Źródła Napięcia Odniesienia w Układach Zasilających i Filtracja Zasilania
- Szczegóły
Źródła napięcia odniesienia są kluczowym elementem w układach zasilających, zapewniając precyzyjne i stabilne napięcie odniesienia niezbędne w wielu aplikacjach elektronicznych. Te zaawansowane komponenty, takie jak wysokostabilne źródła napięcia odniesienia typu shunt, oferowane przez renomowanych producentów, znajdują szerokie zastosowanie w urządzeniach wymagających najwyższej precyzji.
Kluczowe Funkcje i Zastosowania
Wysokostabilne źródła napięcia odniesienia są niezastąpione w precyzyjnych układach pomiarowych, systemach kalibracyjnych oraz w zaawansowanych urządzeniach elektronicznych, gdzie stabilność napięcia ma krytyczne znaczenie. Produkty te wyróżniają się nie tylko stabilnością, ale także niskim współczynnikiem temperaturowym, co sprawia, że są idealne do zastosowań w trudnych warunkach środowiskowych. Dzięki ich zdolności do utrzymania stałego napięcia odniesienia, są szeroko stosowane w przemyśle medycznym, lotniczym oraz w automatyce przemysłowej, gdzie precyzja i niezawodność są kluczowe. Ich zastosowanie obejmuje również systemy telekomunikacyjne, urządzenia przenośne oraz układy testowe.
Technologia i Zaawansowanie
Źródła napięcia odniesienia typu shunt reprezentują najwyższy poziom zaawansowania technologicznego. Dzięki innowacyjnym rozwiązaniom, takim jak wykorzystanie zaawansowanych procesów produkcyjnych i materiałów, te komponenty oferują wyjątkową precyzję i niezawodność. Wysokostabilne źródła napięcia odniesienia zapewniają długoterminową stabilność i niskie dryfty temperaturowe, co jest kluczowe w aplikacjach wymagających wysokiej dokładności. Dzięki zastosowaniu nowoczesnych technologii produkcji, te źródła napięcia odniesienia cechuje również minimalne zużycie energii, co jest istotne w kontekście energooszczędnych projektów elektronicznych. Ich wyjątkowe parametry sprawiają, że są one nieodzownym elementem nowoczesnych układów elektronicznych, zwiększając ich wydajność i niezawodność.
Różnorodność i Dostępność
Nasza oferta obejmuje szeroki wybór źródeł napięcia odniesienia o różnych wartościach, dopasowanych do specyficznych potrzeb klientów. Niezależnie od tego, czy potrzebujesz źródła o niskim napięciu do precyzyjnych pomiarów, czy wyższego napięcia do bardziej wymagających aplikacji, znajdziesz u nas odpowiedni produkt. Każdy z nich spełnia najwyższe standardy jakości i jest dostępny od ręki, co umożliwia szybkie wdrożenie do Twojego projektu. Dodatkowo, oferujemy kompleksowe wsparcie techniczne, pomagając w doborze optymalnych rozwiązań oraz w integracji tych komponentów w bardziej złożone systemy elektroniczne. Nasza szeroka gama produktów gwarantuje, że znajdziesz odpowiednie źródło napięcia odniesienia, które sprosta specyficznym wymaganiom Twojego projektu.
Znaczenie Wyboru Odpowiednich Komponentów
Wybierając źródła napięcia odniesienia z naszej oferty, inwestujesz w najwyższą jakość i niezawodność. Dzięki współpracy z liderami rynku, możemy zapewnić produkty, które sprostają nawet najbardziej wymagającym aplikacjom. Oferujemy nie tylko różnorodność wartości napięć, ale także wsparcie techniczne i doradztwo w wyborze najlepszego rozwiązania dla Twoich potrzeb. Nasze komponenty są projektowane z myślą o długoterminowej stabilności i precyzji, co jest kluczowe w aplikacjach, gdzie nawet najmniejsze odchylenie napięcia może mieć istotne znaczenie.
Przeczytaj także: Czym jest czysta woda?
Analiza Układu Zasilania Napięcia Odniesienia
W numerze 10/2019 przedstawiony był nieskomplikowany układ elektroniczny, który na pierwszy rzut oka przypomina wzmacniacz, jednak nie posiada wejścia. Układ ten zasilany jest pojedynczym napięciem ze źródła oznaczonego V1 o wartości 7V. Rezystory R3 i R4 ustalają napięcie na wejściu nieodwracającym wzmacniacza, natomiast kondensatory C4, a zwłaszcza C1, pełnią funkcję filtrów.
