Źródło napięcia odniesienia – czy faktycznie jest to źródło napięcia?

Źródła napięcia odniesienia, bo o nich mowa, mają na celu dostarczenie do układu pomiarowego, jak sama nazwa wskazuje, napięcia o ściśle określonej, stabilnej wartości, która może służyć za „punkt odniesienia” do wykonywania pomiarów. Każdy pomiar polega na porównaniu mierzonej wielkości z pewnym odniesieniem – jeżeli budujesz cyfrowy woltomierz, układ pomiarowy musi „wiedzieć”, czy napięcie jest niższe, czy też wyższe od napięcia odniesienia i – jeżeli tak – to o ile? Doskonałym przykładem będzie prosty termostat. Załóżmy, że budujesz układ, którego zadaniem jest załączanie grzałki w momencie, gdy temperatura (mierzona np. termistorem) spadnie poniżej pewnego, określonego progu. Aby termostat zawsze załączał wyjście dokładnie przy tej samej temperaturze, konieczne jest porównanie napięcia panującego na wejściu układu (np. wyjściu dzielnika, złożonego z termistora i precyzyjnego rezystora szeregowego) z napięciem odniesienia (bądź jakąś jego częścią, również uzyskaną za pomocą dzielnika, np. potencjometru). Już w tym momencie intuicyjnie czujesz, że dokładność i stabilność źródła napięcia odniesienia będzie bezpośrednio wpływała na jakość wykonywanych pomiarów.

Co bardzo ważne, żadne źródło napięcia odniesienia nie generuje tegoż napięcia samoistnie, tj. nie dostarcza energii do układu – wszystkie takie elementy i układy scalone muszą otrzymać zasilanie z zewnątrz (np. z baterii lub zasilacza), by mogły „wykroić” z niego odpowiednią jego część. Dobre źródło napięcia odniesienia utrzymuje zadaną wartość praktycznie niezależnie od wahań napięcia zasilającego – dlatego możemy odnosić wyniki pomiarów do tej wiarygodnej, niezmiennej wartości.

Podstawowa metoda stabilizacji napięcia – diody Zenera zwykłe i programowalne

Historycznie jedną z najważniejszych metod stabilizacji zasilania były układy wyposażone w diodę Zenera. Jak wiesz, ten rodzaj diody włączony w kierunku zaporowym i zasilony przez szeregowy rezystor będzie próbował utrzymać określone przez producenta napięcie (w przybliżeniu) niezależnie od wartości prądu, płynącego przez diodę. W rzeczywistości metoda ta jest obarczona sporym błędem, gdyż napięcie zaporowe diody Zenera zmienia się (i to dość istotnie, jak na ten rodzaj zastosowania) wraz ze zmianą prądu – dlatego też proste dzielniki napięcia z diodą Zenera są chętnie zastępowane dzielnikami z tzw. regulowanymi diodami Zenera. W roli prostej „Zenerki” występuje tutaj układ scalony, który zapewnia znacznie lepszy poziom stabilizacji – przykładem takiego układu jest popularny TL431. Dodatkową zaletą jest możliwość ustalania napięcia takiego źródła za pomocą dodatkowej, trzeciej końcówki (oznaczanej ADJ, od angielskiego wyrazu adjust), podłączonej do dzielnika rezystancyjnego. Popularna seria LM385Z pozwala na budowę dzielników o stałym napięciu wyjściowym, jednak w tym przypadku oznaczenie umieszczone za literą „Z” w nazwie układu określa napięcie pracy – np. w przypadku LM385Z-2.5 będzie to dokładnie 2,5 V.

