Źródło napięcia odniesienia.pdf

Źródło napięcia odniesienia

Do czego to służy?

Chciałbym zaproponować Czytelni−

kom EdW budowę urządzenia wyjątkowo

prostego, a przy tym spełniającego wiel−

ce użyteczną rolę. Nie ma chyba elektro−

nika, który nigdy nie skonstruowałby,

mniej lub bardziej dokładnego woltomie−

rza. Najczęściej są to przyrządy budowa−

ne w oparciu o dwa układy: ICL7107 –

7106 i ICL7135. Spełniają one różne role,

pracują zgodnie ze swoim podstawowym

przeznaczeniem jako woltomierze, ale

także bywają „sercem” innych przyrzą−

dów pomiarowych. W oparciu o miliwol−

tomierz możemy zbudować i budujemy

mierniki rezystancji, prądu i pojemności

oraz przyrządy służące do pomiaru war−

tości nieelektrycznych, takie jak np. ter−

mometry.

W każdym przypadku zbudowany mi−

liwoltomierz musimy sprawdzić i wyka−

librować. W opisach budowy miliwolto−

mierzy najczęściej spotykamy sformuło−

wania następującego rodzaju: „Za pomo−

cą potencjometru montażowego PRxx

ustawiamy napięcie 100mV pomiędzy

i na tym kończymy regulację naszego

przyrządu”. Wszystko dobrze, ale za po−

mocą jakiego miernika mamy ustawić to

napięcie? Może za pomocą miernika uni−

wersalnego 3,5 cyfry wyprodukowanego

przez bliżej nieznanego producenta z Taj−

wanu? To zakrawa na kpiny: budujemy

woltomierz 4,5 cyfry, a jego kalibracji do−

konujemy za pomocą przyrządu pomiaro−

wego o dwie klasy gorszego! Nie każdy

ma możliwość stałego korzystania z la−

boratoryjnych woltomierzy cyfrowych

klasy 5 lub więcej cyfr, ale wielu z nas

może uzyskać choć chwilowy dostęp do

przyrządu przyzwoitej klasy. Dla nich

właśnie przeznaczony jest proponowany

układ.

2226

Wykonany wielkim nakładem sił i środ−

ków woltomierz możemy najczęściej ska−

librować za pomocą dobrze znanego i nie−

zmiennego źródła napięcia odniesienia.

Nie musi to być napięcie dokładnie równe

np. 1000mV, wystarczy dowolne napię−

cie, którego wartość znamy i mamy pew−

ność, że nie uległo ono jakimkolwiek

zmianom. Takich źródeł napięcia odniesie−

nia jest wiele, wystarczy tu wspomnieć

popularne układy typu LM385. Mają one

jednak jedną wadę: zależność napięcia

wyjściowego od temperatury struktury

układu. W większości zastosowań ta wa−

da nie ma większego znaczenia, nie jed−

nak wtedy, kiedy potrzebujemy wyregulo−

wać woltomierz wysokiej klasy.

Poszukując źródła napięcia odniesie−

nia, które mogłoby posłużyć do kalibracji

woltomierzy dobrej klasy przejrzałem

wiele katalogów. Owszem, kilka firm ofe−

ruje „referencje” spełniające nasze wy−

magania, ale są to układy z reguły bardzo

kosztowne i trudno osiągalne. Kiedy już

miałem zaniechać dalszych poszukiwań,

z pomocą przyszedł mi jeden z Kolegów

redakcyjnych. „Zaraz, zaraz, chyba zapo−

mniałeś o jednym z „koni pociągowych”

elektroniki, sędziwym, lecz jak „Babcia”

Tina Turner po wsze czasy młodym:

µA723! Napięcie odniesienia tego skon−

struowanego ponad ćwierć wieku temu

układu uchodzi za jedno z najlepszych, ja−

kie kiedykolwiek wykonano.”

Podchwyciłem temat i rezultatem te−

go jest układ, który pozwalam sobie

Wam zaprezentować. Szczerze nama−

wiam do jego wykonania, ponieważ po−

trzebne do jego budowy elementy może−

cie zakupić dosłownie za grosze w do−

wolnym sklepie z częściami elektronicz−

nymi. Montaż układu nie jest zbyt skom−

plikowany i nie zajmie Wam więcej niż 1

2 godzin. Jedynym, poważnym utrudnie−

niem na jakie napotkacie będzie koniecz−

ność skorzystania z woltomierza cyfro−

wego bardzo dobrej klasy, co najmniej

5−cyfrowego.