Schemat przedstawia zasilacz napięcia odniesienia i jednocześnie napięcia zasilania dla przetwornika AD w układach Hi-Fi. Zasilaczom takim stawia się ekstremalnie wysokie wymagania co do poziomu szumów, PSRR i CMRR. Szumy zasilacza powinny być poniżej 3uV w zakresie 20Hz do 20kHz, a PSSR i CMRR powyżej 80dB w tym samym zakresie. Zaleca się stosowanie niskoszumowych LDO i napięciu wyjściowym 5V. Do wytworzenia napięcia odniesienia użyto napięcia zasilania V1 = 7V, a podłączony do nich dzielnik napięcia R3, R4 obniża to napięcie do 4V. Kondensator 10uF niepolarny odfiltrowuje nawet dość niskie częstotliwości, obniżając w ten sposób szumy precyzyjnych oporników dzielnika. Wysokiej jakości kondensatory niepolarne mają bardzo niskie szumy. Na wejściu nieodwracającym OPA1688 pojawi się napięcie 4V o bardzo niskich szumach.
Problemem zasilaczy tego typu jest praca na obciążenie pojemnościowe. Najprostszym rozwiązaniem jest zastosowanie opornika izolacyjnego RISO, włączonego szeregowo pomiędzy wyjście W.O. a obciążenie. Opornik taki skutecznie kompensuje pojemność obciążenia. W układach precyzyjnych stosuje się opornik izolacyjny z podwójną pętlą sprzężenia zwrotnego (RISO + Dual Feedback). Autor zastosował zmodyfikowany obwód RISO + Dual Feedback. Tworzą go C4, R5 i R1, oraz w wyniku modyfikacji R2. Opornik izolacyjny R5 izoluje wyjście wzmacniacza od wyjścia stabilizatora, co również zmniejsza skłonność do oscylacji zasilacza.
Autor rozumiał, że zastosowanie wzmacniacza operacyjnego o ekstremalnie niskich szumach niewiele da, jeśli dołączy elementy pasywne o wysokich szumach. Układ RISO + Dual Feedback ma również wady. Działa stabilnie przy stałej pojemności obciążenia, przy skokowych zmianach tej pojemności staje się niestabilny. Również odpowiedź przejściowa, przy skokowej zmianie V sterującego, wyrażana w % przekroczenia, jest nieakceptowalna.
Znaczenie Napięcia Referencyjnego w Sprzęcie Audio
W sprzęcie audio najwyższej jakości duże znaczenie ma też „jakość” napięcia zasilania oraz napięcia referencyjnego dla przetwornika DAC. Kwestia „czystości” napięcia referencyjnego jest oczywista. We wspomnianym raporcie aplikacyjnym omawiane są poszczególne aspekty zagadnienia i poszczególne obwody. Zwrócona jest uwaga na fakt, że wysoka jakość to nie tylko niskie zniekształcenia i niskie szumy własne obwodów wzmacniających.
Przeczytaj także: Czysta Energia
Jeżeli układ ma być zasilaczem, to jego obciążeniem będą układy przetwornika ADC i przedwzmacniaczy. A jak wiadomo, ich obwody zasilania obowiązkowo są odsprzęgane kondensatorami o dużej pojemności, rzędu mikrofaradów, a nie pikofaradów. W nadesłanych rozwiązaniach słusznie stwierdziliście, że jest to zasilacz lub filtr bardzo wysokiej jakości.
Źródła Napięcia Odniesienia - Typy
Źródła napięcia referencyjnego, typu burried Zener lub bandgap, występują zwykle w jednej z dwóch konfiguracji: typu shunt (bocznikowej) lub szeregowej. Te pierwsze to komponenty dwuzaciskowe, łączone równoległe z obciążeniem. Jeden pin takiego układu połączony jest z masą, natomiast drugi z zewnętrznym rezystorem, który jest również połączony z zasilaniem. Wspólny zacisk diody i rezystora jest natomiast wyjściem źródła napięcia referencyjnego.
Źródła Bocznikowe vs. Szeregowe
Wartość rezystancji zewnętrznego opornika powinna być tak dobrana, żeby minimalne oraz maksymalne natężenie prądów płynących przez źródło napięcia odniesienia mieściło się w określonym przedziale w całym zakresie zmienności napięć zasilania i natężenia prądu obciążenia. Przyjmując, że obie te wielkości zmieniają się nieznacznie, łatwo jest dobrać ten rezystor. Jeżeli jednak te dwie, albo którakolwiek z nich, może się zmienić znacząco, rezystor powinien to skompensować.
