выпрямительным диодам из нашей статьи опубликованной ранее.
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.
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 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. |
Недостатки стабилитронов
Стабилитроны небольшие по размеру и недорогие по цене, но у них много недостатков. Во-первых, они производятся с разбросом в вольтаже ± 5%. Это означает, что диод с номинальным напряжением 3,3 В на самом деле может быть от 3,135 В до 3,465 В.
| 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.
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.
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.
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).
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.
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. |
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. |
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.
Интегрированный источник на практике
Пришло время проверить, как этот источник обрабатывает изменение входного напряжения. В предыдущей схеме достаточно заменить стабилитрон на LM385Z-2.5. При такой замене помните, что средний контакт является катодом, а два других контакта закорочены и рассматриваются как анод.
На практике все это может выглядеть так (при построении этой схемы необходимо обращать внимание на нумерацию и описание выводов встроенного источника опорного напряжения!):
 |
 |
| Источник опорного напряжения на практике | Схема на макетной плате |
После запуска схемы вы можете проверить стабильность полученного источника:
Когда кнопка отпускается, напряжение батареи снижается примерно на 0,7 В, с помощью кремниевого диода, примерно, на 5,3 В. В этих условиях через встроенный источник проходит примерно 8,5 мА. В свою очередь, кнопка после контакта кремниевого диода закорочена и схема питания увеличивается до 6 V. Следовательно, ток, протекающий через проверенный источник опорного напряжения, увеличивается примерно до 10,5 мА.
Изменение тока и напряжения не влияет на показания вольтметра, значит схема работает правильно. В результате использования встроенного источника опорного напряжения мы получили постоянное напряжение.
Где и когда это пригодится?
Мы уже знаем, как работают источники опорного напряжения, но каковы их практические применения? Лучшим примером этого являются стабилизированные блоки питания. Напряжение на их выходе постоянно как при изменении напряжения питания (например, от сети или аккумулятора), так и при изменении потребления тока. В их блок-схеме есть несколько компонентов:
Выходное напряжение постоянно контролируется схемой, называемой усилителем ошибки. Пока мы не будем вдаваться в подробности, предположим, что его задача — управлять своим выходом так, чтобы напряжения на обоих его входах были одинаковыми. Выход управляет исполнительным элементом — чаще всего это транзистор большой мощности (или набор транзисторов).
Источник опорного напряжения дает информацию усилителю ошибки в виде стабильного и неизменного напряжения, которое он может постоянно отслеживать. Резисторы R1 и R2 направляют выходное напряжение на усилитель ошибки (да, это делитель напряжения), и он должен быть достаточно гибким, чтобы два значения, которые идут к нему, были равны друг другу.
| Усилитель ошибки влияет только на то, что ток возвращается с выхода через резисторы. |
Источники опорного напряжения можно сравнить с уровнем, используемым при строительстве дома. Если он надежный, с его помощью можно сделать прямые стены. Если в нем не установлены вертикальный и горизонтальный уровни, возвести прямо стоящее здание будет невозможно. Что касается источника опорного напряжения: если он правильный, то нам удастся получить стабильное напряжение; в противном случае наше устройство не будет работать должным образом.
Вывод
Необходимость получения стабильного напряжения очень важна в аналоговой электронике. Без него было бы невозможно, например, построить стабилизированные блоки питания. Мы думаем, что экспериментально нам удалось доказать, что одни элементы подходят для этой цели лучше, чем другие. Источники опорного напряжения могут вам и не понадобиться, но их определенно стоит знать, чтобы лучше разобраться в некоторых вопросах.
В следующей статье мы поговорим о преобразователях, то есть об элементах, позволяющих понижать и повышать напряжение! Кроме того, эти элементы позволяют компенсировать потери, которые возникли бы, если бы в аналогичной ситуации использовался традиционный линейный стабилизатор.
С Уважением, МониторБанк