Что такое опорное напряжение в блоке питания

Обновлено: 22.04.2024

Сегодня мы с вами познакомимся с еще одной «железкой», которая используется в компьютерной технике. Она применяется не так часто, как, скажем, транзистор или диод, но тоже достойна внимания.

Что это такое – источник опорного напряжения TL431?

В блоках питания персональных компьютеров можно встретить микросхему источника опорного напряжения (ИОН) TL431.

Можно рассматривать ее как регулируемый стабилитрон.

Но это именно микросхема, так как в ней помещено более десятка транзисторов, не считая других элементов.

Стабилитрон – это такая штуковина, которая поддерживает (стремится поддержать) постоянное напряжение на нагрузке. «А зачем это нужно?» – спросите вы.

Дело в том, что микросхемы, из которых состоит компьютер – и большие и малые – могут работать лишь в определенном (не очень большом) диапазоне питающих напряжений. При превышении диапазона весьма вероятен выход их из строя.

Поэтому в блоках питания (не только компьютерных) применяются схемы и компоненты для стабилизации напряжения.

При определенном диапазоне напряжений между анодом и катодом (и определенном диапазоне токов катода) микросхема обеспечивает на своем выходе ref опорное напряжение 2,5 В относительно анода.

Используя внешние цепи (резисторы) можно варьировать напряжение между анодом и катодом в достаточно широких пределах – от 2,5 до 36 В.

Таким образом, нам не нужно искать стабилитроны на определенное напряжение! Можно просто изменять номиналы резисторов и получить нужное нам уровень напряжения.

В компьютерных блоках питания существует источник дежурного напряжения + 5VSB.

При этом часть компонентов материнской платы компьютера находится под этим напряжением.

Именно с помощью него и происходит запуск основной части блока питания – сигналом с материнской платы. В формировании этого напряжения часто участвует и микросхема TL431.

Чем это может нам грозить?

Если напряжение +5VSB будет больше чем надо, компьютер может «зависать», так как часть микросхем материнской платы питается повышенным напряжением.

Иногда такое поведение компьютера вводит неопытного ремонтника в заблуждение. Ведь он измерил основные питающие напряжения блока питания +3,3 В, +5 В, +12 В – и увидел, что они находятся в пределах допуска.

Он начинает копать в другом месте и тратит массу времени на поиск неисправности. А надо было просто измерить и напряжение дежурного источника!

Напомним, что напряжение +5VSB должно находиться в пределах 5% допуска, т.е. лежать в диапазоне 4,75 – 5,25 В.

Если напряжение дежурного источника будет меньше необходимого, компьютер может вообще не запуститься.

Как проверить TL431?

«Прозвонить» эту микросхему как обычный стабилитрон нельзя.

Чтобы убедиться в ее исправности, нужно собрать небольшую схему для проверки.

При этом выходное напряжение в первом приближении описывается формулой

При замыкании кнопки S1 выходное напряжение будет иметь величину 2,5 В (опорное напряжение), при отпускании ее – величину 5 В.

Таким образом, нажимая и отжимая кнопку S1 и измеряя мультиметром сигнал на выходе схемы, можно убедиться в исправности (или неисправности) микросхемы.

Проверочную схему можно сделать в виде отдельного модуля, используя 16-контактный разъем для DIP-микросхемы с шагом выводов 2,5 мм. Питание и щупы тестера подключаются при этом к выходным клеммам модуля.

Для проверки микросхемы нужно вставить ее в разъем, понажимать кнопку и посмотреть на дисплей тестера.

Если микросхема не вставлена в разъем, выходное напряжение будет равным примерно 10 В.

Вот и все! Просто, не правда ли?

*Даташит – это справочные данные (data sheets) на электронные компоненты. Их можно найти поисковиком в Интернете.

В предыдущей статье я рассказывал про умножители напряжения, а в этой закладочке я расскажу об самом основном в схемах это опорное напряжении. Для чего нужны источники опорного напряжения, а для маломощных частей схемы, для питания их стабильным током, для примерного напряжения, от которого нужно отпираться или же с которым нужно сравниваться.

Стабилизатор на стабилитроне

Самый простой вариант стабилизации на стабилитроне. Резистор R1 ограничивает ток. Условие (Uвх-Uвых)/Rs>Uвых/R2. Так же такой стабилизатор можно усилить с помощью транзистора.

Стабилизатор на TL431

ИОН(источник опорного напряжения) на стабилитроне прост, но для более высокой стабилизации, хорошо использовать регулируемый стабилитрон TL431. Которым кстати можно выставить практически любое напряжение на выходе ИОН от 2,5В до 37В. Главное, что бы входящее напряжение не превышало 40В, а рассеиваемая мощность не превышала 0,75Вт

Управление стабилитрона идет через управляющую ножку, на которой должно быть опорное равное 2,5В. Это опорное рассчитывается резисторами R2 и R3. На TL431 можно сделать так же стабилитрон на 2,5В, если подключить по схеме

Ток TL431 до 100мА, но его можно усилить с помощью транзистора, как на схеме

На этом пока остановлюсь с Ион-ами. В следующей закладке расскажу про интегральные стабилизаторы напряжения, что в принципе является продолжением статьи про ИОН-ы.

В процессе подготовки мульти-обзора на мультиметры мне стало понятно, что количество мультиметров дома вышло из-под контроля и необходимо сократить их количество до некой разумной величины.

Сейчас у меня есть старый HP 34401A, который занимает очень много места, и BM869s с истекающей заводской калибровкой, поэтому встал вопрос поиска приличного источника напряжения, которому я мог бы доверять.

AD584

На сайте хватает обзоров на AD584 и особого смысла его плотно обозревать нет. Поэтому просто поделюсь своим опытом и новым вариантом исполнения.

Вкратце это «программируемый» источник опорного напряжения состоящий из «band gap reference», ОУ и резисторной сети, с начальной точностью от 0.1% до 0.3%, долгосрочной стабильностью 25 ppm/1000 часов(похоже, что не квадратный корень, а именно линейные 1000 часов) и тепловым дрифтом от 15 до 45 ppm/°C, в зависимости от серии. В принципе, его можно настроить на любое напряжение о 2,56 до 10,24 В, что делает его очень удобным для АЦП. Для работы ему нужно на выходе хотя бы 2.5 В выше выходного напряжения.

Старый AD584

Этот экземпляр построен на AD584KH, который выглядит подозрительно свежо, достался мне за 9 долларов в октябре 2020 года.

Немедленно было проведено сравнение того, что написал нам неизвестный китаец на бумажке с мультиметром, которому я доверяю.

Было интересно проверить «долгосрочную» точность подобных решений.
Для этого я подключил его к батарее из щелочных батареек на 3 месяца и измерил напряжения еще раз.

5В просто отлично попал, остальные от 11 до 18ppm — за пределами погрешности вольтметра и градусника (помним, что каждый градус может добавить до 45ppm на полностью легальной основе).
Можно сказать, что более 2000 часов непрерывной работы от батарей не сказались на выдаваемых напряжениях.

Через какое-то время, он выпустил белый дым, на котором работает вся электроника, создал внутренний КЗ и вскипятил батарею.
Когда у меня дошли руки проверить, что же там умерло — оказалось, что виной всему светодиод, после удаления которого, все заработало как ни в чем и не бывало.
Еще один неприятный нюанс заключался в том, что мне, как и многим, пришла плата с остатками флюса. Принято считать, что флюс этот «безотмывочный» и отмывать плату не надо.

Каково же было моё удивление, когда однажды все напряжения довольно сильно «уползли».

Казалось бы, ну какая там проводимость, в низковольтных цепях. Оказалась приличной; сопротивление в 16МОм между незамкнутыми контактами переключателя находится вполне в ожидаемых пределах, а вот 8.5 кОм между двумя другими контактами — совсем нет. Плата была отмыта ацетоном и смывкой для флюса, высушена и проводимость пропала.

На сегодня, при температуре 22 градуса получаем следующие выходные параметры.

Чуть ниже по тексту мне пришлось собрать простенький стенд для проверки зависимости выходного напряжения от напряжения питания. Используем его и для этой платы тоже.

Новый AD584

Куплен за 14 долларов.
Выглядит симпатично, микросхема выглядит потертой — возможный признак оригинальности. Маркировка утверждает, что это AD584JH. В качестве переключателя используются обычные «джамперы» — неудобно.
Предполагается, что мы можем питать его как от A23 12В батарейки, так и от внешнего БП, поэтому используется диодный вентиль. Падение на диоде пол вольта, исходя из проверки описанной выше работать будет, но не долго. Это плохое решение.

В целом, по напряжению попали, но изначально указано слишком мало разрядов — использовать его как меру для проверки вольтметров, без доступа к более точным приборам, будет неудобно.

С резисторами тоже все не идеально. Результаты измерения 4 проводным методом с помощью 34401А.

Перепроверим с помощью DER EE DE-5000 и 4 проводных щупов для SMD TL-22.

Кроме того, у резисторов присутствует температурный коэффициент. Например, у меня получилось получить заявленное сопротивление для резистора 100К просто подогревая его пальцем.

LM399

Не то чтобы народный AD584 меня не устраивал, но хотелось чего-то нового.
По мнению Volt Nuts из соседнего двора, LM399 занимает третье место на пьедестале чемпионов источников напряжения, сразу после LTZ1000 и джозефсоновского контакта.
Конечно это не единственный вариант, и LTFLU не сильно хуже LTZ1000, но применять его еще сложнее.

