A jelenlegi források egyszerűvé váltak

Zeitgeist Moving Forward HUN magyar szinkronnal (Július 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Tervezési megfontolások a különféle kimeneti áramszintekhez, rövid zajmegfontolások és feszültség-megfeleléssel kapcsolatos problémák

BY NICHOLAUS W. SMITH
Integrált eszköztechnológia
www.idt.com

Az áramforrás kritikus komponens a leginkább integrált és diszkrét áramkörökben, és olyan áramkörként írható le, amely egy adott időtartam alatt egyenletes elektronáramot generál, függetlenül attól, milyen terhelésimpedanciát vezet. Most az a tény, hogy az áramforrás érdekes, az, hogy az áramot állandó áramlásba szállítja bármilyen terhelésbe, reaktív vagy ellenállóképes, amíg van egy teljes út az áram áramlására.

Minden jó tankönyv (1) megmondja, hogy az áramforrás állandó áramot szolgáltat, és a feszültségcsökkenéshez szükséges, hogy a forrás megtartsa az áramot, és az 1a. Pusztán elméleti módszer arra, hogy az aktuális forrás ténylegesen mit tegyen, az lenne, amit az elméleti áramkör az 1b. Ez az áramkör, ha létezik, a feszültséget egy ismert ellenállással szabályozza, miközben fenntartja a feszültségcsökkenést az adott komponensen, amint az az 1b. Ábrán látható.

1. ábra: Áramforrás vázlatos szimbólumok (a), állandó feszültségű áramgenerátor (b).

Az 1b. Ábrán bemutatott áramköri szimbólumnak nem szabad munkát végezni. Ez az áramkör feszültséget fog előidézni a Z KNOWN-nél, anélkül, hogy áramot szolgáltatna volna a Z KNOWN-nek vagy a Z KNOWN-hez csatlakoztatott egyéb áramkörök áramát. Ez az áramkör mindig fenntartja a feszültséget, függetlenül attól, hogy a terhelés milyen gyorsan változott; ezért végtelen sávszélességre lenne szükség ahhoz, hogy gyorsan reagálhasson a változó jelekre és az áram vagy a feszültség túlfeszültségére.

A dobozban levő áramkör a Z KNOWN-hez csatlakoztatott áramköri elemeket arra kényszeríti, hogy az Ohm-törvénynek megfelelő áramot biztosítsák, és így rögzítsék a Z KNOWN-on átfolyó áramot annak érdekében, hogy a VZ legyen a feszültségcsökkenés.

Bár ez a kör nem létezik, az a gondolat, hogy egy ismert feszültséget kényszeríteni kell egy ismert ellenállás létrehozására, hogy állandó áramot teremtsen, az lesz a fő elmélet a jelenlegi források működésének mögött. A ismert impedanciájú feszültség rögzítésének koncepciója egy ismert áram létrehozására kényelmesen bővíthető egy programozható ellenállás segítségével, amely lehetővé teszi az áramkör áramkörének változását az áramkör kimeneti áramára.

Tervezési szempontok

A 2. ábrán a zener dióda felhasználásával a referenciafeszültség előállítására szolgáló áramforrás megtalálható a The Art of Electronics által, P. Horrowitz és W. Hill. (2) Ha a 2. ábrán a R 1 programozható ellenállás volt, akkor az Iout könnyen vezérelhető az I 2 C busz vagy az USB segítségével. A 2. ábrán bemutatott áramkör olyan áramforrás, amely egy zener diódát használ referenciafeszültség létrehozására, V REF, R1 lecsökkenti a referenciafeszültséget az áram, az op-amp és a P-Ch csatorna FET stabilizálásához.

A pontosság fontos kulcsa a hibaforrások, például a zaj és az offszet feszültség korlátozása. Ez az áramkör tovább javul néhány kondenzátor használatával a zajcsökkentéshez és a statikus DC-terhelésekhez. A C OUT kondenzátor lefelé mutató oldala lelassítja az áramforrás válaszidejét a gyorsan változó terhelésekhez, például a tranziens terhelésekhez.

2. ábra: Egyszerű áramforrás zener diódával, mint feszültségérték 1.

Amikor a V DD jelen van, ennek az áramkörnek a működését a Zener dióda hátrameneti előfeszítése és a zener feszültség (VZ) a termináion keresztül történő leengedése határozza meg. Az V DD-től a zener diódán átáramló áramot R2 korlátozza. Az R 2 ellenállás az aktuális V DD feszültségtől függően különböző szintekre korlátozza az áramot, és ez a komponens stabilizálja a zener feszültség által generált referenciafeszültséget.