Rys. 1. Schemat elektryczny

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 7/98

Zachwalana, dobra stabilność tempe−

raturowa napięcia odniesienia układu 723

bynajmniej mnie nie zadowoliła. Postara−

my się osiągnąć jeszcze lepsze paramet−

ry: zastosujemy w naszym urządzeniu

termostat, który będzie utrzymywał stałą

temperaturę kostki 723, zawsze wyższą

od temperatury otoczenia. Kolejnym

problemem na jaki napotkamy to zbyt

wielka, jak do kalibracji woltomierzy, war−

tość napięcia odniesienia układu 723. Za−

stosujemy więc dzielnik napięcia zbudo−

wany z rezystorów precyzyjnych, metali−

zowanych. Wartość tych rezystorów nie

będzie krytyczna, co zmniejszy kłopoty

związane z ich zdobyciem.

z rezystora R7 i termistora RT1 i drugie,

wytwarzane przez dzielnik R8, potencjo−

metr montażowy PR2 i R9. Napięcie

uzyskiwane z pierwszego dzielnika zależ−

ne jest od temperatury termistora RT1,

który w wykonaniu praktycznym układu

znajduje się w takich samych warunkach

termicznych jak IC1. Jeżeli napięcie na

końcówce NI IC 1 okaże się niższe niż na−

pięcie na końcówce IN, co oznacza spa−

dek temperatury poniżej ustawionej za

pomocą PR2 wartości, to wysterowany

zostanie tranzystor T1 polaryzując bazę

tranzystora T2. Tu wielu Czytelników

ogarnęła z pewnością zgroza: przecież to

totalna, piękna katastrofa! Tranzystor T2

spowoduje zwarcie zasilania i tylko dym

pójdzie z twojego układu, drogi autorze!

Nic podobnego, wartość rezystora R6 po−

laryzującego bazę tego tranzystora zosta−

ła tak dobrana, że przez T2 będzie płynął

prąd o wartości ok. 0,5A. Jedyną bo−

wiem funkcją spełnianą przez tranzystor

T2 jest podgrzewanie płytki termostatu.

Tak barbarzyńsko potraktowany tranzys−

tor spełnia jednak swoje zadanie dosko−

nałe. Prawie całe wytwarzane ciepło

przekazywane jest bez rozpraszania w at−

mosferę do płytki termostatu. Nie bez

znaczenia jest też mała bezwładność

cieplna wykorzystanego jako grzałka tran−

zystora.

Pozostała część układu to typowo wy−

konane stabilizatory napięcia, zasilające

układ IC1 i grzałkę termostatu i dzielniki

napięcia. Jumper JP1 wykorzystujemy

przy wyborze napięcia wyjściowego do−

starczanego z jednego z dwóch dzielni−

ków rezystorowych.

w przeznaczone dla niego otwory lutowni−

cze i całość kładziemy elementami w dół

na gładkiej powierzchni. Dopiero teraz lu−

tujemy wyprowadzenia RT1, uważając,

aby znalazł się on dokładnie w takiej sa−

mej płaszczyźnie jak grzbiet kostki IC1.

Możemy teraz zamontować pozostałe

elementy i postarać się o kawałek blachy

miedzianej lub duralowej o wymiarach

i kształcie pokazanych na rysunku 3, któ−

ra będzie służyła jako płytka termostatu.

Zgodnie z tym rysunkiem wykonujemy

w blasze odpowiednie otwory i przykrę−

camy do niej tranzystor – grzałkę T2, nie

zapominając o posmarowaniu go siliko−

nową pastą przewodzącą ciepło. Taką sa−

mą pastę nanosimy grubą warstwą na

grzbiet kostki 723 i na termistor RT1.

Jak to działa?

Schemat elektryczny proponowanego

układu został przedstawiony na rysun−

ku 1. Sama kostka 723 była wyczer−

pująco opisana w „Najsłynniejszych apli−

kacjach” w EdW 12/97.