Scalone źródła napięcia odniesienia

Przedstawiony wyżej sposób uzyskiwania napięcia odniesienia jest chętnie stosowany do dziś, jednak jest on obarczony pewnymi wadami. Jedną z najistotniejszych jest zależność napięcia wyjściowego od prądu obciążenia i wartości napięcia zasilającego. Choć wpływ tych parametrów na pracę źródła jest znacznie niższy, niż w zwykłych diodach Zenera, jednak nadal istotny w nieco bardziej wymagających układach. Dlatego właśnie na rynku pojawiły się scalone źródła napięcia odniesienia o różnej dokładności i parametrach. Do budowy układów wyższej klasy elektronicy wybierają doskonałe źródła zapewniające stabilne i „czyste” napięcie wyjściowe. Przykładem jest seria układów REF01..03. Te doskonałe i bardzo precyzyjne układy scalone dostarczają napięcia o ściśle określonej wartości. Jest ona ustalana dla każdego egzemplarza za pomocą lasera służącego do indywidualnego „wypalania” pewnych fragmentów struktury krzemowej na etapie produkcji. Do pracy układu wystarczy doprowadzić zasilanie – bezpośrednio do nóżek „scalaka”, bez szeregowego rezystora. Ale czym oprócz 10, a nawet 20-krotnie wyższej ceny i prostszej aplikacji układowej różnią się te źródła napięcia odniesienia od przedstawionych wcześniej regulowanych diod Zenera? Aby odpowiedzieć na to pytanie, przedstawimy kilka najważniejszych parametrów źródeł stosowanych w codziennej praktyce.

Parametry źródeł napięcia odniesienia

Napięcie wyjściowe – ten parametr omówiliśmy już wcześniej. Powiedzmy zatem tylko, że w zdecydowanej większości przypadków źródła napięcia odniesienia mają już wstępnie, fabrycznie określoną nominalną wartość napięcia, jedynie niektóre rodzaje układów (np. wspomniana już regulowana dioda Zenera TL431) pozwalają na jego dostosowanie do potrzeb układu.

Tolerancja napięcia wyjściowego – określany w procentach rozrzut wartości napięcia względem zadeklarowanej dla danego układu wartości nominalnej. Im mniejsza tolerancja, tym dokładniejsza jest wartość napięcia na wyjściu układu.

Stabilność temperaturowa – każdy układ elektroniczny zmienia swoje właściwości (często diametralnie) pod wpływem zmian temperatury. Szczególnie wrażliwe na warunki otoczenia są układy półprzewodnikowe. Dlatego właśnie najlepsze dostępne źródła napięcia odniesienia są tak projektowane, aby samoczynnie kompensowały zmiany parametrów (w tym przypadku przede wszystkim napięcia wyjściowego) wraz ze wzrostem lub spadkiem temperatury. Wielkość ta jest podawana w procentach lub częściach na milion (ppm) w przeliczeniu na stopień Celsjusza. Przykładowo, wspomniany układ REF01 oferuje stabilność temperaturową równą 8,5 ppm/oC, co oznacza, że przy zmianie temperatury o 1oC napięcie zmieni się o 0,0000085 (czyli 0,00085%) swojej wartości. Doskonały wynik, prawda?

Regulacja w funkcji napięcia zasilania (ang. line regulation) – jest to zdolność układu do kompensowania zmian wartości napięcia zasilania. Im niższa wartość, tym lepiej układ radzi sobie w zmiennych warunkach (czyli słabiej reaguje na zmiany napięcia zasilającego).

Regulacja w funkcji prądu obciążenia (ang. load regulation) – miara zdolności układu do utrzymywania stabilnego napięcia wyjściowego przy zmianach prądu pobieranego z wyjścia. Parametr ten jest zazwyczaj znacznie wyższy dla scalonych źródeł napięcia odniesienia, niż dla regulowanych diod Zenera, co wiąże się z inną konstrukcją stopnia wyjściowego takich układów.

Poziom szumów (ang. noise level) – szum w elektronice to niewielkie, losowe zmiany napięcia, następujące w relatywnie szerokim paśmie częstotliwości. Pojęcie to znasz na pewno z techniki audio i nagrań dźwiękowych – wiesz doskonale, że im niższy poziom szumu, tym czystsze brzmienie muzyki lub innego dźwięku odtwarzanego za pomocą słuchawek czy głośników. W elektronice pomiarowej szum także ma często bardzo duże znaczenie, im niższy – tym lepiej. Najlepsze źródła napięcia odniesienia zapewniają bardzo niski poziom szumów, wyrażony najczęściej w mikrowoltach.