Разработка термостабильного источника опорного напряжения

В последние годы в электроэнергетику стали активно внедряться цифровые микропроцессорные устройства и системы автоматического управления. Они находят применение при: автоматическом регулировании возбуждения синхронных генераторов (АРВ); автоматическом регулировании частоты вращения и активной мощности синхронных генераторов; автоматической частотной разгрузке (АЧР) электроэнергетической системы; автоматическом повторном включении (АПВ); автоматическом включении резерва (АВР); автоматическом включении синхронных генераторов на параллельную работу.

Связано это с тем, что цифровые микропроцессорные устройства и системы автоматического управления являются более эффективными по сравнению с их аналоговыми предшественниками. Их преимущества: точность; гибкость (возможность изменения алгоритма функционирования); меньшая стоимость; возможность построения сложных систем; возможность подключения к компьютерной сети.

Они содержат в своей структуре как цифровую (дискретную), так и аналоговую (непрерывную) части. Для согласования этих частей в системе используются аналого-цифровые (АЦП) и цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП). От точности используемых в системе АЦП и ЦАП напрямую зависит достоверность информации о значениях измеряемых параметров, а, следовательно, результативность принимаемых на их основе решений и качество управления.

В свою очередь такие показатели точности преобразователей как шум квантования АЦП и погрешность преобразования ЦАП связаны с применяемыми при их работе источниками опорного напряжения (ИОН). А именно, со стабильностью температурных параметров ИОН.

Нами были проанализированы существующие на сегодняшний день разновидности источников опорного напряжения: на стабилитронах, с напряжением запрещенной зоны, на полевых транзисторах, на диодах. Отмечены их недостатки: низкая температурная стабильность и высокий уровень шумов. Была поставлена цель по разработке нового термостабильного ИОН, характеризующегося температурной стабильностью при одновременном снижении уровня шумов.

В основу была положена схема ИОН на диодах и операционных усилителях. Выполнена сравнительная оценка концепций, на которых базируется известный источник опорного напряжения на диодах и операционных усилителях и предлагаемый нами.

В основе работы предлагаемого устройства был положен ряд операций:

1. Генерация убывающего от роста температуры напряжения (напряжения характеризуемого отрицательным температурным коэффициентом.

2. Генерация возрастающего от роста температуры напряжения (напряжения характеризуемого положительным температурным коэффициентом.

3. Буферизация генерируемых напряжений.

4. Масштабное суммирование двух напряжений.

5. Буферизация суммированных напряжений.

Была разработана структурная схема предлагаемого устройства, рисунок 1. Для анализа его работы была создана модель в программе схемотехнического анализа MicroCAP-8.

Рисунок 1 – Схема предлагаемого устройства

В источнике опорного напряжения применены однотипные резисторы с одинаковым температурным коэффициентом сопротивления. На операционном усилителе А₁, резисторах R₃, R₄ и R₅ собран самозапускающийся инвертирующий усилитель.

Определяющее условие работы устройства заключается в том, чтобы величина потенциала узла В значительно превышала величину потенциала узла А. Где узел В – это выход инвертирующего усилителя, а потенциал узла А задается диодом VD₁, операционным усилителем A₁, резистором R₂.

Рассмотрим за счет чего будет выполняться это условие и как в предлагаемом ИОН реализуются заявленные операции.

Так как диод VD₁ характеризуется отрицательным температурным коэффициентом, то в свою очередь, потенциал узла А характеризуется убывающим от роста температуры напряжением.

Так как операционный усилитель A₁ характеризуется отрицательным токовым коэффициентом по температуре и напряжению (ток потребления уменьшается с ростом напряжения питания и температуры), то имеет место:

1) эффект стабилизации напряжения на входе питания операционного усилителя A₁ с коэффициентом более 1000;

2) эффект возрастания напряжения питания операционного усилителя A₁ с ростом температуры. Поэтому на выходе узла В генерируется возрастающее от роста температуры напряжение.

Обобщая сказанное, на рисунке 2 показаны полученные зависимости изменения потенциалов узлов А (кривая 3) и В (кривая 1 ) от температуры.

Рисунок 2 – Графики зависимости потенциалов в точках А, В и С

от изменения температуры

Дальнейшая операция – буферизация генерируемых напряжений – осуществляется посредством операционных усилителей А₂ и А₃ выполняющих функцию защиты величин потенциалов узлов А и В от входных токов сумматора.

Сумматор собран на резисторах R₆ и R₇. Входными сигналами для него служат подвергнутые буферизации потенциалы узлов А и В.

И наконец, заключительная операция – буферизация суммированных напряжений – выполняется посредством повторителя напряжения, выполненного на базе операционного усилителя А₄. Он характеризуется малым выходным сопротивлением, благодаря чему источник опорного напряжения по своим параметрам приближается к идеальному.

Вольт-температурная характеристика на выходе устройства (узел С) показана на рисунке 2 (кривая 2). Ее наклон задается соотношением номиналов сопротивлений резисторов R₆, R₇ и входного сопротивления операционного усилителя А₄.

Как видно из принципа работы устройства, величина выходного опорного напряжения существенно зависит только от соотношения номиналов сопротивлений резисторов сумматора R₆, R₇.

Это справедливо, так как было установлено, что:

- во-первых, разброс параметров операционных усилителей и остальных резисторов не оказывает существенного влияния на величину выходного напряжения, как видно из рисунка 3.

- во-вторых, изменение напряжения питания слабо влияет на величину выходного напряжения, как видно из рисунка 4.

Рисунок 3 – Графики зависимости величины выходного опорного

напряжения устройства при отклонении номиналов сопротивлений

резисторов схемы на 5% от расчетного и неизменности

сопротивлений резисторов сумматора

В итоге, при неизменности номиналов элементов схемы и напряжения питания в диапазоне температур 1-100⁰С, разработанное устройство характеризуется следующими параметрами:

- неравномерность выходного напряжения не превышает 0,117 мВ,

- ТКН=К^-1,

- ток потребления устройства 12522 мкА, при напряжении питания, соответственно, 414 В.

Рисунок 4 – Графики зависимости величины выходного опорного

напряжения устройства при отклонении напряжения питания

устройства на 5 В от среднего (9 В)

Таким образом, мы добились повышения точности формирования опорного напряжения в сравнении с известными устройствами, при одновременном снижении сложности реализации.

Также нами был выполнен выбор и синтез следующих элементов функциональной схемы разработанного ИОН. Разработана принципиальная схема устройства. В соответствии с принципиальной схемой разработана печатная плата устройства, которая в силу сложности имеет двусторонний монтаж.

Разработанный термостабильный источник опорного напряжения подтвержден патентом на изобретение [1].

Литература:

1. Патент РФ на изобретение № 2426170 от 10.08.2011. Источник опорного напряжения / Бондарь М.С.