723 −ka została w naszym układzie cał−

kowicie wykorzystana. Najważniejszym

jej elementem jest dla nas oczywiście

źródło napięcia odniesienia, ale wyko−

rzystamy także wbudowany w jej struktu−

rę wzmacniacz błędu. Niewykorzystany

zostania jedynie układ ograniczenia prą−

dowego, dla którego nie potrafiłem wy−

myślić jakiegokolwiek zastosowania.

Tak nas interesujące napięcie odnie−

sienia wyprowadzone jest na końcówkę

VR (Voltage Reference). Stamtąd dopro−

wadzone jest do trzech dzielników napię−

cia zbudowanych z rezystorów precyzyj−

nych R3, R4, R10 i R11 oraz z potencjo−

metru montażowego PR1. Wartości re−

zystorów precyzyjnych nie są krytyczne

i powinny zostać dobrane tak, aby na jed−

nym z dzielników otrzymać napięcie tro−

chę około 1000mV, a na drugim ok.

100mV. Te wartości są najwygodniejsze

do kalibrowania mierników o podstawo−

wym zakresie 1,9999V (lub 1,999V)

i 199,9mV które najczęściej budujemy

wykorzystując układy ICL. Oczywiście,

nic nie stoi na przeszkodzie aby zastoso−

wać dzielniki napięcia o innych paramet−

rach, wygodnych dla użytkownika przy−

rządu.

Dzielnik napięcia z potencjometrem

montażowym został dodany jedynie na

wszelki wypadek, do doraźnego ustawia−

nia trzeciego poziomu napięcia. Mierna

stabilność czasowa i termiczna popular−

nych HELLITRIM−ów nie gwarantuje za−

chowania ustawionej wartości napięcia

przez dłuższy okres czasu.

Przejdźmy teraz do drugiej części ukła−

du, która zbudowana została z wykorzys−

taniem wzmacniacza błędu wbudowane−

go w strukturę 723. Wzmacniacz ten po−

równuje ze sobą dwa napięcia: jedno

uzyskiwane z dzielnika zbudowanego

Rys. 3.

Możemy teraz przystąpić do ostatnie−

go etapu montażu. Płytkę termostatu

składamy z płytką obwodu drukowanego

przeprowadzając końcówki lutownicze

tranzystora T2 przez otwory w właści−

wych punktach lutowniczych. Obie płytki

skręcamy ze sobą za pomocą czterech

śrubek M3 z nakrętkami i dopiero teraz

lutujemy końcówki tranzystora T2. Na ry−

sunku 4 został pokazany szkic rozmiesz−

czenia elementów pomiędzy płytkami.

Pozostałą nam jeszcze jedna czynność

do wykonania: kalibracja układu do kalib−

racji woltomierzy. Jak już wspomniałem,

do wykonania tej czynności koniecznie

potrzebny będzie woltomierz bardzo wy−

sokiej klasy. Kalibracja za pomocą popu−

larnych mierników uniwersalnych nie

miałaby najmniejszego sensu. Wielu Czy−

telników z pewnością zapyta, czy nie

można by było po prostu obliczyć wartoś−

ci napięć wyjściowych? Przecież napięcie

referencyjne 723

jest stałe i znane!

Niestety, nie jest

aż tak dobrze. To

fakt, że napięcie

odniesienia kos−

tek 723 jest stałe,

niezmienne

w czasie i słabo

zależne od tem−

peratury, ale od−

nosi się to do jed−

nej serii produk−

Montaż i uruchomienie

Na rysunku 2 została pokazana mozai−

ka ścieżek płytki drukowanej i rozmiesz−

czenie na niej elementów. Montaż więk−

szości podzespołów wykonujemy w typo−

wy sposób, rozpoczynając od elementów

o najmniejszych gabarytach. Na razie nie

lutujemy termistora, tranzystora T2 i in−

nych elementów, których wysokość mog−

łaby być większa od wysokości IC1 wło−

żonego w podstawkę. Po wlutowaniu

części elementów i umieszczeniu 723

w podstawce wkładamy termistor RT1

Rys. 2. Schemat montażowy

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 7/98

Wykaz elementów

Rezystory

PR1: potencjometr montażowy

Helitrim 5k

R8,R9 : 220k

/20°C

R1, R2, R7: 10k

Ω

R3: objaśnienie w tekście

R4: objaśnienie w tekście

R10: objaśnienie w tekście

R11: objaśnienie w tekście

R5: 1

Rys. 4.

