Czy zdarzyło Wam się kiedyś potrzebować spolaryzować jakiś układ niskim prądem, ale nie chcieliście dodawać do układu kolejnego stabilizatora napięcia? Albo też potrzebowaliście napięcia o precyzji większej niż możliwa do osiągnięcia z pomocą np. dzielnika napięcia? Przez wiele lat, w takiej sytuacji implementowano chętnie diody Zenera. Ten element, w układzie, jaki pokazano na rysunku 1 doskonale sprawdza się, jako prosty stabilizator napięcia. Diodę Zenera uzupełnić wystarczy pojedynczym opornikiem, jak pokazano na schemacie i już na wyjściu uświadczymy takiego napięcia, jakie wynika z parametrów diody Zenera.
Rys.1. Schemat prostego stabilizatora na pojedynczej diodzie Zenera.
Z porządną diodą Zenera, układ pokazany powyżej działa bardzo dobrze. Problem pojawia się jednakże wtedy, gdy wczytamy się w informacje w karcie katalogowej. Okazuje się na przykład, że aby na wyjściu układu stabilne było napięcie Zenera (Vz), to przez diodę płynąć musi duży prąd, rzędu kilku miliamperów. Aby układ zapewniał odpowiednią precyzję, opornik musi być tak dobrany, by zapewnić, iż prąd polaryzacji w kierunku zaporowym diody będzie w zakresie parametrów podanych w karcie katalogowej. Jak widać na wykresie na rysunku 2, prąd ten może wynosić nawet do 5 mA, szczególnie dla tańszych, niekompensowanych termicznie diod Zenera.
Rys.2. Wykres I/V diody Zenera z oznaczonym prądem zaporowym, jaki musi płynąć by dioda działała precyzyjnie.
Prawa Ohma i Joula dyktują, jaki będzie poziom strat cieplnych na oporniku, co oczywiście zwiększa całkowite straty energii w systemie oraz zwiększa jego temperaturę. Na przykład, gdy z napięcia 12 V stabilizujemy napięcie 2,5 V, to do polaryzacji diody Zenera dobieramy opornik o rezystancji 1,9 kΩ, by zachować prąd diody na poziomie 5 mA. W takiej sytuacji na oporniku wydzielane będzie 47 mW mocy. Przy napięciu 24 V straty wyniosą natomiast już ponad 100 mW.
Napięcie odniesienia oparte o przerwę energetyczną zapewnia taką samą funkcjonalność jak dioda Zenera, jednakże potrzebuje istotnie mniej prądu, by zapewnić precyzyjną stabilizację napięcia. W przypadku diody Zenera, do stabilizacji wykorzystywane jest złącze PN, a dokładniej mówiąc charakterystyczne dla danego złącza napięcie przebicia. Z kolei w przypadku opisywanego układu opartego o przerwę energetyczną, do stabilizacji napięcia wykorzystywane jest złącze PN o dodatnim współczynniku temperaturowym, które sprzęgnięte jest z tranzystorem o ujemnym współczynniku termicznym. Dzięki temu układ ten jest niewrażliwy na temperaturę.
Koncepcja tego rodzaju źródła napięcia odniesienia wymyślona została w latach '70 XX wieku przez Roberta Widlara, gdy projektował on pierwsze scalone układy mocy. Tego rodzaju napięcia odniesienia stosuje się często z uwagi na ich precyzję (istotnie poniżej 1%) oraz stabilność tak temperaturową, jak i czasową. Obecnie jednak postępy w technologii półprzewodnikowej sprawiają, że stosuje się je w coraz szerszej ilości aplikacji.
Źródła o niższej cenie i niższej precyzji, na poziomie 1..2%, stosowane są obecnie w miejscach, gdzie jeszcze do niedawna wykorzystywało się diody Zenera lub scalone stabilizatory napięcia. Wykorzystanie tego rodzaju elementu zamiast diody Zenera sprowadza się do prostoty aplikacji oraz poprawy jej wydajności energetycznej.