LM399 это опорный источник, так называемого «шунтового» типа. В нашем случае это упакованный в один корпус нагреватель, высокоточный стабилитрон и их обвязка, с начальной точностью 2%, долгосрочной стабильностью 8 ppm/√kH и тепловым дрифтом от 0.5 ppm/°C. Такие ИОНы используются во многих лабораторных мультиметрах «бюджетного» класса (6 1/2 отсчетов). Из-за высокого начального разброса их «стареют», сортируют, лучшие экземпляры идут в недорогие калибраторы, похуже — в мультиметры, оставшиеся на продажу, и я так подозреваю, что самые плохие продаются на ebay или aliexpress.

Обошелся он мне всего 21доллар, что уже немного подозрительно. Приходит просто в запаянном пакетике.

Сам по себе шунт имеет небольшую ценность и ему нужен буфер-усилитель, роль которого тут играет LT1001.

Построен по схеме похожей на схему замещения нормального элемента из даташита.

Роль переменного резистора играют джамперы переключающие делитель напряжения в разных конфигурациях.

Первые измерения похожи.

Попробуем его «состарить», спустя 1500 часов.

Все очень здорово, все значения в пределах погрешности прибора и самого ИОНа.

Но, к сожалению, не все так просто, есть два существенных нюанса.

Диапазон 10В зависим от входного напряжения.

Этот конкретный экземпляр шумит. Выставим выходное напряжение на 5В, чтобы вместиться в 55000 отсчетов Fluke 287.

Флюк пишет всего раз в секунду, попробуем выяснить, насколько глубока кроличья нора. Активируем min-max режим настольного мультиметра и дадим ему постоять денек.

Попробуем измерить сам «стабилитрон», может виновата обвязка?
Соберем самый минимальный вариант, не обращайте внимания на абсолютные значения, изменилась температура, «установка» находится в комнате, в которой присутствует движение воздуха, стабилитрон запитан от батареек.

Кроме того я подключил 121GW в режиме 5 записей в секунду, чтобы оценить как долго длятся провалы. Исходя из записей сделанных за 3 часа, подобные провалы длятся не более одного цикла измерения (то есть до 400 мс).

Итого

«Оригинальная» плата на AD584 обладает известными проблемами, не думаю, что я открыл тут что-то новое. В целом, при условии отмывки платы, демонстрирует стабильность достаточную для домашнего применения.

Объединенная с резисторами плата для быстрой проверки немного бесполезна, однако она мне даже пригодилась в процессе покупки мультиметра из предыдущего обзора.

Плата на базе LM399 немного разочаровала, раз в несколько месяцев проверить мультиметр сойдет, но, скорее всего, элементы из «отбраковки». Меня такое точно не устроит.

Возможно в будущем я соберу либо основанный на двойном LM399, либо схему прям из даташита на компонентах купленных у авторизованного дилера.

Еще есть неплохой вариант от DIY-щиков из США. Жалко, что доставка и растаможка немного портят картину.

Итак, подробно разбираем схему лабораторного блока питания с регулируемым предельным током (начало здесь).

пара слов про трансформатор и диодный мост
зачем в блоке питания стабилитрон
как рассчитать ограничивающий резистор
как определить мощность, рассеиваемую на резисторе
рассчитываем делитель напряжения

Трансформатор и диодный мост

Наверное, вы обратили внимание, что на схеме блока питания отсутствует понижающий трансформатор и диодный мост. Предполагается, что радиолюбитель сам сумеет подобрать и подключить эти элементы, так, чтобы на вход схемы поступало выпрямленное напряжение в пределах 26..29 В, пульсации которого сглаживаются конденсатором C1 большой ёмкости (тысячи микрофарад).

Не буду утомлять читателя расчётами, скажу, что для получения требуемого постоянного напряжения силовой трансформатор должен понизить сетевое напряжение до примерно 20 вольт. На рисунке ниже приведена недостающая часть схемы:

Силовой трансформатор и диодный мост для блока питания

Роль стабилитрона в блоке питания

Перейдём вот к этому участку схемы:

Стабилитрон в блоке питания

Если наш блок питания претендует на стабильное выходное напряжение, не зависящее от скачков в сети 220 В и прочих помех, нам нужно где-то взять стабильное опорное напряжение, которое мы будем использовать как точку отсчёта.

С такой задачей прекрасно справляется стабилитрон VD1. Стабилитрон — это такая деталь, напряжение на которой остаётся постоянным независимо от проходящего тока (в определённых пределах, конечно). К слову, на первой картинке в этой статье приведена вольт-амперная характериситка стабилитрона.

Заглянем в характеристики используемого в схеме КС175А. Напряжение стабилизации составляет 7.5 В. Ещё там указано, что ток стабилизации от 3 до 18 мА. Если будет меньше, стабилитрон не выдаст нужные нам 7,5 В. Если больше — он выйдет из строя.

Расчёт ограничивающего резистора

За режим работы стабилитрона отвечает резистор R1, это весьма распространённая схема включения стабилитрона. На всякий случай напомню: при последовательном соединение ток, проходящий через все элементы, одинаков, а напряжение делится между ними: чем больше сопротивление элемента, тем выше на нём напряжение.

Применим эти знания на практике. Если на входе 26 В, а на стабилитроне упало 7.5, остальные 18.5 окажутся на R1. Его сопротивление 3.6 К, ток закону Ома будет равен 5 мА, такой же ток потечёт через стабилитрон. Всё в порядке, мы попали внутрь интервала стабилизации, ближе к его началу. В принципе, номинал R1 мог быть и поменьше, но тогда вырастет ток, схема станет менее экономной.

Для очистки совести давайте ещё посчитаем мощность, рассеиваемую на R1. По формуле P = I*I*R получаем 0.09 Вт, так что даже маломощный резистор, рассчитанный на 0.125 Вт, вполне подойдёт. Вообще, на будущее, не лишне будет так просчитывать каждый резистор, особенно, если Вы собираетесь уменьшить его номинал. Чтобы не прогадать с мощностью и не спалить его.

Вы можете спросить, почему мы не учли при расчётах R2 и R3, которые подключены параллельно стабилитрону, следовательно, забирают на себя часть тока? Дело в том, что их суммарное сопротивление много больше, чем сопротивление открытого стабилитрона (а входное сопротивление микросхемы DA1.1 ещё больше), значит, в данном случае они почти не влияют на режим работы стабилитрона и при расчётах ими можно пренебречь.

Делитель напряжения

Раз уж заговорили об R2 и R3 — на них собран делитель напряжения. Этот делитель снимает напряжение со стабилитрона, и часть этого напряжения отдаёт на вход микросхемы. Это то самое стабильное опорное напряжение, которого мы хотели добиться. Поскольку в составе делителя есть переменный резистор R2, то и напряжение мы можем снимать разное. Но! Зависит оно только от угла поворота ручки R2 и не зависит от колебаний напряжения в сети.

В делителе напряжения мы видим последовательное соединение, и, значит, к нему применимы все те же рассуждения, как и к стабилитрону с ограничивающим резистором.

В нижнем положении ручки R2 сопротивление нижнего плеча делителя будет равно 5.1 К (R3), а верхнего - 100 К (весь R2). Суммарно на них приходится 7.5 В, снятных со стабилитрона, значит, согласно пропроции, на среднем контакте R2 будет 0.36 В. Ну а с верхним положением всё просто - там будут полные 7.5 В.

Напряжение с R2, которое, как мы выяснили, укладывается в диапазон 0.36 .. 7.5 В, далее попадает на вход операционного усилителя DA1.1. Как он работает в этой схеме, разберём в следующей статье.

Готовый модуль AD584-М является так называемым источником опорного напряжения. Для тестирования была выбрана несколько более расширенная версия китайского комплекта. Основой схемы является хорошо известный прецизионный стабилизатор AD584. Он поставляется в нескольких версиях. В данном случае с буквой «К» на конце.

Полная документация чипа может быть прочитана здесь.

Цена такого прибора около 1000 рублей. Получаем при покупке собранную схему в прозрачном корпусе из оргстекла, который очень популярен на Али. Подобный корпус используется во многих китайских проектах.

Стенки обклеены защитной бумагой.

На этих фото вы можете внимательно посмотреть на плату.

В дополнение к самому прецизионному стабилизатору, на плате также есть модуль зарядки аккумулятора. Изменение опорного напряжения выполняется не переключателем многопозиционным или перемычками, как и во многих аналогичных конструкциях. Здесь у есть кнопка переключения тактовая. Каждый раз, когда вы нажимаете на неё, напряжение на выходе изменяется, и выводится на два гнезда под бананы.

На боковой стороне есть небольшой выключатель питания. Батарейный отсек снизу. Значения напряжения выгравированы на верхней части корпуса. Хотя это едва заметно. Питание модуля через разъем micro USB.

Полезное: Улучшенное освещение вытяжки: LED лента и регулятор

Тестирование модуля опорного напряжения

Результаты сведены в таблицу.

Можно если что установить аккумулятор. Нужен литиевый полимерный здесь: 503035, 3,7 В, 500 мАч. После подключения USB-кабеля он заряжается. На этот процесс указывает желтый светодиод.

Позже провели сравнение, повлияет ли изменение источника питания модуля эталонного напряжения: с USB-преобразователя на 5 В или на питании от батареи Li-Po, на результаты, считанные на мультиметрах. Оказалось ничего подобного не происходит. Параметры такие же, как изначально.

Читайте также: