Kategorie

Wzorce napięcia

W wielu systemach pomiarowych różnych wartości fizycznych, właściwy pomiar sprowadza się do pomiaru napięcia. Istnieje szeroki zakres przetworników, które konwertują wartości, takie jak temperatura czy natężenie światła, na napięcie. Na czym polega pomiar napięcia? W dużym uproszczeniu, aby zmierzyć jego wartość, trzeba porównać je z napięciem znanym, na przykład pochodzącym ze wzorca napięcia. Da nam to informację na temat tego, czy mierzone napięcie jest większe czy mniejsze. W wielu układach – na przykład regulatorach – to wystarczająca informacja. W systemach, gdzie potrzebna jest większa dokładność, porównywać mierzone napięcie można do połowy wzorca napięcia, jednej czwartej, jednej ósmej i tak dalej.

Źródła napięcia odniesienia

Aby w danym systemie wygenerować niezależny od napięcia zasilania poziom napięcia odniesienia, konieczny jest dedykowany układ, czyli wzorzec napięcia. Tego rodzaju elementy są szeroko wykorzystywane w elektronice analogowej i systemach mieszanych, analogowo-cyfrowych, takich jak regulatory, sterowniki oraz przetworniki analogowo-cyfrowe i cyfrowo-analogowe. Układy te wykorzystują napięcie odniesienia do pracy, porównywania z innymi napięciami czy konwersji napięcia podanego analogowego z i na postać cyfrową.

Stabilizatory napięcia a wzorce napięcia odniesienia

Należy odróżnić wzorce napięcia od zwykłych stabilizatorów napięcia (liniowych i impulsowych), o ile zachowują się one podobne. Na wyjściu dają określone napięcie, niezależnie od napięcia zasilania. Różnią się jednak szeregiem cech. Wzorce napięcia są o wiele bardziej dokładne i stabilne, a także charakteryzują się niższym prądem wyjściowym, co sprawia, że często napięcie odniesienia z takiego układu musi być buforowane, na przykład przy wykorzystaniu wzmacniacza operacyjnego.

Typowe metody stabilizacji napięcia odniesienia

Istnieje wiele metod (zjawisk fizycznych), wykorzystywanych do konstrukcji wzorców napięcia. Pierwszymi źródłami napięcia odniesienia były procesy elektrochemiczne, jednakże takie urządzenia są wysoce niepraktyczne i nie da się stosować ich poza laboratorium. Kolejna generacja układów stabilizujących napięcia odniesienia oparta była na gazowanych lampach. Wprowadzenie układów półprzewodnikowych było kolejnym etapem rozwoju wzorców napięcia. Pierwsze były diody Zenera, a obecnie najczęściej wykorzystuje się systemy bazujące na sumie spadku napięcia na diodzie półprzewodnikowej i różnicy napięć na dwóch złączach PN o różnych wartościach płynącego prądu. Takie rozwiązanie oferuje wysoką stabilność temperaturową, z uwagi na to, że wykorzystane efekty mają, odpowiednio, ujemny i dodatni współczynnik temperaturowy, wypadkowo kompensując się nawzajem.

Aplikacje wzorców napięcia w systemach analogowych i mieszanych

Typowym zastosowaniem napięć odniesienia są systemy mieszane, czyli analogowo-cyfrowe, które wykorzystują poziom tego napięcia w układach odpowiedzialnych za translację wartości analogowych na cyfrowe. W domenie cyfrowej wszystkie wartości amplitudy są z założenia bezwymiarowe. Dopiero w momencie translacji z/na wartość analogową są one konwertowane na jakiś ułamek napięcia pełnej skali danego obwodu. Najczęściej napięcie to równe jest napięciu pochodzącemu ze wzorca napięcia.