Меню

Преобразователи напряжения с ион

Как устроены DC DC преобразователи?

DC DC преобразователи нужны для работы разнообразной электронной аппаратуры, управляющих схем, устройств коммуникации, вычислительной техники, автоматики, мобильных гаджетов и других приборов. Принцип работы DC DC преобразователей заключается в изменении выходного напряжения, причем возможно как его увеличение, так и уменьшение по отношению к значению напряжения на входе – в зависимости от используемого источника питания и напряжения, потребляемого прибором. Соответственно, инверторы бывают повышающими и понижающими.

Питание схем с использованием трансформаторных БП

В трансформаторных блоках питания преобразуется напряжение питающей электросети – как правило, трансформатор уменьшает его до требуемой величины. Уменьшенное напряжение выпрямляется при помощи диодного моста, проходит через полупроводниковый стабилизатор (при необходимости) и нивелируется конденсаторным фильтром.

Стабилизаторы обычно используются линейные. Они дешевые и содержат в обвязке минимум компонентов, но имеют скромный КПД. Частично Uвх тратится на нагревание регулирующего транзистора. Поэтому трансформаторные БП не подходят для использования в переносной электронике.

Работа DC DC преобразователя

Для приборов, электропитание которых производится от батареек или аккумуляторов, изменение напряжения до требуемой величины возможно только с использованием DC DC инверторов. Опишем вкратце, как работают DC DC преобразователи повышающего или понижающего типа. Напряжение постоянного тока с его помощью:

  • становится переменным с частотой в несколько десятков или сотен кГц;
  • увеличивается или уменьшается до требуемого значения;
  • проходит выпрямление;
  • поступает в нагрузку.

Такие инверторы называют импульсными. Они отличаются высоким КПД – от 60 до 90%, и имеют широкий диапазон Uвх. Его значение бывает меньше Uвых или гораздо выше его. Например, инвертор, увеличивающий напряжение от 1,5 до 5 В, увеличивает стандартное напряжение батарейки до Uвых, характерного для USB разъема на компьютере. Широко используются и модели, увеличивающие напряжение с 12 до 220 В. Среди понижающих моделей популярны конфигурации, уменьшающие напряжение от 12–80 В до 5 В и от 16–120 В до 12 В (напряжение автомобильного аккумулятора).

Виды DC DC преобразователей напряжения

Рассмотрим основные типы таких устройств:

  1. Понижающие (альтернативные названия – buck, chopper, step-down). Обычно имеют Uвых Инвертирующие (inverting converter). Главная задача таких устройств – получение Uвых обратной полярности по отношению к источнику питания. Они оптимально подходят для использования в ситуациях, когда нужно 2-полярное питание, к примеру, для питания операционных усилителей.

Инверторы всех перечисленных типов бывают со стабилизацией и без нее. Uвых бывает гальванически связанным с Uвх. Есть модели с гальванической развязкой напряжений. Подходящие характеристики и особенности инвертора зависят от характеристик прибора, в составе которого он будет применяться.

Работа DC DC преобразователя понижающего типа

Как видно по функциональной схеме DC DC преобразователя класса buck, на входе Uin поступает на фильтр – расположенный здесь конденсатор Cin. Коммутацию тока на высоких частотах выполняет транзистор VT – обычный биполярный или структуры MOSFET, или IGBT. Дополнительно в функциональной схеме предусмотрен разрядный диод VD и расположенный на выходе фильтр LCout. С него напряжение идет в нагрузку Rн, которая подсоединена последовательно к элементам VT и L.

Опишем алгоритм понижения напряжения. Управляющая микросхема создает импульсы в форме прямоугольников, со стабильной частотой. На графике tи – это время импульса при открытом транзисторе, а tп – длительность паузы при его закрытом состоянии. Отношение tи/T=D – это коэффициент заполнения, который измеряется в процентах (от 0 до 100%) или долях числа (от 0 до 1). К примеру, D=50% – это то же самое, что и D=0,5. При D=1 наблюдается полная проводимость ключевого транзистора, а при D=0 ключ закрыт, т.е. наблюдается отсечка. При D=0,5 значение Uвых=0,5Uвх.

Uвых регулируется путем смены ширины импульса управления tи, фактически – за счет смены коэффициента D. Этот принцип регулировки носит название широтно-импульсной модуляции (ШИМ, в английской аббревиатуре – PWM). Стабилизация Uвых в большинстве импульсных БП осуществляется с использованием ШИМ.

