التطبيقات السعوية في تصميم مصدر الطاقة
2020-01-03 16:44:07
دائرة مصدر الجهد المرجعي
هناك العديد من الطرق لتصميم دائرة متكاملة لمصدر الجهد المرجعي، ولكل منها مزايا وعيوب محددة.
مصدر جهد مرجعي يعتمد على الصمام الثنائي زينر
مصدر جهد مرجعي زينر مدفون عميقًا هو تصميم بسيط نسبيًا. تتميز ثنائيات زينر (أو الانهيار الجليدي) بجهد عكسي يمكن التنبؤ به يتمتع بثبات ممتاز في درجة الحرارة وثبات ممتاز في الوقت. عادةً ما تتمتع هذه الثنائيات بضوضاء منخفضة للغاية وثبات جيد جدًا في الوقت عند الاحتفاظ بها في نطاق درجة حرارة صغير، وبالتالي فهي مناسبة للتطبيقات حيث تكون تغييرات الجهد المرجعي صغيرة.
بالمقارنة مع أنواع أخرى من دوائر مصدر الجهد المرجعي، يمكن أن يُعزى هذا الاستقرار إلى عدد صغير من المكونات ومساحة شريحة صغيرة، كما أن بناء مكونات زينر دقيق للغاية. ومع ذلك، من الشائع أن نرى اختلافات كبيرة نسبيًا في الجهد الأولي وانحراف درجة الحرارة. يمكن إضافة دوائر للتعويض عن هذه العيوب، أو يمكن توفير سلسلة من جهد الخرج. تستخدم كل من مصادر الجهد المرجعي المتسلسلة والمتفرعة ثنائيات زينر.

مصدر جهد مرجعي للفجوة النطاقية
يمكن استخدام ثنائيات زينر لإنتاج مصادر جهد مرجعي عالية الأداء ولكنها تفتقر إلى المرونة. على وجه التحديد، تتطلب جهد إمداد يزيد عن 7 فولت وتوفر جهد خرج ضئيل نسبيًا. على النقيض من ذلك، يمكن لمصادر جهد مرجعي ذات فجوة نطاقية إنتاج مجموعة متنوعة من جهد الخرج بهامش طاقة صغير جدًا (عادةً أقل من 100 مللي فولت). يمكن تصميم مصادر جهد مرجعي ذات فجوة نطاقية لتوفير جهد خرج أولي دقيق للغاية وانجراف درجة حرارة منخفض للغاية دون الحاجة إلى معايرة تستغرق وقتًا طويلاً أثناء الخدمة.
تعتمد عمليات فجوة النطاق على الخصائص الأساسية للترانزستورات ثنائية القطب. يوضح الشكل 1 مصدر جهد مرجعي أساسي لفجوة النطاق. يمكن ملاحظة أن VBE لزوج من الترانزستورات ثنائية القطب غير المتطابقة لها فرق متناسب مع درجة الحرارة. يمكن استخدام هذا الفرق لإنتاج تيار يرتفع خطيًا مع درجة الحرارة. عندما يتم دفع هذا التيار عبر المقاوم والترانزستور، فإن التغير في درجة حرارة جهد قاعدة الباعث للترانزستور مع درجة الحرارة يلغي تغير الجهد عند كلا طرفي المقاوم، إذا كان الحجم مناسبًا. على الرغم من أن هذا الإزاحة ليس خطيًا تمامًا، إلا أنه يمكن تعويضه بدوائر إضافية لجعل انحراف درجة الحرارة منخفضًا جدًا.

الشكل 1: توفر دائرة فجوة النطاق المصممة معامل درجة حرارة صفر نظريًا
إن الرياضيات وراء مصدر الجهد المرجعي الأساسي ذي الفجوة النطاقية مثيرة للاهتمام لأنها تجمع بين معامل درجة حرارة معروف ومقاومة فريدة لإنتاج جهد مرجعي مع انحراف نظري لدرجة الحرارة يساوي صفرًا. يوضح الشكل 1 الترانزستورين، بعد تعديلهما بحيث تكون مساحة الباعث في Q10 عشرة أضعاف مساحة Q10، بينما يظل تيار المجمع في Q11 وQ12 كما هو. وهذا يخلق جهدًا معروفًا بين قاعدتي الترانزستور:
حيث k هو ثابت بولتزمان بوحدة J/k (1.38×10-23)، وT هي درجة الحرارة بالكلفن (273+T(°C)). وQ هي شحنة الإلكترون بوحدة الكولوم (1.6×10-19). وعند 25 درجة مئوية، تكون قيمة kT/q 25.7 مللي فولت، ومعامل درجة الحرارة الموجب 86 درجة فولت/°C. وVBE هو هذا الجهد مضروبًا في ln(10) أو 2.3. وعند 25 درجة مئوية، يكون الجهد تقريبًا 60 مللي فولت مع معامل درجة حرارة 0.2 مللي فولت/°C.
يؤدي تطبيق هذا الجهد على المقاومة 50 كيلو أوم المتصلة بين القاعدة إلى إنتاج تيار متناسب مع درجة الحرارة. يتمتع الصمام الثنائي Q14 للإزاحة الحالية بجهد 575 مللي فولت ومعامل درجة حرارة -2.2 مللي فولت/درجة مئوية عند 25 درجة مئوية. تُستخدم المقاومة لإنتاج انخفاض في الجهد مع تطبيق معامل درجة حرارة موجب على جهد الصمام الثنائي Q14، مما ينتج عنه جهد مرجعي محتمل يبلغ حوالي 1.235 فولت، مع معامل درجة حرارة نظري يبلغ 0 مللي فولت/درجة مئوية. تظهر هذه الانخفاضات في الضغط في الشكل 1. يوفر توازن الدائرة تيار الإزاحة ومحرك الإخراج.
مصدر جهد مرجعي ذو فجوة نطاقية كسرية
يعتمد مصدر الجهد المرجعي على خصائص درجة حرارة الترانزستور ثنائي القطب، ولكن يمكن أن يكون جهد الخرج منخفضًا إلى بضعة مللي فولت. وهو مناسب للدوائر ذات الجهد المنخفض للغاية، وخاصة لتطبيقات المقارنة حيث يجب أن تكون العتبة أقل من جهد الفجوة النطاقية التقليدية (حوالي 1.2 فولت).
يوضح الشكل 2 الدائرة الأساسية لـ LM10، والتي تشبه مصدر مرجعي عادي ذي فجوة نطاقية، حيث يتم دمج المكونات المتناسبة والمتناسبة عكسيًا مع درجة الحرارة للحصول على جهد مرجعي ثابت يبلغ 200 مللي فولت. تُستخدم مصادر الجهد المرجعي ذات الفجوة النطاقية الكسرية بشكل شائع. ينتج VBE تيارًا متناسبًا مع درجة الحرارة، وينتج استخدام VBE تيارًا متناسبًا عكسيًا مع درجة الحرارة. يتم دمج الاثنين بنسبة مناسبة في عنصر مقاومة لإنتاج جهد لا يتغير مع درجة الحرارة. يمكن تغيير حجم المقاومة لتغيير الجهد المرجعي دون التأثير على خاصية درجة الحرارة. يختلف هذا عن دوائر الفجوة النطاقية التقليدية في أن دوائر الفجوة النطاقية الكسرية تجمع التيارات، في حين تميل الدوائر التقليدية إلى الجمع بين الفولتات، عادةً الباعث، وجهد القاعدة، وI؟ R.
الشكل 2: دائرة مصدر جهد مرجعي 0 مللي فولت
كما أن مصادر الجهد المرجعي ذات الفجوة النطاقية الكسرية مثل دائرة LM10 تكون قابلة للطرح في بعض الحالات. تحتوي بعض الأجهزة على مصدر طاقة صغير ومصدر جهد منخفض 400 مللي فولت ومصدر مرجعي متسلسل للمضخم. وبالتالي، يمكن تغيير الجهد المرجعي عن طريق تغيير مكسب المضخم وتوفير خرج مؤقت. يمكن استخدام هذه الدائرة البسيطة لإنتاج أي جهد خرج أقل من جهد مصدر الطاقة من 0.4 فولت إلى بضعة مللي فولت.
الشكل 3: دعم للمقارنة مع عتبة منخفضة تصل إلى 400 مللي فولت
تجمع بعض الأجهزة بين مصدر جهد مرجعي 400 مللي فولت ومقارن، وهو حل أكثر تكاملاً ويمكن استخدامه كمراقب جهد أو مقارن نافذة. يمكن لمصدر الجهد المرجعي 400 مللي فولت مراقبة إشارات الإدخال الصغيرة، وبالتالي تقليل تعقيد دائرة المراقبة (الشكل 3). يمكنه أيضًا مراقبة مكونات الدائرة التي تعمل بجهد طاقة منخفض جدًا. إذا كانت العتبة كبيرة، فيمكن إضافة مقسم مقاومة بسيط (الشكل 4). يتم تعبئة هذه المنتجات بأحجام صغيرة (SOT23)، وتستهلك طاقة قليلة جدًا (أقل من 10xa)، وتدعم نطاق طاقة واسع (1.4 فولت إلى 18 فولت).
الشكل 4: يتم تحديد عتبة أعلى بواسطة جهد الدخل الجهد الجزئي
حدد مصدر الجهد المرجعي
مع وضع كل هذه الخيارات في الاعتبار، كيف تختار مصدر الجهد المرجعي المناسب لتطبيقك؟ إليك بعض النصائح لتضييق نطاق خياراتك:
● جهد مصدر الطاقة مرتفع جدًا؟ حدد مصدر جهد مرجع التحويلة.
● هل يختلف جهد الإمداد أو تيار الحمل بشكل كبير؟ حدد مصدر جهد مرجعي متسلسل.