Jak pokazano na rysunku 3, napięcie ze źródła odniesienia osiąga swoją zadaną wartość już przy prądzie 50 mikroamperów. Pokazana na rysunku 3 charakterystyka pochodzi z karty katalogowej LM4040 od Texas Instruments i pokazuje zachowanie się układu przy 25°C. W karcie katalogowej znajdziemy informacje o tym, jak dobrze stabilizuje napięcie opisany układ dla prądów tak niskich, jak 100 µA i to dla bardzo szerokiego zakresu temperatur - od -40°C do 125°C (dla układu w wersji Q, tj. z rozszerzonym zakresem temperatur pracy; normalny układ pracuje poprawnie w zakresie od -40°C do 85°C). Istnieją źródła napięcia odniesienia, które zdolne są pracować przy jeszcze niższym prądzie, na przykład ATL431 czy LM385.
Rys.3. Opis źródła napięcia odniesienia 2,5 V LM4040 od Texas Instruments.
Wracając do przykładu systemu zasilanego 12 V, widzimy, że przy prądzie Iz 75 µA zamiast 5 mA, wykorzystać możemy opornik o rezystancji 126 kΩ, dostając tak samo (albo i bardziej) precyzyjne napięcie na wyjściu układu. Jednocześnie straty termiczne w takim systemie wyniosą poniżej 1 mW, zamiast 47 mW, o których mówiliśmy wcześniej, w przypadku diody Zenera. Oczywiście obliczenia te zawierają jedynie prąd pobierany przez źródła napięcia odniesienia. Jeśli chcemy, by prąd był z układu pobierany przez kolejne, dalsze urządzenia, musimy koniecznie uwzględnić go podczas dobierania opornika.
Jak pokazano na rysunku 4, do obliczenia opornika Rs wystarczy skorzystać z prostego zestawu wzorów. Ir - Iz + Iload, więc R = (Vs-Vz)/Ir. Oczywiście ustala to jedynie maksymalny prąd płynący przez system, dlatego też obliczając opór, musimy pracować z maksymalnym, założonym obciążeniem oraz uwzględnić tolerancje wszystkich elementów użytych w systemie.
Rys.4. Sposób obliczania wartości rezystancji Rs, który uwzględnia skrajne warunki i zapewnia minimalny prąd Iz.
Wykorzystanie napięcia odniesienia o szerokiej tolerancji, takiego jak LM4040, z łatwością można zrealizować układ stabilizacji napięcia, o wiele lepszy niż większość scalonych stabilizatorów napięcia i o wiele od nich tańszy, porównywalnie z kosztami wykorzystania diody Zenera. Dodatkowo, elementy te dostępne są w miniaturowych obudowach, takich jak SC70, co pozwala na zmniejszenie wielkości układu.
Dodatkowo, warto wskazać, że tego rodzaju źródła napięcia odniesienia są w stanie pracować z dużo większym zakresem napięć wejściowych - układ taki działa niezależnie od napięcia wejściowego, liczy się jedynie prąd, jaki przez nie płynie.
Na rysunku 5 przedstawiono przykładową implementację LM4040 do stabilizacji napięcia 5 V z wejścia od 22 V do 25 V, by zasilić kontroler interfejsu USB, który potrzebuje nie więcej niż 100 µA prądu. Do układu dobrany został opornik, uwzględniając prąd stabilizatora i prąd pobierany przez obciażenie W tym układzie wykorzystano LM4040-N, czyli wersję E o dokładności 2%. Jak widzimy, układ ten jest bardzo prosty i niezwykle mały, szczególnie przy wykorzystaniu oporników w obudowach 0402.
Rys.5. Napięcie odniesienia LM4040 wykorzystywane do stabilizacji napięcia 5 V.
W momencie, gdy w układzie potrzebujemy większego prądu, rezystor bocznikowy musi być większy, aby rozproszyć straty cieplne spowodowane spadkiem napięcia. Maksymalny prąd płynący z większość układów napięć odniesienia jest na poziomie 10 mA do 30 mA, co ogranicza zastosowania tego rodzaju układów.
W przypadku zapewnienia możliwości poboru wyższego prądu można użyć tego samego napięcia odniesienia z rezystorem polaryzującym wraz z dodatkowym tranzystorem, aby zapewnić niezbędny spadek napięcia wejściowego do wyjściowego. Tranzystor FET z kanałem typu P, sterowany bezpośrednio z napięcia odniesienia, może dostarczać znacznie większy prąd, jednak napięcie wyjściowe (Vout) będzie zmieniać się wraz z prądem obciążenia zgodnie z wartością rezystancji kanału tranzystora RDS(on).