cyjnej danego producenta. W zależności

od serii i producenta napięcie to może za−

wierać się w przedziale 7,1...7,3V, co po−

woduje konieczność pomiaru napięć wy−

jściowych układu. Pomiarów najlepiej do−

konać po dłuższym okresie wygrzewania

układu, nawet po kilkudniowym. Należy

też pamiętać, że nasz układ jest gotowy

do pracy dopiero po ok. 1 min od włącze−

nia zasilania.

Pozostałą jeszcze do omówienia spra−

wa wartości temperatury, do jakiej ma się

rozgrzewać płytka termostatu i co za tym

idzie układ scalony IC1. Musi to być tem−

peratura w każdym przypadku wyższa,

niż przewidywana temperatura pomiesz−

czenia, w którym dokonywać będziemy

sprawdzania woltomierzy. Należy sądzić,

że w naszym klimacie odpowiednia bę−

dzie temperatura ok. 40...45 O C, którą

ustawimy za pomocą potencjometru

montażowego PR2. Do wykonania tej

czynności nie będzie nam oczywiście, po−

trzebny termometr. Wystarczy „pomiar”

temperatury dokonany za pomocą do−

tknięcia palcem: płytka termostatu po−

winna być wyraźnie gorąca, ale nie może

parzyć.

Układ powinien być zasilany ze źródła

napięcia stałego 15...20VDC lub prze−

miennego 11...15VAC o wydajności prą−

dowej ponad 0,5A.

Ω

R6: 5,6k

Ω

Kondensatory

C1: 1nF

C2: 220µF/16

C5, C3: 100nF

C4: 1000µF/25

C6: 100nF

Półprzewodniki

BR1: mostek prostowniczy 1A

IC1: uAA723 (LM723 lub inny odpowiednik)

IC2: 78L05

IC3: 7812

T1: BC548 lub odpowiednik

T2: BD140

P ozostałe

CON1: ARK3 miniaturowe

CON2: ARK2

JP1 3 goldpiny + jumper

Zbigniew Raabe

Komplet podzespołów z płytką jest

dostępny w sieci handlowej AVT jako

„kit szkolny” AVT−2226.

Ekonomiczny wykrywacz zwarć (c.d. ze str. 55)

takie dobieranie wcale nie jest koniecz−

ne, bo podczas wyszukiwania zwarcia

nie chodzi o poznanie dokładnej wartoś−

ci badanej rezystancji, tylko o znalezienie

miejsca o najmniejszej oporności.

Model pobiera w czasie pomiaru prąd

równy 13mA, a przy braku rezystancji

mierzonej, czyli rozwarciu sond, gdy świe−

ci dioda D5, pobór prądu wynosi 3mA.

Piotr Górecki

Zbigniew Orłowski

Taki pomiar czteropunktowy wcale

nie jest jednak konieczny. Kto chce, mo−

że zewrzeć na płytce punkty E1 z E2

oraz F1 z F2 i zastosować pojedyncze

przewody prowadzące do sond. Wska−

zania dołączonego miernika będą więk−

sze, bo do rezystancji badanej dojdzie

rezystancja przewodów i sond. Ilustruje

to rysunek 4.

Podczas prób okazało się, że w eg−

zemplarzu modelowym prąd pracy wy−

nosi około 0,85A i wyniki pokazywane na

wyświetlaczu dołączonego woltomierza

nie odpowiadają ściśle wartości mierzo−

nej rezystancji. Aby uzyskać prąd równy

1A należałoby dokładnie dobrać wartości

rezystorów R7 i R8 (dodać kolejny rezys−

tor równolegle do R7 i R8). W praktyce

Rys. 3. Zasada pomiaru czteropunktowego

Rys. 4. Wpływ rezystancji przewodów

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 7/98

Ω

PR2: potencjometr montażowy

miniaturowy 220k

RT1: ok. 22k

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: