|
U kunt een spanningsreferentie kant en klaar kopen, maar u kunt er ook eentje zélf maken met alledaagse onderdelen. Wij beschrijven hoe het kan. |
De theorie achter deze schakeling
Praktische beperking
Opmerking vooraf: er zijn referentie-IC’s en referentie-IC’s. De eerste soort houdt zich bezig met het opwekken van een bepaalde niet precies bekende spanning, die wél zeer constant blijft met de tijd en zo weinig mogelijk last heeft van temperatuur schommelingen. De tweede soort genereert een tot op de millivolt nauwkeurige spanning (bijvoorbeeld 10,000 V) met goede temperatuur- en lange termijnstabiliteit.
Het zal duidelijk zijn dat de tweede soort voor de zelfbouwer onbereikbaar is. U hebt immers geen referentiemeter waarmee u de uitgangsspanning kunt afregelen tot 1 mV nauwkeurig. Wat wij in dit artikel doen is een schakelingetje bespreken dat een spanning van ongeveer 7,5 V opwekt met een zo klein mogelijke temperatuurscoëfficiënt. Zo'n schakeling is bijvoorbeeld uitstekend geschikt als referentiebron in een gestabiliseerde en regelbare voeding. Dank zij de lage tempco van de referentie zal ook de uitgangsspanning van uw voeding weinig last hebben van temperatuur verloop.
Spanningsreferentie-IC's zijn prijzig
Nu zijn er uiteraard referentie-IC's van de eerste soort op de markt. Deze schakelingen zijn echter nogal prijzig en niet altijd gemakkelijk te verkrijgen voor de particulier. Voor een AD580LH van Analog Devices (2,5 V bij een temperatuurscoëfficiënt van 25 ppm/°C) betaalt u bij Conrad € 33,99 exclusief verzending.
Constante spanning met een zenerdiode
In theorie is er niets simpeler dan het maken van een constant spanningsbronnetje. Het is genoeg om, zoals getekend in de onderstaande figuur, een zenerdiode in serie met een constante stroombron Icte op een voedingsspanning +Ub aan te sluiten en de zenerdiode te belasten met een buffer met een zo hoog mogelijke ingangsweerstand. De diode stelt zich dan in op één vast punt van haar Ud/Id-karakteristiek en de stroom Icte correspondeert met de constante spanning Ucte.
 |
| Een met een constante stroom gevoede zenerdiode als basis. (© 2022 Jos Verstraten) |
De temperatuurscoëfficiënt gooit roet in het eten
Als u uw eisen wat hoger gaat stellen, klopt van dit sprookje niet zo erg veel meer. Laten we even dieper ingaan op de temperatuurscoëfficiënt, omdat deze grootheid ons in het kader van dit artikel het meest interesseert.
Het is algemeen bekend dat zenerdioden een vrij lage temperatuurscoëfficiënt kunnen hebben. Kúnnen hebben, want de waarde van deze coëfficiënt hangt van een heleboel factoren af. Op de eerste plaats van de zenerspanning zelf. Zo varieert de temperatuurscoëfficiënt bij de reeks BZX88-dioden van -2,4 mV/°C voor het 3,9 V type tot +20,4 mV/°C voor het 24 V type. Ergens moet er dus een zenerdiode bestaan met een minimale temperatuurscoëfficiënt. Voor de BZX88-serie is dat de 5,1 V met een waarde van slechts -0,8 mV/°C. Dit lijkt erg weinig, maar over een temperatuur gebied van 10 °C tot 30 °C geeft dat toch een fout van 0,31 %, onacceptabel voor deze toepassing.
Op de tweede plaats is de temperatuurscoëfficiënt afhankelijk van de zenerstroom. Hoger vermelde waarde voor de BZX88-C5V1 geldt alleen maar voor een stroom van 5 mA door de diode.
Op de derde plaats kan er eigenlijk niet worden gesproken van dé temperatuurscoëfficiënt van een zenerdiode, zelfs niet bij een gespecificeerde stroom. Nauwkeurig onderzoek toont aan dat de spanningsafwijking als functie van de temperatuur een S-vormig verloop vertoont, zoals geschetst in de onderstaande grafiek. Niet alleen is de waarde niet constant, maar bij bepaalde temperaturen slaat de positieve coëfficiënt zelfs om in een negatieve!
 |
| De temperatuurscoëfficiënt in functie van de temperatuur. (© 2022 Jos Verstraten) |
Kortom, zelfs als u de stroom constant houdt is het niet mogelijk de temperatuurscoëfficiënt door middel van één of andere compensatieschakeling te onderdrukken. Dat zou wél kunnen als de waarde van de temperatuurscoëfficiënt constant was, maar dat S-vormige grafiekje kunt u niet in een schakeling vangen.