Благодаря массовому распространению инверторов производители наладили изготовление ШИМ контроллеров всевозможных типов. Их выбор огромен, поэтому собирать инверторы на дискретных компонентах не приходится. К тому же, готовые инверторы умеренной мощности отличаются ценовой доступностью. Для установки в создаваемую конструкцию остается только припаять к плате проводки на вход и выход, а затем выставить нужное значение Uвых.

Фазы работы понижающего преобразователя

Коэффициент D влияет на длительность открытия или закрытия ключа:

  1. Фаза 1 – накачка. Когда ключ-транзистор разомкнут, ток от батарейки, аккумулятора или другого источника идет по направлению от дросселя L на нагрузку Rн и заряжаемый конденсатор Cout. Конденсатор и дроссель при этом копят электроэнергию. Величина тока iL плавно растет под воздействием индуктивности дросселя. Этот этап называется накачкой. Когда напряжение на нагрузке достигает фиксированной величины, транзистор VT перекрывается, и стартует этап разряда.
  2. Фаза 2 – разряд. Транзистор VT сомкнут, и дроссель не накапливает энергию, т.к. источник отключен. Изменению значения и направленности тока, идущего через обмотку дросселя, препятствует индуктивность L (эффект самоиндукции). В результате движение тока не прекращается в один миг, и происходит его замыкание по линии «диод-нагрузка». По этой причине диод VD называется разрядным. Обычно в этих целях используется быстродействующий диод Шоттки. По окончании 2-й фазы процесс циклически повторяется.
Читайте также:  Чем зачистить провод под напряжением

Предельное значение Uвых в этой схеме равно Uвх и не может превышать его. Для получения Uвых˃ Uвх используются повышающие преобразователи.

Нюансы создания схем понижающих преобразователей

В реальности работа схемы инвертора отличается от теоретического описания. При включении и выключении возможны промедления, активное сопротивление отлично от нуля, на работе схемы сказывается качество используемых элементов и паразитная емкость монтажа. Значение индуктивности определяет 2 режима работы понижающего преобразователя:

  1. При малой индуктивности он функционирует в режиме разрывных токов, что не позволяет использовать конвектор с источниками питания.
  2. При высокой индуктивности чоппер работает по принципу неразрывных токов, и есть возможность с использованием фильтров на выходе получить U=const с допустимыми пульсациями. В таком режиме функционируют и модели, увеличивающие напряжение.

С целью увеличения КПД вместо разрядного диода VD можно использовать транзистор MOSFET. Его в нужное время открывает управляющая схема. Такие инверторы называют синхронными и рекомендуются к использованию при достаточно большой мощности инвертора.

Работа повышающих DC DC преобразователей

Такие модели преимущественно используются при работе от источников малой мощности, к примеру, от пары-тройки батареек, а некоторые конструкционные элементы требуют напряжения 12–15 В при малом токопотреблении. Uin поступает на находящийся на входе фильтр Cin и далее – на катушку L и транзистор VT, которые последовательно соединены между собой. В месте соединения катушки и стока транзистора к ним подсоединен диод VD. К его второму выходу подсоединена нагрузка Rн и шунтирующий конденсатор Cout.

Работой транзистора VT управляет микросхема, вырабатывающая управляющий сигнал неизменной частоты с настраиваемым значением D – по аналогии с работой понижающего преобразователя. Диод VD в соответствующие моменты перекрывает нагрузку от ключа.

При разомкнутом ключе вывод L, находящийся справа на схеме, соединяется с минусовым полюсом аккумулятора или другого источника питания Uin. Растущий под действием индуктивности ток от аккумулятора идет через катушку (в ней копится энергия) и разомкнутый транзистор. Одновременно диод VD перекрывает нагрузку и находящийся на выходе конденсатор, не допуская его разряда из-за открытости транзистора.

В то же время нагрузка получает питание из запасов конденсатора Cout, и напряжение на выходном конденсаторе снижается. Когда оно становится меньше заданной величины (согласно настройкам управляющей схемы), ключ-транзистор VT перекрывается, и накопленная в дросселе электроэнергия через диод VD заряжает конденсатор Cout, подпитывающий нагрузку. Электродвижущая сила самоиндукции катушки L суммируется с Uвх и идет в нагрузку, поэтому наблюдается прирост напряжения Uвых˃Uвх. Когда величина Uвых достигает заданного уровня стабилизации, управляющая схема инициирует открытие транзистора VT, и процесс циклически продолжается.

Как работает универсальный DC DC преобразователь

Принцип его работы имеет значительное сходство со схемой DC DC инвертора повышающего типа, но дополнительно используются конденсатор C1 и катушка L2. Благодаря им устройство используется в режиме уменьшения напряжения. Такие конверторы используются в ситуациях, когда Uвх имеет большой диапазон значений. Например, есть модели, преобразовывающие Uвх= 4–35 В в Uвых=1,23–32 В. Внешне универсальный преобразователь легко узнать по наличию 2-х катушек – L1 и L2.

Источник



Прецизионный источник опорного напряжения (ИОН) AD584LH: проверяем точность мультиметров в домашних условиях

Всех приветствую, кто заглянул на огонек. Речь в обзоре пойдет, как вы наверно уже догадались, о недорогом прецизионном источнике опорного напряжения (ИОН) на базе микросхемы AD584LH, позволяющим в домашних условиях проверить различные измерительные приборы на соответствие заявленной точности. Прибор достаточно популярный, поэтому если заинтересовались, милости прошу под кат.

Приобрести ИОН можно здесь

Характеристики:

  • — Тип – ИОН
  • — Напряжение питания – 4,5-30V
  • — Выходное напряжение – 2,5V, 5V, 7,5V или 10V
  • — Используемая микросхема – AD584LH
  • — Размеры платы – 56мм*47мм

Внешний вид:

Источник опорного напряжения AD584LH (в дальнейшем ИОН) поставляется в обычном антистатическом пакете:

У некоторых продавцов в комплекте еще идет поверочная бирка с контрольными значениями, но в моем случае ее не было.

Основное назначение прибора — формирования прецизионного малошумящего напряжения известной величины с минимальными температурными и временными дрейфами. ИОН могут применяться как источники эталонного напряжения для АЦП, ЦАП, для источников питания и т.д. Данный прибор позволяет выставить на выходе четыре значения выходного напряжения: 2,5V, 5V, 7,5V и 10V. Конечно, диапазон небольшой, но общее представление о точности измерительного прибора дать может.

Выглядит он следующим образом:

Представляет собой плату, на которой распаяны следующие основные элементы:

  • — микросхема AD584LH
  • — два вида разъемов питания
  • — выключатель питания
  • — четыре контактные клеммы
  • — два типа выходных клемм
  • — индикатор

Монтаж платы односторонний:

Присутствуют небольшие следы несмытого флюса, но на работоспособность это никак не влияет.

Рабочее напряжение ИОН составляет от 4,5V до 30V, наиболее точные результаты получаются при напряжении 12-15V. Напряжение питания ИОН должно быть выше выходного как минимум, на 1 вольт. На плате присутствует два вида разъема питания:

Читайте также:  Каким напряжением заряжать тяговый аккумулятор

Внутренний хорошо подходит для работы с 12V батарейками типа 23А:

Сама по себе батарейка там не поджимается, а вот со специальным держателем (холдером) встает как родная:

Такие держатели достаточно распространены и стоят меньше доллара за десять штук, поэтому рекомендую приобрести:

К тому с помощью таких источников питания (батареек) можно запитывать различные маломощные приборы, которым требуется для работы более 10V.

Второй разъем предназначен для подключения внешнего питания, преимущественно от сетевого источника. Представляет собой разъем DC 5мм:

У каждого разъема присутствует по одному диоду Шоттки для защиты от переполюсовки питания, поэтому по-дурости сжечь плату не получится.

Что касается самой микросхемы, то есть несколько серий и AD584L самая точная (см. спецификации). Серии «J» и «S» имеют погрешность 30mV при 10V, «K» и «T» 10mV при 10V, а «L» всего 5mV, поэтому выбирайте именно ее.

Габариты:

Размеры платки составляют всего 56мм*47мм:

По традиции сравнение с тысячной банкнотой и коробком спичек:

Тестирование:

В качестве сравнения будем использовать мультиметр UNI-T UT61E как самый точный из всей серии. Первым делом посмотрим точность при 10V:

Очень неплохо, учитывая тот факт, что сама микросхема имеет небольшую погрешность. При 10V допускается погрешность 0,005V.

Опорное напряжение 7,5V:

Погрешность самой микросхемы на этом напряжении составляет 4mV.

Опорное напряжение 5V:

Опорное напряжение 2,5V:

Конечно, немного огорчает отсутствие бирки с измеренными контрольными значениями, но ходят слухи, что китайцы ее «рисуют» от балды. В любом случае точности для домашних измерений хватает с большим запасом.