● هل تحتاج إلى نسبة كفاءة عالية؟ اختر مصدر جهد مرجعي متسلسل.
● تحديد نطاق درجات الحرارة الفعلية. تتراوح درجات الحرارة من 0 درجة مئوية إلى 70 درجة مئوية، ومن -40 درجة مئوية إلى 85 درجة مئوية، ومن -40 درجة مئوية إلى 125 درجة مئوية.
● يجب أن تكون متطلبات الدقة واقعية. من المهم فهم الدقة المطلوبة للتطبيق. يساعد هذا في تحديد المواصفات الأساسية. لهذا المتطلب، اضرب الانحراف في درجة الحرارة في نطاق درجة الحرارة المحدد، بالإضافة إلى
يتم الحصول على الدقة الكلية عن طريق طرح أي عناصر سيتم معايرتها في المصنع أو إعادة معايرتها على فترات منتظمة من خطأ الدقة الأولي، والهستيريسيس الحراري، والانحراف الطويل الأمد أثناء عمر المنتج المتوقع. بالنسبة للتطبيقات الأكثر تطلبًا، يمكن أيضًا إضافة أخطاء الضوضاء وضبط الجهد وضبط الحمل. مثل:
يحتوي مصدر الجهد المرجعي على خطأ دقة أولي بنسبة 0.1% (1000 جزء في المليون)، وانحراف درجة الحرارة بمقدار 25 جزء في المليون/درجة مئوية من -40 درجة مئوية إلى 85 درجة مئوية، وتأخير حراري بمقدار 200 جزء في المليون، وضوضاء من الذروة إلى الذروة بمقدار 2 جزء في المليون، وانحراف زمني بمقدار 50 جزء في المليون/√كيلوهرتز.
ومن ثم فإن عدم اليقين الإجمالي سوف يتجاوز 4300 جزء في المليون عند بناء الدائرة.
في أول 1000 ساعة بعد تنشيط الدائرة، يزداد هذا الغموض بمقدار 50 جزء في المليون. يمكن معايرة الدقة الأولية لتقليل الخطأ إلى 3300 جزء في المليون + 50 جزء في المليون، أليس كذلك؟ الجذر التربيعي لـ t على 1000 ساعة.
● ما هو نطاق الطاقة الفعلي؟ ما هو أقصى جهد إمداد متوقع؟ هل هناك أي ظروف عطل يجب أن يتحملها مصدر الجهد المرجعي IC، مثل انقطاع طاقة البطارية أو ارتفاعات طاقة الحث الساخن؟ يمكن أن يؤدي هذا إلى تقليل عدد مصادر المرجع المتاحة بشكل كبير.
● ما هو استهلاك الطاقة المحتمل لمصدر الجهد المرجعي؟ تميل مصادر الجهد المرجعي إلى الوقوع في عدة فئات:
أكبر من 1 مللي مول، ~500 مول من A، <300 مول من A، <50 مول من A، <10 مول من A، <1 مول من A.
● ما حجم تيار الحمل؟ هل يستهلك الحمل كميات كبيرة من التيار أم يولد التيار الذي يجب أن يمتصه مصدر المرجع؟ لا تستطيع العديد من مصادر الجهد المرجعي توفير سوى كمية صغيرة من التيار للحمل، وقليل منها يستطيع امتصاص كمية كبيرة من التيار. يمكن لمواصفات معدل تعديل الحمل توضيح هذه المشكلة بشكل فعال.
● ما مقدار مساحة التثبيت المتاحة؟ يأتي مصدر الجهد المرجعي في مجموعة متنوعة من العبوات، بما في ذلك علب الغطاء المعدني والأختام البلاستيكية (DIP وSOIC وSOT) والعبوات الصغيرة جدًا، مثل المنتجات ذات DFN 2 مم × 2 مم. ومن المقبول عمومًا أن الخطأ الناتج عن الإجهاد الميكانيكي لمصدر الجهد المرجعي في عبوة أكبر يكون أقل من الخطأ الناتج عن مصدر الجهد المرجعي في عبوة أصغر. وفي حين أن هناك بعض مصادر الجهد المرجعي التي تعمل بشكل أفضل مع العبوات الأكبر، فهناك أدلة على أن الاختلافات في الأداء لا ترتبط بشكل مباشر بحجم العبوة. والأرجح أنه نظرًا لأن المنتجات في العبوات الأصغر تستخدم رقائق أصغر، فيجب إجراء نوع من التنازلات في الأداء لتناسب الدوائر الكهربائية على الشريحة. غالبًا ما يكون لطريقة تركيب العبوة تأثير أكبر على الأداء من العبوة الفعلية، والاهتمام الوثيق بطريقة التركيب والموقع يزيد من الأداء. بالإضافة إلى ذلك، عندما تنحني لوحة الدوائر المطبوعة، قد يكون الجهاز ذو البصمة الأصغر أقل إجهادًا من الجهاز ذو البصمة الأكبر.