A referenciafeszültség eltolódásának másik tényezője a hőmérséklet; ezért fontos, hogy ne zúzzon sok energiát a zenerben, hogy a tervezőt arra késztesse, hogy az R2-nek nagy ohmos értéke legyen. Mivel az R2 általában 100 kΩ vagy nagyobb tartományban van, a C IN értékes kiegészítés a nem-invertáló bemenet nagysebességű zajának csökkentésére a földi jel eltolásával. Ez segít abban, hogy az op amp a nemkívánatos, magas frekvenciájú zajforrásoktól reagáljon.

Az R 2 és C IN által létrehozott pólus megváltoztatja az áramkör válaszát és növeli az ülepedési időt indításkor. Egy másik hibaforrás a V DD változásából származik, mert a változások a kínálatban megváltoztatják az áramot a zeneren keresztül, így megváltoztatva a feszültségértéket. Ez azt jelenti, hogy az áramforrás jellemzően rossz tápellátás-elutasítási teljesítményt mutat.

Ezek a hibák elkerülhetők az R 1 vagy R2 beállításának megváltoztatásával. Mivel az opamper nem invertáló bemenete V DD-VZ-n van rögzítve, ez lesz a feszültség, amelyet az op amp próbál megjavítani a P-Ch FET kapujának meghajtásával és a vezetési csatorna megnyitásával ahhoz, hogy az I KI áram az áramláshoz.

A C OUT hozzáadása növeli a stabilitást anélkül, hogy a feszültség azonnal megváltoztatná az R 1 ellenállást. A zenert úgy kell megválasztani, hogy az op-amp bemeneti feszültségtartományt és a kimeneti feszültségtartományt tartsa szem előtt, hogy megakadályozza az op-erősítőnek, hogy telítődjön az egyik tápcsatlakozóba. Ugyancsak előnyös, ha ezt a feszültséget kicsire tartja, így az R 1 teljesítménye alacsony marad, hogy az összetevőt ne tartsa a fűtés által okozott ellenállási sodródás okozta. Az I OUT csomópont bármilyen impedanciát képes vezetni mindaddig, amíg I OUT * az impedancia terhelése nem haladja meg a V DD VZ értéket.

Végül, amint azt a 2. ábra egyenlete mutatja, az I OUT értéket egyszerűen a VZ R 1-vel történő elosztásával kell kiszámítani. Ez egy jó áramforrás, de a tápellátás elutasítása gyenge, és a terhelésekre földre kell hivatkozni, vagy különös figyelmet kell fordítani a negatív hivatkozott terhelésekre. Nagy javulást lehet elérni topológia változás és egy további op amp és egy különálló feszültség referencia IC használatával. Ez az architektúra a 3. ábrán egy egyszerű, alacsony áramú példával jelenik meg.

3. ábra: Topológia-változás és egy kiegészítő opamper és egy diszkrét feszültség-referencia IC használata.

A 3. ábrán bemutatott áramkörben a dc áram áramlik az I OUT csomópontról a Com csomópontra. A Com feszültség bármely feszültség lehet az U 1 és U 2 erősítők teljesítménysíneken belül mindaddig, amíg az erősítő stabilitása a tápfeszültség sínek közelében működik. Ez a design LDO-t használ 1, 2 VDC referenciafeszültségként.

A terhelésimpedancia nagyságát az I OUT x RL szorzása korlátozza, és biztosítja, hogy az I OUT csomópont feszültsége kisebb legyen, mint az U 1 pozitív teljesítménysínének mínusz a referenciafeszültség. Feltételezve, hogy az áramkör folyamatosan működik, az RL-en belüli feszültségcsökkenést úgy számolják ki, hogy a terhelésimpedanciát megszorozza a programozott áram (I OUT).

Az I OUT áramot úgy kapjuk meg, hogy a referenciafeszültséget veszik és osztjuk az R 1 ellenállás értékével. Ebben a példában az R 1 1, 2 kΩ, ezért a referenciafeszültségnek az R 1-gyel osztva az I OUT értéke 1 mA. A Com csomópont feszültségétől kezdve és az I OUT x RL hozzáadásával meghatároztuk a feszültséget az I OUT csomóponton. Mivel az U2 pufferkonfigurációjú, az A csomópont közel azonos feszültséggel rendelkezik, mint az I OUT csomópont. Az LDO ezt a feszültséget veszi fel, és 1, 2 V-t ad hozzá ehhez az értékhez, amely a B csomóponton lévő feszültség. Ezután U 1, egy másik puffer a B csomóponton lévő feszültséget a C csomópontra kényszeríti. Most a C csomópont fix és a referenciafeszültségen az I OUT csomópont feszültsége felett, függetlenül az RL értékétől vagy a "Com" referenciapont feszültségétől. Egy példa látható a Com értékkel 0 V-nál, és az egyes csomópontokon lévő feszültségeket az ábrázolt komponens értékek alapján jelöltük. Az alacsony áramú alkalmazásoknál, mint amilyen az ábrán látható, az U1 átkerülhet az U 1 eltolási hiba eltávolítására, amint a referencia számára kiválasztott LDO elegendő áramszolgáltató képességgel rendelkezik.