Di takiego układu dodać możemy wzmacniacza błędu (pojedynczy wzmacniacz operacyjny działa dobrze); obwód pokazany na rysunku 6 mierzy napięcie Vout i porównuje je z napięciem odniesienia, aby zapewnić dobrze stabilizowane napięcie wyjściowe, niezależne od różnych zmian prądu obciążenia i temperatury układu.
Rys.6. Napięcie odniesienia znajdziemy w sercu każdego stabilizatora napięcia.
Usunięcie opornika R2 i zwarcie R1 w układzie pokazanym na rysunku 6 sprawi, że na wyjściu układu znajdzie się stabilizowane napięcie równe napięciu odniesienia. Dzielnik napięcia złożony z R1 i R2 służy do regulacji napięcia wyjściowego, względem napięcia odniesienia (z założeniem, że jest ono mniejsze lub równe niż samo napięcie odniesienia).
Napięcie odniesienia jest w sercu każdego scalonego stabilizatora napięcia. Można zastanowić się, że skoro tak łatwo jest samodzielnie zestawić liniowy stabilizator napięcia, to dlaczego warto używać scalonego elementu? Jednym z powodów jest integracja w takim układzie m.in. także obwodów do monitorowania poziomu prądu, zabezpieczenie termiczne i inne systemy bezpieczeństwa. Oczywiście, tego rodzaju obwody dodać można także w naszym układzie w postaci dyskretnych systemów, ale to mija się już z celem, gdyż układ taki będzie większy i droższy niż dedykowany, scalony stabilizator napięcia.
Tak czy inaczej, następnym razem, jeżeli w swoim systemie potrzebujecie niewielkiego źródła stabilizowanego napięcia, rozważcie zastosowanie prostego źródła napięcia odniesienia zamiast scalonego stabilizatora liniowego.
Z drugiej strony, gdy zdecydujemy się na wykorzystanie stabilizatora liniowego, to skorzystać możemy z faktu, że i w tym zakresie postęp technologiczny zrobił swoje i powstały nowe układy o lepszych parametrach. Weźmy za przykład rodzinę układów TLV702 od TI, pokazaną na rysunku 7. Układy te stabilizują rozmaite napięcia z napięcia do 5,5 V; oferują szeroki wybór napięć wyjściowych, wyposażone są w pin wyłączający i dostępne są w bardzo kompaktowych obudowach.
Rys.7. Rodzina stabilizatorów napięcia TLV70 jest kolejną ekonomiczną alternatywą dla opartych o diodę Zenera układów.
Jeśli chodzi o stabilizatory impulsowe, to przemysł odnotował również znaczny postęp w rozwiązaniach zarówno nisko-, jak i wysokoprądowych. Znaczny postęp nastąpił w przypadku samodzielnych modułów stabilizatorów, które zawierają wszystkie niezbędne elementy magnetyczne i są bardzo przydatne do tworzenia szyn zasilania niskiego napięcia. Te niewielkie moduły mają także zaletę w postaci niższego EMI w porównaniu do tradycyjnych rozwiązań dyskretnych, głównie wynikające ze ścieżek o niższej impedancji pomiędzy szybkimi kluczami przełączającymi. Ostatnio tego rodzaju moduły zyskały dużą popularność w lokalnej stabilizacji liniach zasilania itp.
Przykładem tego rodzaju układów może być miniaturowa przetwornica typu buck TP8208x o wymiarach zaledwie 3 mm x 2,8 mm, która może dostarczać do 3 A. Dla napięć do wejściowych 36 V doskonale nadaje się z kolei moduł LMZM23601 - to niewielka (3,8 mm x 3 mm) przetwornica impulsowa z prądem wyjściowym do 1 A.
Wybór odpowiedniego rozwiązania zasilania w systemie zależy od wielu niuansów konkretnej aplikacji, wymagań co do ceny etc. Obecnie dostępnych jest wiele alternatywnych rozwiązań, co znacznie ułatwia wybranie takiego, które najlepiej sprawdzi się w danym konkretnym urządzeniu. Każdy z rodzajów stabilizatorów ma swoje wady i zalety.