Een transistor als zenerdiode
De enige oplossing om over een zenerdiode een zeer constante spanning te genereren is niet alleen de stroom door de diode te stabiliseren, maar ook de temperatuur van de diode. Dat u hiervoor een gesloten regelsysteem moet bouwen, met aan de ene kant bijvoorbeeld een siliciumdiode als temperatuur sensor en aan de andere kant een stel weerstanden als verwarmingselement zal duidelijk zijn. Hoe kunt u beide attributen echter zo innig met de zenerdiode verenigen dat het geheel op een zeer constante temperatuur blijft?
Vijf identieke transistoren op één chip
Een transistor kan echter ook als zenerdiode worden gebruikt. De doorslagspanning van de basis-emitter van een siliciumtransistor is namelijk vrij constant en gelijk aan ongeveer 7,5 V. Er bestaan een oeroud analoog IC van RCA, de CA3086, die vijf identieke transistoren op één chip bevat. Dat onderdeel blijkt zowaar nog tamelijk goed leverbaar te zijn voor een lage prijs. Op diverse sites wordt het aangeboden voor een prijs tussen € 1,00 en € 2,50.
Dè oplossing ligt nu voor de hand. Transistoren kunnen net zo goed als weerstanden heet worden gestookt. Als u, zoals geschetst in de onderstaande afbeelding, één transistor gebruikt als zenerdiode, de tweede als temperatuur sensor en de rest van de chip als verwarmingselement, dan hebt u een elegante oplossing voor het probleem gevonden. De 'zenerdiode' T1 wordt afgesloten met een buffer. In een vergelijker vergelijken we de spanning Ube van T2 met een zeer stabiele referentiespanning, die door middel van weerstandsdeler R3-R4 is afgeleid van de eigen referentiespanning. Deze vergelijker stuurt een bepaalde stroom door T3/T4/T5, waardoor de chip gaat opwarmen tot een door middel van de weerstandsdeler bepaalde temperatuur. Door de gesloten regellus tussen T2 en T3/T4/T5 zal het systeem zichzelf stabiliseren. De chip stelt zich in op een constante temperatuur en over T1 ontstaat een zeer constante referentiespanning.
Sturing van T1 door middel van een constante stroombron werd verworpen. Ook dit soort schakelingen heeft een tamelijk grote temperatuurscoëfficiënt. Het probleem zou zich dus alleen maar verplaatsen.
 |
| De CA3086 als zenerdiode, temperatuur sensor en oventje. (© 2022 Jos Verstraten) |
De praktische schakeling
Het volledig schema
Volgens het beschreven principe wordt een praktisch bruikbaar schema samengesteld, getekend in de onderstaande figuur. De schakeling wordt gevoed uit de standaard voedingsspanningen voor de meeste analoge schakelingen, dus ±15 V. 'Zenerdiode' T1 wordt afgesloten met een als buffer geschakelde operationele versterker IC1. Een gelijksoortig onderdeel IC2 dient als regelelement. De Ube van de temperatuur sensor T2 wordt vergeleken met een door middel van R4 instelbare spanning. Door het aanbrengen van condensator C3 wordt een soort van proportionele integraalregeling gemaakt. Zonder deze condensator zou IC2 als comparator werken en zouden de transistoren T3 en T4 aan en uit worden gestuurd. Het gevolg zou zijn dat de temperatuur van de chip rond de instelwaarde zou gaan schommelen en bijgevolg ook de zenerspanning. De transistoren T3 en T4 worden min of meer in geleiding gestuurd uit de uitgang van het regel-IC. Hierdoor gaat er een bepaalde stroom door die twee halfgeleiders vloeien en warmen deze (en de volledige chip) op.
De emitter van de vijfde transistor (pen 13) vormt het substraat van de chip en moet negatief zijn ten opzichte van alle andere aansluitingen van het array. Door middel van R11 en D1 stellen we dit punt in op een spanning van -0,7 V. Simpelweg aan de negatieve voeding leggen kan niet, want de maximale spanning over het array mag slechts 20 V bedragen.
 |
| Het volledig schema van de stabiele referentiespanning generator. (© 2022 Jos Verstraten) |
De werking van de regelschakeling
De werking van deze proportionele integraal regelaar wordt toegelicht aan de hand van de grafieken van de onderstaande afbeelding. Voor tijdstip t1 is schakelaar S1 gesloten zodat de uitgangsspanning van de op-amp IC2 wordt kortgesloten en de twee verwarmingstransistoren niet worden gestuurd. Door middel van R4 kunt u nu een bepaald spanningsverschil tussen beide ingangen U+ er U- van de op-amp instellen. Daarbij moet u rekening houden met de tegengestelde polariteiten van de temperatuurscoëfficiënt van de zenerspanning over T1 en de temperatuurscoëfficiënt van Ube van T2. De eerste stijgt bij stijgende temperatuur, de tweede daalt. U moet dus de spanning op de niet-inverterende ingang (Ube) in niet opgewarmde toestand positiever maken dan de spanning op de inverterende ingang.