Különleges szempontok

Némi különleges megfontolást kell megtenni az áramkör összetevőinek kiválasztásakor. Az U 1 a fővezető erősítő, ezért képesnek kell lennie arra, hogy több áramot szolgáltasson, mint a legmagasabb kívánt kimeneti áram beállítás. Az I OUT csomópontból kilépő áram mindig I OUT = V REF / R 1 lesz, mivel terhelés van, amely befejezi az áramkört, és sem az erősítők bemenete, sem a kimenete nem szükséges a tápvezetékek fölé emelkedni.

Ideális esetben mindkét erősítő a vasúti és a sínes bemenettel és kimeneti feszültséggel működik, hogy maximális áramerősség-feszültség-megfelelést biztosítson. Lehetséges az I OUT kimenő feszültségének megkötése, ha további zener diódákat helyezünk a B csomópontra földre. Ez a feszültséget az I OUT kimeneten fogja a "rögzítő" zener feszültségre.

A teljesítménynövelés másik módja a nagysebességű erősítők kiválasztása, annál nagyobb a nyereség sávszélességű termék, annál gyorsabban reagál az áramkör a terhelés változásaira. Amint azt a zener referencia áramforrással megvitattuk, a zaj csökkenthető az R 1-gyel párhuzamosan kondenzátor hozzáadásával, ez a kondenzátor ismét nem teszi lehetővé a feszültség azonnali megváltozását az R 1-en keresztül, ezáltal egy állandóbb feszültséget teremtve az ellenálláson vagyis a forrás által kibocsátott áramot rögzíti. Néhány jó alkalmazás az ilyen típusú áramkörök számára az elemek tesztelésére, feltöltésére vagy kisütésére alkalmas elemek használatával, a megfelelő rögzítéssel (veszélyeztetheti a Li + akkumulátor túltöltését), vagy egy LED-es háttérvilágítással állandó áramerősséggel.

Az állandó fejlesztés és az áramkörök tökéletesítése és a rugalmasság érdekében a 4. ábrán látható forrásokhoz több fejlesztési elképzelést adtak a 4. ábrán. Itt több zener diódát is hozzáadtak, az ötletnek mindegyike más lenne zener feszültség és így a katódok egyidejű csatlakoztatása egy programozóval, akkor létrejön egy feszültségszorító, amely korlátozza az I OUT feszültséget egy biztonságos programozható feszültségszintre a B csomóponton lévő feszültségen. Ezenkívül az R1 egy programozható ellenállássá vált, amely többszörös kimeneti áramok, amelyek programozással vagy potenciométer beállításával érhetők el. Az R1-gyel párhuzamosan egy kondenzátort is hozzá kell adni, hogy lassítsák a feszültségváltozásokat az ellenálláson és csökkentsék a kimeneti áramzaj sűrűségét. Sajnos ez a kondenzátor csökkenti a sávszélességet és a tranziens válaszidőt, ezért ügyelni kell az érték kiválasztásánál a legjobb zaj-a-sebesség kompromisszum eléréséhez. A végső megjegyzés a jelenlegi forrás forrását jelenti. Függetlenül attól, hogy mi a terhelés, vagy mihez kötődik, végül a terhelésbe lépő áramnak vissza kell térnie az U 1 tápfeszültség tápkábelének egyikére, ahogy az látható; ezért a Com csomópontnak a lehető legalacsonyabb impedancia utat kell visszaállítania az U 1 erősítő tápfeszültségéhez.

4. ábra: Az áramforrás javult.

Ezek mind olyan nagyszerű áramforrások, amelyeket meg kell vizsgálni és egyszerűsítésükre és rugalmasságukra használnunk. A 4. ábrán látható forrás különösen testreszabható és az alkalmazások végtelenek, szórakoztatják a forrás finomhangolását, ami tökéletesen megfelel a terhelés igényeinek. ■

References-

1. Nilsson, James, és Riedel, Susan. Elektromos áramkörök, nyolcadik kiadás. Prentice Hall. 2007. május. Nyomtatás.

2. Horowitz, Paul és Hill, Winfield. Az elektronika művészete. Cambridge-i Egyetem. 1989. július. Nyomtatás.