Źródło: http://e2e.ti.com/blogs_/b/powerhouse/archive/2018/12/03/how-to-use-a-voltage-reference-as-a-voltage-regulator
Rys.1. Schemat prostego stabilizatora na pojedynczej diodzie Zenera.
Z porządną diodą Zenera, układ pokazany powyżej działa bardzo dobrze. Problem pojawia się jednakże wtedy, gdy wczytamy się w informacje w karcie katalogowej. Okazuje się na przykład, że aby na wyjściu układu stabilne było napięcie Zenera (Vz), to przez diodę płynąć musi duży prąd, rzędu kilku miliamperów. Aby układ zapewniał odpowiednią precyzję, opornik musi być tak dobrany, by zapewnić, iż prąd polaryzacji w kierunku zaporowym diody będzie w zakresie parametrów podanych w karcie katalogowej. Jak widać na wykresie na rysunku 2, prąd ten może wynosić nawet do 5 mA, szczególnie dla tańszych, niekompensowanych termicznie diod Zenera.
Rys.2. Wykres I/V diody Zenera z oznaczonym prądem zaporowym, jaki musi płynąć by dioda działała precyzyjnie.
Prawa Ohma i Joula dyktują, jaki będzie poziom strat cieplnych na oporniku, co oczywiście zwiększa całkowite straty energii w systemie oraz zwiększa jego temperaturę. Na przykład, gdy z napięcia 12 V stabilizujemy napięcie 2,5 V, to do polaryzacji diody Zenera dobieramy opornik o rezystancji 1,9 kΩ, by zachować prąd diody na poziomie 5 mA. W takiej sytuacji na oporniku wydzielane będzie 47 mW mocy. Przy napięciu 24 V straty wyniosą natomiast już ponad 100 mW.
Napięcie odniesienia oparte o przerwę energetyczną zapewnia taką samą funkcjonalność jak dioda Zenera, jednakże potrzebuje istotnie mniej prądu, by zapewnić precyzyjną stabilizację napięcia. W przypadku diody Zenera, do stabilizacji wykorzystywane jest złącze PN, a dokładniej mówiąc charakterystyczne dla danego złącza napięcie przebicia. Z kolei w przypadku opisywanego układu opartego o przerwę energetyczną, do stabilizacji napięcia wykorzystywane jest złącze PN o dodatnim współczynniku temperaturowym, które sprzęgnięte jest z tranzystorem o ujemnym współczynniku termicznym. Dzięki temu układ ten jest niewrażliwy na temperaturę.
Koncepcja tego rodzaju źródła napięcia odniesienia wymyślona została w latach '70 XX wieku przez Roberta Widlara, gdy projektował on pierwsze scalone układy mocy. Tego rodzaju napięcia odniesienia stosuje się często z uwagi na ich precyzję (istotnie poniżej 1%) oraz stabilność tak temperaturową, jak i czasową. Obecnie jednak postępy w technologii półprzewodnikowej sprawiają, że stosuje się je w coraz szerszej ilości aplikacji.
Źródła o niższej cenie i niższej precyzji, na poziomie 1..2%, stosowane są obecnie w miejscach, gdzie jeszcze do niedawna wykorzystywało się diody Zenera lub scalone stabilizatory napięcia. Wykorzystanie tego rodzaju elementu zamiast diody Zenera sprowadza się do prostoty aplikacji oraz poprawy jej wydajności energetycznej.
Jak pokazano na rysunku 3, napięcie ze źródła odniesienia osiąga swoją zadaną wartość już przy prądzie 50 mikroamperów. Pokazana na rysunku 3 charakterystyka pochodzi z karty katalogowej LM4040 od Texas Instruments i pokazuje zachowanie się układu przy 25°C. W karcie katalogowej znajdziemy informacje o tym, jak dobrze stabilizuje napięcie opisany układ dla prądów tak niskich, jak 100 µA i to dla bardzo szerokiego zakresu temperatur - od -40°C do 125°C (dla układu w wersji Q, tj. z rozszerzonym zakresem temperatur pracy; normalny układ pracuje poprawnie w zakresie od -40°C do 85°C). Istnieją źródła napięcia odniesienia, które zdolne są pracować przy jeszcze niższym prądzie, na przykład ATL431 czy LM385.