Dit spanningsverschil wordt door de op-amp IC2 geïntegreerd, met als gevolg dat de uitgangsspanning Uuit vastloopt tegen de positieve voedingsspanning.
Op tijdstip t1 opent u de schakelaar, de transistoren T3 en T4 worden gestuurd. De chip warmt op, U+ gaat dalen en U- gaat stijgen. De uitgang van de op-amp IC2 blijft echter gelijk aan de oorspronkelijke waarde. Na enige tientallen seconden is de chip zoveel graden in temperatuur gestegen dat U+ gelijk wordt aan U-. Even later wordt U- een fractie van een millivolt positiever dan U+. De integrerende werking van het systeem zorgt voor een ontladen van condensator C3, zodat de uitgangsspanning Uuit van de op-amp daalt. T3 en T4 worden minder gestuurd, hun dissipatie neemt af.
Het systeem stabiliseert zich dus op een bepaalde temperatuur waarbij de warmte-toevoer via T3 en T4 gelijk is aan de warmte-afvoer naar de buitenwereld. Iedere variatie van de omgevingstemperatuur verstoort dit evenwicht, hetgeen minimale variaties op de Ube van T2 oplevert. De integrator reageert echter onmiddellijk door het veranderen van zijn uitgangsspanning. Hetgeen tot resultaat heeft dat de daaruit volgende variatie in warmte-toevoer via T3 en T4 het evenwicht herstelt.
 |
| De werking van de regelschakeling. (© 2022 Jos Verstraten) |
De bouw van de schakeling
Het printontwerp
Hoewel in de meeste gevallen deze temperatuur gecompenseerde spanningsbron geïntegreerd zal worden in een groter printontwerp, hebben we toch een klein printje voor de schakeling ontworpen.
 |
| Het printje voor de schakeling. (© 2022 Jos Verstraten) |
 |
| De componentenopstelling van de print. (© 2022 Jos Verstraten) |
De module is via een 16-polige printconnector met haakse contacten toegankelijk. Deze kunt u dus stabiel op een basisprint prikken waar grote behoefte bestaat aan een stabiele referentiespanning. Voor S1 gebruikten wij een APR printschakelaar type 25.136 HA. R4 is een cermet-instelpotmeter met een bereik van 20 slagen. Alle weerstanden zijn stabiele 1 % metaalfilm exemplaren.
De schakeling wordt gevoed uit +15 V en -15 V, waarbij zeker de positieve spanning zeer goed moet zijn gestabiliseerd.
Prestaties van de schakeling
Afregelen
Alvorens de schakeling voor het eerst met de voeding te verbinden, moet u de schakelaar S1 in de stand test zetten (gesloten). Nadien sluit u de module aan op de voeding en wacht een tiental minuten. Vervolgens meet u de spanning tussen beide testpunten en regelt deze door middel van R4 af op 140 mV, waarbij U+ positief is ten opzichte van U-.
U opent S1, het spanningsverschil tussen beide testpunten gaat vrij snel naar nul. Na een vijftal minuten is de schakeling gestabiliseerd en staat op de uitgang een spanning van ongeveer +7,5 V ter beschikking met een uitstekende temperatuurstabiliteit.
De stabiliteit in functie van de temperatuur
Om dit laatste te testen werd de schakeling langzaam van +15 °C opgewarmd tot +35 °C. Met onze 5½ digit multimeter van Fluke werd de uitgangsspanning gemeten. De meter en de voeding waren in een andere ruimte met constante temperatuur opgesteld. De spanning verliep slechts 3,2 mV. Enige berekeningetjes leveren een temperatuur verloop van 0,002 %/°C op, zonder meer een uitstekende waarde en vergelijkbaar met de afwijking van de in de inleiding genoemde kant-en-klare spanningsreferentie AD580LH van Analog Devices.
De lange termijn stabiliteit
De schakeling werd drie dagen met dezelfde meter geobserveerd en regelmatig werd de uitgangsspanning gemeten. Het grootste verloop was slechts 2,1 mV.
Als we de module loskoppelen van de voeding (deze blijft wel ingeschakeld!) en na ongeveer een uurtje weer met de voeding verbinden, komt de uitgangsspanning binnen vijf minuten terug op de oude waarde, weliswaar met een korte overshoot van ongeveer 20 mV.
De voedingsstabiliteit
Tot slot werd de gevoeligheid voor voedingsspanningsvariaties getest. Het veranderen van de positieve voedingsspanning tussen +13,0 V en +17,0 V leverde een uitgangsvariatie van 30 mV op, hetgeen overeen komt met 7,5 mV/V.