Źródła napięcia odniesienia typu shunt mają liczne zalety. Najważniejsze z nich to prosta konstrukcja, małe wymiary, dobra stabilność w szerokim zakresie zmian obciążenia i możliwość pracy przy wysokich napięciach zasilania (większość odkłada się na zewnętrznym oporniku). Szeregowe źródła napięcia odniesienia to z kolei układy trzyzaciskowe. Ich główną zaletą jest pobór stałego prądu w szerokim zakresie napięć zasilania i tylko wtedy, gdy dołączone jest obciążenie.
Parametry Źródeł Napięcia Odniesienia
Jednym z parametrów, na podstawie którego często porównuje się między sobą źródła napięcia odniesienia, jest ich dryft temperaturowy. Zwykle bowiem jest to największe źródło błędów. Dryft, który wyrażany jest w ppm/°C, charakteryzuje zmianę napięcia referencyjnego pod wpływem zmiany temperatury. Przyczyną tej zależności są niedoskonałości oraz nieliniowości komponentów obwodów źródła napięcia odniesienia. Przy wyznaczaniu dryftu temperaturowego producenci korzystają z rozmaitych metod.
Przeczytaj także: Symbolika Wody
Histereza temperaturowa to zmiana napięcia referencyjnego, wyrażana w ppm, która następuje na skutek poddania komponentu cyklowi termicznemu. Główną przyczyną tego zjawiska są naprężenia w strukturze układu w czasie jej naprzemiennego schładzania i podgrzewania. Zależą one zatem m.in. od: materiału obudowy, materiałów użytych do jej połączenia ze strukturą komponentu i sposobu organizacji tej ostatniej. Zwykle, im większa jest obudowa układu, tym histereza temperaturowa jest mniejsza.
Histereza temperaturowa to parametr, który jest często pomijany, chociaż niesłusznie, gdyż wnosi istotny wkład w całkowity błąd i niweluje skuteczność wcześniej przeprowadzonej kalibracji. Warto o nim pamiętać, nawet jeżeli źródło napięcia referencyjnego będzie pracowało w ustabilizowanych warunkach temperaturowych.
Dokładność określa, w jakim stopniu (procentowo) napięcie referencyjne może się w danych warunkach różnić od znamionowego. Stabilność długoterminowa charakteryzuje z kolei typową zmianę napięcia odniesienia po upływie określonego czasu, na przykład kilku tysięcy godzin, ciągłej pracy w danych warunkach. Zwykle jest wyrażana w ppm / tysiąc godzin. Parametr ten w praktyce wyznacza się dla reprezentacyjnej grupy komponentów (od kilkunastu do kilkudziesięciu sztuk) w temperaturze pokojowej. Stabilność długoterminowa opisuje zmiany starzeniowe układu.
Kolejny ważny parametr to współczynnik zmiany napięcia referencyjnego w wyniku zmiany prądu obciążenia (load regulation), który jest wyrażany w ppm/mA. Wyznacza się go, dzieląc względną zmianę napięcia odniesienia, tj. różnicę tej wielkości przy minimalnym i maksymalnym natężeniu prądu obciążenia, przez zakres zmienności tego ostatniego. Współczynnik ten zależy zarówno od konstrukcji źródła napięcia odniesienia, jak i pasożytniczej rezystancji dzielącej go od obciążenia. Na to ostatnie można wpłynąć, umieszczając ten układ na PCB możliwie najbliżej odbiornika.
Warto również w karcie katalogowej źródła napięcia odniesienia sprawdzić informacje o szumach generowanych przez ten układ. Są one bowiem przyczyną błędów dynamicznych, które pogarszają stosunek sygnału do szumu, na przykład w przetwornikach A/C i C/A. W specyfikacji źródła zwykle informacje o nisko- oraz wysokoczęstoliwościowych szumach są przedstawiane oddzielnie. Te drugie podawane są jako wartość skuteczna napięcia w paśmie od 10 Hz do 10 kHz. Szumy niskoczęstotliwościowe są z kolei opisywane przez wartość peak to peak napięcia (lub w ppm) w paśmie od 0,1 Hz do 10 Hz. Ich filtrowanie jest trudne, przez co wnoszą one większy wkład w całkowity błąd napięcia odniesienia.
Źródłem szumów o częstotliwościach w przedziale od 0,1 Hz do 10 Hz w wypadku źródeł napięcia referencyjnego typu bandgap jest przede wszystkim szum różowy (1/f) jego komponentów wewnętrznych. Im większą wartość ma napięcie odniesienia, tym wprost proporcjonalnie większy będzie ten szum. Aby go zmniejszyć, trzeba zastosować elementy o większych rozmiarach i zwiększyć prąd spoczynkowy.
Kondensatory i Ich Właściwości
Z pojęciem kondensatora związana jest wielkość, zwana ładunkiem elektrycznym (Q), a jednostką - kulomb [C]. Pojemność elektryczna to miara zdolności do gromadzenia (przechowywania) ładunków - im większa pojemność, tym większy ładunek możemy w niej zgromadzić. Ładunek zmagazynowany w kondensatorze utrzymuje się w nim dzięki obecności pola elektrycznego - pomiędzy dwiema przewodzącymi (metalowymi) płaszczyznami, zwanymi okładkami kondensatora, znajduje się warstwa izolatora (dielektryka). Ładowanie kondensatora polega na „wypompowaniu” ładunków ujemnych (elektronów) z jednej z tych płaszczyzn oraz nagromadzeniu ich na drugiej okładce. W takim przypadku pole elektryczne jest zawarte (w większości) pomiędzy okładkami, czyli w objętości dielektryka.
Z przedstawionego wyżej wzoru jasno wynika, że przy stałej pojemności ładunek jest wprost proporcjonalny do napięcia na kondensatorze. Inaczej mówiąc, im wyższe jest napięcie, tym większy jest zgromadzony w kondensatorze ładunek. Ładowanie kondensatora można zatem wykonać w bardzo prosty sposób - podłączając go do źródła napięcia lub źródła prądowego. Kondensatory są w niektórych sytuacjach stosowane jako pewnego rodzaju, nietypowe akumulatory.
Szeregowy Obwód RC i Stała Czasowa
Wyobraź sobie teraz, że kondensator łączymy szeregowo z rezystorem i podłączamy do źródła napięcia (np. baterii). Układ tego typu nazywamy szeregowym obwodem RC. Napięcie na kondensatorze, początkowo równe zeru (zakładamy, że kondensator był całkowicie rozładowany), będzie rosło w miarę upływu czasu. Nie będzie jednak zmieniało się liniowo - wykres napięcia (od czasu) na kondensatorze przyjmuje kształt funkcji wykładniczej, początkowo rosnąc bardzo dynamicznie i stopniowo „hamując” w miarę upływu czasu.
Pojęcie stałej czasowej jest kluczem do zrozumienia zależności czasowych, obecnych w układach RC. Skoro wielkość tę nazywamy stałą, to spodziewamy się, że jej wartość będzie niezmienna dla określonego układu. Jeżeli od momentu rozpoczęcia ładowania upłynął czas równy stałej czasowej, to możesz być pewien, że na kondensatorze panuje napięcie równe w przybliżeniu 63,2% wartości napięcia zasilania U0.
Jeżeli natomiast układ RC z naładowanym kondensatorem odłączysz od zasilania i zewrzesz, rozładowanie kondensatora nastąpi także według krzywej wykładniczej, jednak tym razem prąd popłynie w kierunku przeciwnym, niż w przypadku ładowania - kondensator zostanie bowiem „na chwilę” źródłem zasilania tego prostego obwodu.
Budowa Kondensatorów
W rzeczywistości kondensatorów o najprostszej budowie nie znajdziesz w układach elektronicznych. Dlaczego? Pojemność elektryczna jest wprost proporcjonalna do przenikalności względnej oraz powierzchni okładek, a odwrotnie proporcjonalna do odległości pomiędzy nimi (równej grubości dielektryka). Metodą na zwiększenie powierzchni okładek jest zwinięcie ich (przedzielonych oczywiście dielektrykiem) w postaci ciasno upakowanej spirali. Tak właśnie powstają popularne kondensatory foliowe (MKT, MKP i inne) - dwie warstwy cienkiej folii aluminiowej są przedzielone nieprzewodzącą prądu elektrycznego folią (np. poliestrową).
Jeśli chcemy uzyskać jeszcze wyższe pojemności, wykorzystamy pewien trik. Zamiast przedzielać okładziny kondensatora folią, możemy zastosować procedurę chemicznego wytrawiania powierzchni okładzin, co wielokrotnie powiększy ich rzeczywistą powierzchnię (z uwagi na widoczne jedynie za pomocą mikroskopu elektronowego nierówności). Rolę dielektryka pełni cienka warstwa tlenku pokrywająca jedną z okładzin i wykonana w specjalnym procesie chemicznym. Dzięki temu zabiegowi możliwe jest uzyskanie niezwykle dużych pojemności przekraczających bez trudu granicę jednego farada, a kondensatory produkowane według tej koncepcji nazywamy elektrolitycznymi.
Inną metodą na uzyskanie odpowiedniej pojemności jest rozdzielenie wielu warstw cienkiej, metalowej folii za pomocą delikatnych płatków stałego dielektryka - np. ceramiki. Tak właśnie budowane są ceramiczne kondensatory wielowarstwowe, określane jako MLCC (ang. Multilayer Ceramic Capacitors).
Niezależnie od budowy każdy kondensator ma określone - oprócz pojemności nominalnej - także maksymalne napięcie, z jakim może pracować w układzie docelowym. Przekroczenie tej wartości grozi nieodwracalnym uszkodzeniem kondensatora, a dokładniej - przebiciem dielektryka. W przypadku kondensatorów foliowych mamy do czynienia z napięciami rzędu kilkudziesięciu, a nawet kilkuset woltów, a w przypadku „elektrolitów” - napięcia te często wynoszą zaledwie kilka woltów. Należy pamiętać, aby dokładnie obliczyć maksymalną wartość napięcia roboczego i zastosować kondensator o napięciu maksymalnym wyższym o przynajmniej kilkanaście lub kilkadziesiąt procent - im większy zapas (tzw. derating), tym lepiej.
Zastosowania Kondensatorów
Trudno byłoby w jednym artykule przedstawić wszystkie najważniejsze zastosowania kondensatorów. Wraz ze zmianą stałej czasowej układu, zmieniają się także jego parametry częstotliwościowe - w zależności od sposobu podłączenia elementów, można zbudować zarówno filtry tłumiące sygnały szybkozmienne (tj. o wysokiej częstotliwości) - czyli filtry dolnoprzepustowe, jak i tłumiące sygnały wolnozmienne (tj. o niskiej częstotliwości), a przepuszczające niejako „bez zmian” sygnały szybkie - tzw. filtry górnoprzepustowe.
Filtracja i Odsprzęganie Zasilania
Kondensator dzięki zdolności ładowania i rozładowywania stanowi swego rodzaju magazyn energii, „dodatkowe źródło zasilania”. Jaki ma zatem sens włączanie sporych kondensatorów (najczęściej elektrolitycznych) równolegle do źródeł napięcia (np. baterii)? Taka technika, zwana filtracją zasilania, pozwala na poprawienie właściwości dynamicznych zasilania, tj. zachowania układu w przypadku nagłych zmian prądu obciążenia.
Źródła napięcia (np. wspomniane baterie, a także akumulatory czy zasilacze sieciowe) często nie są w stanie odpowiednio szybko „zareagować” na zmiany natężenia prądu obciążenia. Jeżeli jednak w obwodzie włączony jest odpowiednio duży kondensator (a nawet kilka takich elementów), to w momencie zwiększonego zapotrzebowania na energię zasilania naładowany wcześniej kondensator „przejmie na siebie” impuls prądu i w ten sposób zmniejszy wpływ zmiennego obciążenia na napięcie panujące na szynie zasilania.
Osobnym tematem, często mylonym z filtracją zasilania opisaną powyżej, jest odsprzęganie zasilania. Choć u podstaw tej metody także leży potrzeba „wygładzenia” napięcia zasilania, to mówimy tutaj o nieco innych zjawiskach - w dużym uproszczeniu możemy powiedzieć, że odsprzęganie ma na celu zabezpieczenie poszczególnych bloków układu elektronicznego (np. układów scalonych) przed powstawaniem wzajemnych zakłóceń impulsowych, przenoszonych przez szyny zasilania pomiędzy tymi blokami.
Nie chodzi tutaj jednak o kompensację chwilowego obniżenia wartości napięcia, spowodowanego np. włączeniem silnika lub innego elementu o dużym poborze prądu. Do odsprzęgania zasilania stosujemy znacznie mniejsze kondensatory (najczęściej ceramiczne, o wartości np. 100 nF), a celem takiego zabiegu jest redukcja niewielkich, ale często bardzo niekorzystnych dla działania układu oscylacji (drgań) czy impulsów generowanych przez pracujące w jednym urządzeniu układy. Dlatego właśnie kondensatory odsprzęgające montujemy możliwie jak najbliżej zabezpieczanych układów.
tags: #zrodlo #napiecia #odniesienia #filtracja #zasilania