Rys.3. Opis źródła napięcia odniesienia 2,5 V LM4040 od Texas Instruments.
Wracając do przykładu systemu zasilanego 12 V, widzimy, że przy prądzie Iz 75 µA zamiast 5 mA, wykorzystać możemy opornik o rezystancji 126 kΩ, dostając tak samo (albo i bardziej) precyzyjne napięcie na wyjściu układu. Jednocześnie straty termiczne w takim systemie wyniosą poniżej 1 mW, zamiast 47 mW, o których mówiliśmy wcześniej, w przypadku diody Zenera. Oczywiście obliczenia te zawierają jedynie prąd pobierany przez źródła napięcia odniesienia. Jeśli chcemy, by prąd był z układu pobierany przez kolejne, dalsze urządzenia, musimy koniecznie uwzględnić go podczas dobierania opornika.
Jak pokazano na rysunku 4, do obliczenia opornika Rs wystarczy skorzystać z prostego zestawu wzorów. Ir - Iz + Iload, więc R = (Vs-Vz)/Ir. Oczywiście ustala to jedynie maksymalny prąd płynący przez system, dlatego też obliczając opór, musimy pracować z maksymalnym, założonym obciążeniem oraz uwzględnić tolerancje wszystkich elementów użytych w systemie.
Rys.4. Sposób obliczania wartości rezystancji Rs, który uwzględnia skrajne warunki i zapewnia minimalny prąd Iz.
Wykorzystanie napięcia odniesienia o szerokiej tolerancji, takiego jak LM4040, z łatwością można zrealizować układ stabilizacji napięcia, o wiele lepszy niż większość scalonych stabilizatorów napięcia i o wiele od nich tańszy, porównywalnie z kosztami wykorzystania diody Zenera. Dodatkowo, elementy te dostępne są w miniaturowych obudowach, takich jak SC70, co pozwala na zmniejszenie wielkości układu.
Dodatkowo, warto wskazać, że tego rodzaju źródła napięcia odniesienia są w stanie pracować z dużo większym zakresem napięć wejściowych - układ taki działa niezależnie od napięcia wejściowego, liczy się jedynie prąd, jaki przez nie płynie.
Na rysunku 5 przedstawiono przykładową implementację LM4040 do stabilizacji napięcia 5 V z wejścia od 22 V do 25 V, by zasilić kontroler interfejsu USB, który potrzebuje nie więcej niż 100 µA prądu. Do układu dobrany został opornik, uwzględniając prąd stabilizatora i prąd pobierany przez obciażenie W tym układzie wykorzystano LM4040-N, czyli wersję E o dokładności 2%. Jak widzimy, układ ten jest bardzo prosty i niezwykle mały, szczególnie przy wykorzystaniu oporników w obudowach 0402.
Rys.5. Napięcie odniesienia LM4040 wykorzystywane do stabilizacji napięcia 5 V.
W momencie, gdy w układzie potrzebujemy większego prądu, rezystor bocznikowy musi być większy, aby rozproszyć straty cieplne spowodowane spadkiem napięcia. Maksymalny prąd płynący z większość układów napięć odniesienia jest na poziomie 10 mA do 30 mA, co ogranicza zastosowania tego rodzaju układów.
W przypadku zapewnienia możliwości poboru wyższego prądu można użyć tego samego napięcia odniesienia z rezystorem polaryzującym wraz z dodatkowym tranzystorem, aby zapewnić niezbędny spadek napięcia wejściowego do wyjściowego. Tranzystor FET z kanałem typu P, sterowany bezpośrednio z napięcia odniesienia, może dostarczać znacznie większy prąd, jednak napięcie wyjściowe (Vout) będzie zmieniać się wraz z prądem obciążenia zgodnie z wartością rezystancji kanału tranzystora RDS(on).
