Image34 (8)

■ Szkoła Konstruktorów

Jednak niektórzy uczestnicy zupełnie nie przejęli się wskazówką, iż układ ma być zasilany z małej baterii i ma pobierać jak najmniej prądu. Widać, iż koledzy ci zupełnie nie czują problemu, bo chcą obciążać małą bateryjkę 6F22 prądem kilkudziesięciu miliamperów! Przy takim prądzie napięcie za zaciskach zwykłej manganowej baterii może spaść nawet do połowy wartości nominalnej, a i w baterii alkalicznej też znacząco się obniży.

Choć optymalny zakres R.1 to 2,2kf2 ... 2.7kl2. pojawiły się propozycje znacznie mniejszych wartości, a rekordowo niska wartość z jednej z propozycji to... 97.6C2.

Drugi główny problem to dobór elementów dzielnika. Tu wszyscy jak jeden mąż słusznie przyjęli stosunek podziału dzielnika, by napięcia były takie jak na rysunku C. Napięcie wyjściowe U o ma być około 1,642 razy większe od napięcia Urff. co pomijając wpływający prąd Iu-f, uzyskuje się przy zależności: Rn = 1,56Ra

Takie proste obliczenia pozwalają dobrać elementy R2. R3 i PI. żeby uzyskać na wyjściu potrzebne napięcie 4,096V. W najprostszym przypadku można przyjąć, że R3 - 1,56*R2

a PI może mieć (0.05...0,2)*R3

Wartości R2, R3 mogą wynosić kilka do kilkunastu kiloomów. 1 takie proste obliczenia można uznać za wystarczające.

Ola dociekliwych

i zaawansowanych

Proponowane wartości R2, PI i R3 były bardzo różne. Dla wyeliminowania rozrzutu parametrów* elementów, w tym poszczególnych egzemplarzy układu scalonego wystarczyło, by potencjometr miał rezystancję około 10% wartości R3. a nawet mniejszą. Otóż nawet dla popularnej wersji TL431C odchyłka od wartości nominalnej 2.495V mieści się w zakresie 2,44...2,55V, czyli rozrzut wartości napięcia Urff poszczególnych egzemplarzy wynosi jedynie około ±2%. Dostępne są też bardziej precyzyjne wersje z odchyłką 1%, 0,5% czy 0,4%, jednak obliczenia należy przeprowadzać dla najpopularniejszej i najtańszej wersji. Jeśli rezystor)* R2, R3 byłyby 1-procentowe, wtedy wystarczy, by PI pozwalał regulować napięcie wyjściowe w zakresie około ±3%. Dla ułatwienia obliczeń można przyjąć, iż na połowie rezystancji

potencjometru spadek napięcia ma wynosić około 3% napięcia Urff. jak pokazuje rysunek D. Tym samym spadek napięcia na potencjometrze PI ma wynosić co najmniej 0.15V. ale powinien być znacząco większy, gdyby rezystory R2. R3 nie były precyzyjne. I -procentowe.

Zakres rezystancji elementów dzielnika, zaproponowanych przez uczestników, był bardzo szeroki: najniższa proponowana wartość R2 to 16212, najwyższa to 15()kl2. Rzeczywiście wartości R2, R3 można było wybrać w dość szerokim zakresie, ponieważ w zadaniu nie było dokładnych wskazówek co do wartości R2 i R3, a jedynie sugestia, by układ pobierał jak najmniej prądu. To skłoniło jednak niedoświadczonych uczestników do zastosowania zbyt dużych wartości rezystorów dzielnika. Wzięli oni pod uwagę tylko wartość prądu końcówki REF, który typowo wynosi 1.8uA. maksymalnie 4uA (dla niektórych kostek 6uA). Młodzi elektronicy zwykle rozumowali tak: jeśli prąd końcówki REF wynosi około 2uA, maksymalnie 4uA, wystarczy, by prąd dzielnika był dziesięciokrotnie większy.