При использовании источника питания с напряжением меньшим, чем установлено на выходе, погрешность огромная. Напряжение батарейки 23А составляет 9,5V, выставлено 10V, а в действительности на выходе ИОН около 8,41V:

При установке на выходе 7,5V, показания в норме:

При 2,5V также все в норме:

На мой взгляд, разница по напряжению должна быть не менее одного вольта, чтобы получить хорошую точность на выходе ИОН.

Выоды:

отличная и главное недорогая плата для проверки точности измерительных приборов в домашних условиях. Огорчает лишь небольшой диапазон выходного напряжения, хотелось бы больше. По ссылке самая точная из серии, рекомендую именно ее.

Источник

Выбор источника опорного напряжения. с чего начать?

Источник опорного напряжения (ИОН) (реже — тока) является важнейшим элементом АЦП или ЦАП. От его точности и стабильности зависит точность всей системы. Многие преобразователи имеют встроенный ИОН. Рассмотрим вопросы, которые наиболее часто возникают при выборе ИОН.

Насколько качественным должен быть опорный сигнал?

Это зависит от назначения устройства. При проведении абсолютных измерений точность преобразования определяется точностью опорного сигнала. Однако во многих системах важна не столько абсолютная точность, сколько стабильность или повторяемость. Например, монолитный ИОН на стабилитроне со скрытым переходом (ИС AD588 и AD688) имеет начальную точность 1 мВ на 10 В (0,01% или 100 ppm) и температурный дрейф 1,5 ppm/°C. Этой точности достаточно для 12-разрядной системы (1 МЗР = 244 ppm), но не для 14- или 16-разрядной системы. Хотя, если начальную ошибку привести к нулю, то такие ИОН можно использовать в 14- и 16-разрядных системах в ограниченном температурном диапазоне (1 МЗР = 61 ppm, что соответствует изменению температуры на 40°C в AD588 или AD688).
Для увеличения абсолютной точности преобразователь необходимо «закалить» в термостатической печи, чтобы распределение тепла по кристаллу было равномерным, и откалибровать согласно стандарту. Иногда преобразователь должен иметь разрешение не меньше 12 разрядов, даже если в системе не требуется 12-разрядая абсолютная точность. В подобных случаях лучше применять менее точные и более дешевые ИОН на основе стабилитрона с напряжением запрещенной зоны.

Что такое стабилитрон со скрытым переходом и стабилитрон с напряжением запрещенной зоны?
Это два самых распространенных прецизионных ИОНа, используемых в современных ИС. Стабилитрон с заглубленным (или скрытым) p-n-переходом характеризуется большей стабильностью и точностью. Это диод, сформированный под поверхностным слоем кристалла и покрытый защитным диффузионным слоем, чтобы зона пробоя полностью лежала под поверхностью подложки (см. рис. 1).

На поверхностном слое кремния сосредоточено больше примесей, дислокаций кристаллической решетки и механических напряжений. Они увеличивают шум и нестабильность полупроводникового устройства, поэтому стабилитрон со скрытым переходом более стабилен и меньше шумит.
Напряжение пробоя стабилитрона составляет обычно около 5 В или более, ток потребления — несколько сотен мкА. ИОНы данного типа неприменимы в маломощных схемах и устройствах с низким напряжением питания. Для них предпочтительнее использовать стабилитроны с напряжением запрещенной зоны. В русскоязычной литературе они также называются источниками опорного напряжения, равного ширине запрещенной зоны, или ИОН с использованием напряжения ширины запрещенной зоны.
Принцип работы заключается в том, что ИОН генерирует напряжение с положительным температурным коэффициентом, чтобы компенсировать отрицательный температурный дрейф напряжения Vbe транзистора. Результирующее напряжение оказывается численно равным напряжению запрещенной зоны кремния при нулевом температурном дрейфе.
Для наглядности обратимся к рисунку 2. Площадь эмиттера Q2 в 8 раз больше площади эмиттера Q1. Транзисторы обеспечивают пропорциональный абсолютной температуре (PTAT) ток через резистор R1. Напряжение на резисторе R1 складывается с напряжением база-эмиттер Vbe транзистора Q1, усиливается и поступает на выход схемы. Это менее стабильный ИОН, однако его коэффициент температурного дрейфа не превышает 3 ppm/°C .

Читайте также:  Первая теория прочности теория наибольших нормальных напряжений

Что еще необходимо учитывать?
Для ИОН применимы все основные правила аналоговых схем. Итак, необходимо:
– избегать перепадов напряжения на проводниках с высоким импедансом;
– по возможности минимизировать шум на шине общей земли;
– обеспечивать качественную развязку цепи питания.
Следует также удостовериться в правильности подключения полярности, а также быть внимательными при работе с емкостными нагрузками.

Какой ток должен обеспечивать ИОН?
Как правило, ИОНы имеют внутренний буфер, а втекающий или вытекающий ток находится обычно в диапазоне 5…10 мА. Если ИОН используется в качестве системного или стоит на входе высокоскоростного параллельного АЦП, который имеет очень низкий импеданс, то этого достаточно. При токе 10 мА на сопротивлении 100 мОм падение напряжения составляет 1 мВ. Для некоторых схем это недопустимо. Такие ИОН как AD588 и AD688 имеют специализированные контакты на выходном выводе и выводе земли. Замыкая цепь ОС вокруг источников ошибки, эти контакты компенсируют падение напряжения. Они корректируют также отклонение коэффициента усиления и напряжения смещения, когда к усилителям с токовым буфером подключена большая нагрузка, или если ток течет в неправильном направлении. Разъем «sense» должен быть подключен к выходной части буферного усилителя, желательно к выводу нагрузки.

Что значит «ток течет в неправильном направлении»?
Рассмотрим 5-В ИОН с напряжением питания равным 10 В. Если к выходу 5 В подключена заземленная нагрузка, то ток потечет на землю. Если резистор подключен к линии питания, то ток будет втекающим. Во многих ИОНах допускается любое направление тока, однако некоторые модели рассчитаны либо только на втекающий, либо только на вытекающий ток. Самый простой пример — использование ИОН с положительным выходным напряжением в качестве опорного отрицательного сигнала. Допустимое направление тока указано в документации.

Существуют ли ИОНы с отрицательным напряжением?
Большинство однополярных ИОН — положительные. Двухвыводные активные источники могут использоваться в любой полярности. Они используются так же, как и стабилитроны с напряжением запрещенной зоны.
Выход источника положительного опорного напряжения можно использовать в качестве отрицательного опорного сигнала, если для данного источника втекающее направление тока разрешено. В этом случае выходной вывод подключается к земле, а вывод земли, напряжение на котором становится отрицательным, — к опорному выводу через резистор RS или источник постоянного тока (см. рис. 3).

В общем случае на вывод положительного напряжения должен поступать положительный сигнал. Но некоторые схемы могут обеспечивать отрицательное напряжение на обоих выходах, для этого вывод положительного напряжения и выходной вывод вместе подключаются к земле.
Сопротивление резистора RS подбирается так, чтобы возможные отклонения тока были в пределах допустимого.

На что следует обращать внимание при работе с емкостными нагрузками?
Во многих источниках на выходе стоит усилитель, стабильность которого может нарушаться при работе с большими емкостными нагрузками порядка нескольких мкФ и
более.
В то же время для ослабления шума к ИОН рекомендуется подключать конденсаторы емкостью 1…10 нФ. Некоторые источники, например AD588, имеют вывод с шумоподавлением, к которому можно подключать большие емкости. Если микросхема имеет силоизмерительные выводы, то диапазон разрешенных емкостей регулируется с помощью контура ОС.
Заметим, что даже если схема достаточно стабильна, использовать большие емкости не рекомендуется, поскольку они увеличивают время включения источника.

Каково время установления ИОН?
Как правило, требуется некоторое время для включения ИОН. Во многих источниках ток, протекающий через опорный элемент, поступает со стабилизированного выхода. Эта положительная ОС увеличивает стабильность по постоянному току, однако препятствует включению. Данный эффект устраняется схемотехнически, но время включения ИОН не равно нулю, а составляет 1…10 мс. Не во всех устройствах такая задержка допустима.
Для прецизионных ИОН может потребоваться дополнительное время для температурной стабилизации, пока не будет достигнуто температурное равновесие на кристалле и не установятся смещения, вызванные изменением температуры. Эти эффекты описаны в документации и обычно не превышают нескольких секунд.

Всегда ли использование внешнего прецизионного источника позволяет повысить точность преобразования?
Не всегда. Например, АD674B, быстродействующий вариант классического AD574, имеет заводскую погрешность калибровки не более 0,25%, а точность при использовании внутреннего источника не хуже 100 мВ (1%). Поскольку 0,25% от 10 В = 25 мВ, то напряжение ПШ = 10,025 В. Полагая, что AD674B с внутренним ИОН, напряжение которого было на 1% выше (10,1 В), был откалиброван на заводе при напряжении ПШ, равном 10,000 В, получаем погрешность 1%. Если к АЦП подключен прецизионный ИОН, то напряжение ПШ равно 10,100 В, т.е. погрешность в 4 раза больше, чем указано в документации.

Источник