Di takiego układu dodać możemy wzmacniacza błędu (pojedynczy wzmacniacz operacyjny działa dobrze); obwód pokazany na rysunku 6 mierzy napięcie Vout i porównuje je z napięciem odniesienia, aby zapewnić dobrze stabilizowane napięcie wyjściowe, niezależne od różnych zmian prądu obciążenia i temperatury układu.
Rys.6. Napięcie odniesienia znajdziemy w sercu każdego stabilizatora napięcia.
Usunięcie opornika R2 i zwarcie R1 w układzie pokazanym na rysunku 6 sprawi, że na wyjściu układu znajdzie się stabilizowane napięcie równe napięciu odniesienia. Dzielnik napięcia złożony z R1 i R2 służy do regulacji napięcia wyjściowego, względem napięcia odniesienia (z założeniem, że jest ono mniejsze lub równe niż samo napięcie odniesienia).
Napięcie odniesienia jest w sercu każdego scalonego stabilizatora napięcia. Można zastanowić się, że skoro tak łatwo jest samodzielnie zestawić liniowy stabilizator napięcia, to dlaczego warto używać scalonego elementu? Jednym z powodów jest integracja w takim układzie m.in. także obwodów do monitorowania poziomu prądu, zabezpieczenie termiczne i inne systemy bezpieczeństwa. Oczywiście, tego rodzaju obwody dodać można także w naszym układzie w postaci dyskretnych systemów, ale to mija się już z celem, gdyż układ taki będzie większy i droższy niż dedykowany, scalony stabilizator napięcia.
Tak czy inaczej, następnym razem, jeżeli w swoim systemie potrzebujecie niewielkiego źródła stabilizowanego napięcia, rozważcie zastosowanie prostego źródła napięcia odniesienia zamiast scalonego stabilizatora liniowego.
Z drugiej strony, gdy zdecydujemy się na wykorzystanie stabilizatora liniowego, to skorzystać możemy z faktu, że i w tym zakresie postęp technologiczny zrobił swoje i powstały nowe układy o lepszych parametrach. Weźmy za przykład rodzinę układów TLV702 od TI, pokazaną na rysunku 7. Układy te stabilizują rozmaite napięcia z napięcia do 5,5 V; oferują szeroki wybór napięć wyjściowych, wyposażone są w pin wyłączający i dostępne są w bardzo kompaktowych obudowach.
Rys.7. Rodzina stabilizatorów napięcia TLV70 jest kolejną ekonomiczną alternatywą dla opartych o diodę Zenera układów.
Jeśli chodzi o stabilizatory impulsowe, to przemysł odnotował również znaczny postęp w rozwiązaniach zarówno nisko-, jak i wysokoprądowych. Znaczny postęp nastąpił w przypadku samodzielnych modułów stabilizatorów, które zawierają wszystkie niezbędne elementy magnetyczne i są bardzo przydatne do tworzenia szyn zasilania niskiego napięcia. Te niewielkie moduły mają także zaletę w postaci niższego EMI w porównaniu do tradycyjnych rozwiązań dyskretnych, głównie wynikające ze ścieżek o niższej impedancji pomiędzy szybkimi kluczami przełączającymi. Ostatnio tego rodzaju moduły zyskały dużą popularność w lokalnej stabilizacji liniach zasilania itp.
Przykładem tego rodzaju układów może być miniaturowa przetwornica typu buck TP8208x o wymiarach zaledwie 3 mm x 2,8 mm, która może dostarczać do 3 A. Dla napięć do wejściowych 36 V doskonale nadaje się z kolei moduł LMZM23601 - to niewielka (3,8 mm x 3 mm) przetwornica impulsowa z prądem wyjściowym do 1 A.
Wybór odpowiedniego rozwiązania zasilania w systemie zależy od wielu niuansów konkretnej aplikacji, wymagań co do ceny etc. Obecnie dostępnych jest wiele alternatywnych rozwiązań, co znacznie ułatwia wybranie takiego, które najlepiej sprawdzi się w danym konkretnym urządzeniu. Każdy z rodzajów stabilizatorów ma swoje wady i zalety.
Źródło: http://e2e.ti.com/blogs_/b/powerhouse/archive/2018/12/03/how-to-use-a-voltage-reference-as-a-voltage-regulator
Cool? Ranking DIY