W przypadku mało doświadczonych, młodych uczestników można od biedy uznać tego rodzaju odpowiedzi. Istotnie, często wykorzystujemy taką prostą „dziesięciokrotną” regułę. Ale tutaj należałoby wniknąć w sprawę nieco głębiej. Nic jest to bowiem jakiś prosty jednotranzystorowy wzmacniacz, gdzie 5- czy nawet 10-proccntowa zmiana parametrów pod wpływem temperatury i rozrzutu parametrów egzemplarzy jest czymś normalnym. W tym wypadku mamy zaprojektować źródło napięcia wzorcowego. Na pierwszy rzut oka wartość napięcia wyjściowego 4,096V, podana za pomocą czterech cyfr znaczących sugeruje, iż dokładność napięcia wyjściowego powinna być rzędu 1 miliwolta! W istocie wartość 4096mV wskazuje jedynie, iż źródło napięcia wzorcowego najprawdopodobniej będzie współpracować z binarnym przetwornikiem 12-bitowym, rozróżniającym właśnie 4096 poziomów.

1 od razu trzeba stwierdzić, iż w proponowanym prostym układzie precyzji rzędu 1 miliwolta uzyskać się nie da! I to z kilku powodów.

Owszem, potencjometr PI pozwoli całkowicie wyeliminować wpływ rozrzutu parametrów elementów, w tym kostki TL431 i ustawić na wyjściu potrzebne napięcie 4,096V. Ale tylko wtedy, gdy będziemy dysponować superprecyzyjnym woltomierzem o dokładności lepszej niż 0.02%. a warto pamiętać, iż popularne multimetry cyfrowe mają radykalnie gorszą dokładność pomiaru napięcia stałego: 0,5% lub 1%. Na zakresie 20V wskazanie zwykłego 3.5-cyfrowego mul-timetru będzie zawierać jedynie trzy cyfry, a z uwagi na zaokrąglenie należałoby ustawiać wartość 4.10V, a nie 4,09V. Już rozdzielczość przyrządu uniemożliwi uzyskanie precyzyjnej wartości. Ponadto jcdnoproccntowa dokładność przyrządu odniesiona do tej wartości oznacza możliwość błędu w zakresie około 4,055... 4,137V.

Co gorsza, nawet gdyby kalibrację przeprowadzić z użyciem superprecyzyjnego woltomierza, napięcie wyjściowe będzie zmieniać się pod wpływem temperatury i to znacznie więcej niż o 1 miliwolt!

I tego faktu w ogóle nie wzięła pod uwagę większość uczestników, a właśnie on ma wpływ na dobór wartości rezystorów dzielnika. Młodym uczestnikom można to oczywiście wybaczyć, niemniej warto przyjrzeć się problemowi nieco bliżej. Otóż po pierwsze, pod wpływem temperatury będzie zmieniać się napięcie odniesienia Urłk Projektowany przyrząd będzie eksploatowany w różnych temperaturach. Nawet jeśli nie będzie to pełny zakres temperatur pracy kostki TL431C. obejmujący 0...»70°C, należy założyć realnie zakres temperatur pracy przynajmniej od 115°C do 130 lub »35°C. Przy prądzie pracy kostki TL431 rzędu ImA można natomiast całkowicie zaniedbać samopodgrzcwanic wydzielaną mocą około 4mW.

W katalogach prawic wszystkich producentów podana jest informacja, iż dla popularnej wersji TL431C napięcie URth w pełnym zakresie zmian temperatury (0...+70°C) typowo zmienia sic o około 3...4mV. W niektórych katalogach nie jest podana wartość gwarantowana, a w innych tą wartością gwarantowaną jest 17mV. Dlatego nawet jeśli zakres temperatur pracy będzie wynosił > 15...' 35°C, zmiany napięcia odniesienia mogą wynieść kilka mili-woltów. Zmiany napięcia wyjściowego (nominalnie 4.096V) będą ponad 1,6 razy większe z uwagi na obecność dzielnika R2, P1.R3.

W niektórych katalogach można znaleźć wartość średniego współczynnika cieplnego napięcia UnbK, 30ppm/K, ale w innych wartość ta wynosi lOOppm/K. czyli 0.01%/K -warto też sprawdzić w kartach katalogowych, że taki średni współczynnik obliczany jest w sposób, który nic do końca odzwierciedla rzeczywistość. Gdy współczynnik ten wynosi lOOppm/K, zmiana temperatury o 20°C spowoduje zmianę napięcia Lref o 0.2%. co w odniesieniu do napięcia 4,096V da zmianę nie o lmV. tylko o 8.2mV. Niestety, nie sposób na podstawie katalogu oszacować dokładniejszych wartości, ponieważ charakterystyki, jak na pochodzącym z katalogu Motoroli

40 Wrzesień 2006 Elektronika dla Wszystkich