Wykonując pomiary napięcia stałego multimetrem, zazwyczaj nie zastanawiamy się nad jego dokładnością. Otrzymując wynik 5,1V, gdy spodziewamy się czegoś w okolicy 5V, zakładamy, że wskazanie multimetru jest poprawne, mówiąc sobie, że po prostu na wyjściu zasilacza, czy porcie USB komputera różnica potencjałów jest nieco wyższa od spodziewanej. Jednak czy na pewno? Nie możemy przecież tak wprost wykluczyć sytuacji, w której to aparatura pomiarowa generuje niezgodne z rzeczywistością wyniki. Czy w takim razie można w jakiś sposób określić „prawdziwe” napięcie na wspomnianym porcie USB? Niestety odpowiedź brzmi nie, zawsze skazani jesteśmy na pewną dokładność i wykonywane pomiary zawsze obarczone są jakimś błędem. Mniejszym bądź większym, w uroszczeniu można powiedzieć, że zależnym od klasy sprzętu pomiarowego, ale trzeba jednak pamiętać, że dokładność pomiarów wielkości elektrycznych to naprawdę obszerny temat, który poruszano już w wielu książkach i artykułach.
Jakiś czas temu na kanale YouTube Pana Piotra Góreckiego, którego twórczość bardzo polecam, podobnie jak czasopismo Zrozumieć Elektronikę, pojawił się film poruszający temat scalonych wzorców napięcia. W materiale Pan Piotr testuje między innym wiekowe już chipy MAB01 produkcji Czechosłowackiej, który kojarzyło mi się, że gdzieś już widziałem. Przeszukując moje „elektroniczne szpargały”, udało mi się znaleźć nawet dwa takie układ, które kupiłem kiedyś jako typowe leżaki magazynowe. Zainspirowany filmem i artykułem Pana Piotra postanowiłem wykonać podobny test tych, jak i kilku innych wzorców napięcia, dorzucając do zestawu również diody Zenera, scalony stabilizatory oraz przetwornice DC/DC.
Tym sposobem, chciałbym dorzucić do tematu scalonych wzorców napięcia swoje trzy grosze. Poza testami opowiem wam nieco, dlaczego diod Zenara, przez wielu postrzeganych jako wzorce napięcia nie możemy traktować w ten sposób, oraz dlaczego stabilizatory oraz przetwornice kompletnie nie nadają się do generowania napięcia odniesienia, a z taką opinią, która jest wręcz aberracją, również kiedyś się spotkałem. Na sam koniec też zajrzymy do wnętrza Czechosłowackiego układu MAB01, ale zacznijmy od początku.
Czym jest źródło napięcia odniesienia?
Uzyskanie stabilnego źródła napięcia nie jest wcale takie proste, jak już wspomniałem, każdy pomiar obarczony jest pewnym błędem. Klasa aparatury pomiarowej, jej dokładność, zmiany temperatury i rezystancja przewodów pomiarowych to tylko kilka przykładów czynników, które mogą wpływać negatywnie na pomiary napięcia elektrycznego. Poza tym pamiętać musimy o czymś takim jak wykorzystany, przykładowo w multimetrze wzorzec napięcia. Każdy sprzęt pomiarowy w swoim wnętrzu musi posiadać pewien moduł odniesienia na podstawie, którego wyznaczana jest wartość mierzonych parametrów. Te realizowane mogą być na różne sposoby, w najprostszej formie źródłem napięcia referencyjnego może być dioda Zenera, ale znacznie lepszym elementem będzie tutaj scalony wzorzec, na którego podstawie niejednokrotnie budowane są większe moduły, generujące jak najbardziej stabilne napięcie odniesienia.
Niezależnie w jaki sposób zrealizowany będzie moduł napięcia referencyjnego, to jego zadanie zawsze pozostaje takie samo. Generować graniczące z ideałem napięcie, którego wartość zawsze będzie taka sama, niezależnie od warunków, w jakich pracować będzie aparatura pomiarowa. Można powiedzieć, że im dokładniejszym wzorcem dysponujemy, tym dokładniejsze będzie wskazanie miernika.
Wspomnieć trzeba też, że źródła napięcia referencyjnego znaleźć możemy też w innych urządzeniach. Wykorzystywane jest ono na potrzeby różnego rodzaju komparatorów i modułów konwersji C/A i A/C. Im dokładniejszy będzie wzorzec napięcia, tym dokładniej możemy określić wartość odczytaną z przykładowo analogowego czujnika temperatury. Poza tym wzorce napięcia wykorzystywane są też w regulowanych zasilaczach. Dzięki nim urządzenie może dostarczyć jak najbardziej dokładne i stabilne napięcie, porównywane w czasie rzeczywistym z wartością wzorcową.
Czy moje wzorce napięcia działają?
Przeglądając moje elektroniczne zasoby, udało mi się odnaleźć ostatecznie cztery układy będące wzorcami napięcie. Pierwsze dwa to typowe leżaki magazynowe pochodzące z czasów nieistniejącej już Czechosłowacji, także ich wiek szacuję na 40/50lat. Oznaczono je jako MAB01D, co ciekawe chipy te są socjalistyczną kopią trzeciego układu, czyli REF01C. Ten również jest leżakiem magazynowym produkcji Analog Devices, którego wieku niestety nie jestem w stanie określić. Ostatnim chipem jest LT1021, który wyprodukowano w fabryce Linear Technology. Układ ten musiałem skądś wyciągnąć, bo na jego wyprowadzeniach widoczne są ślady lutowania.
Każdy z tych układów jest wzorcem, który według dokumentacji generuje napięcie 10V. W ich podstawowej konfiguracji wystarczy dostarczyć do układu energię, a na jego wyprowadzeniu pojawi się w teorii idealne napięcie odniesienia. I taki właśnie test postanowiłem wykonać w pierwszej kolejności, aby zasadniczo sprawdzić, czy układy te w ogóle działają. Warto też wspomnieć, że wzorce napięcia można uruchamiać też w znacznie bardziej rozbudowanych obwodach ze sprzężeniem zwrotnym, ale w moich testach korzystać będę tylko z podstawowej aplikacji.
Po podłączeniu napięcia na wyjściu każdego z układów pojawiło się napięcie w okolicach 10V, także z dumą stwierdziłem, że układy działają prawdopodobnie poprawnie i będzie można przeprowadzić na nich (nie)profesjonalne testy. Z odczytanych wartości napięcia wynika, że najbliżej oczekiwanego 10V jest pierwszy układ MAB01D oraz REF01C. Nieznacznie od nich odbiega LT1021, natomiast najgorzej radzi sobie druga z Czechosłowackich konstrukcji. Test ten nie jest jednak w żaden sposób miarodajny. Chipy zasilane były napięciem 15V, pracowały w temperaturze pokojowej, a pomiar wykonałem zwyczajnym multimetrem Stanley STH77364. Muszę tutaj podkreślić, że było to tylko testowe uruchomienie, aby sprawdzić, czy na pierwszy rzut oka moje wzorce napięcia działają. Bardziej konkretne testy przeprowadzę później.
(Nie)profesjonalne testy
W ramach kolejnego testu postanowiłem przygotować nieco większą płytkę, na której zgromadził też nieco więcej elementów. Do grona wyżej wspomnianych wzorców napięcia dołączyła jeszcze jedna konstrukcja – Chiński moduł wzorcowy z układem AD584JH. Jest to budżetowa konstrukcja, która nabyć można już za kilkadziesiąt złotych. Moduł ma postać niewielkiej, kwadratowej płytki, na której znalazły się też kondensatory, rezystor oraz dwie diody prostownicza i świecąca, połączenie z tą konstrukcją realizowane jest za pomocą goldpinów, ale w moich testach przylutowałem się bezpośrednio do wyprowadzeń układu.
Poza tym na przygotowanej płytce umieściłem też trzy identyczne diody Zenera o mocy 0,5W i napięciu 5,1V. Każdej z nich towarzyszy indywidualny rezystor 1,2kΩ ograniczający przepływający przez nią prąd. Tak więc diody uruchomione zostały w podstawowej konfiguracji, tak aby możliwe było uzyskanie napięcia Zenera, które w wielu projektach można spotkać jako napięcie odniesienia. Warto też wspomnieć, że wykorzystane rezystory są kompletnie „zwykłymi” najtańszymi rezystorami i nie są to konstrukcje precyzyjne, będzie to miało znaczenie w późniejszych wnioskach.
Dodatkowo na płytce znalazł się stabilizator L7810CV oraz dość chętnie kupowana, niewielka przetwornica DC/DC obniżająca napięcie. Na jej spodzie umieszczone jest kilka zworek, które odpowiadają za wybór napięcia, jakie pojawi się na wyjściu tej konstrukcji. Za pomocą cyny połączyłem dwa pady, przy których znalazło się oznaczenie 5V. W konfrontacji, którą opiszę w dalszej części sprawdzimy, jak radzą sobie te elementy zarówno z, jak i bez obciążenia. Ich rolę pełnić będą rezystory mocy dobrane, tak aby płynący przez nie prąd wynosił około 500mA. Stabilizatorów i przetwornic nie możemy traktować jako wzorców napięcia, a z taką opinią się kiedyś spotkałem, bo przecież „napięcie to napięcie”. Dlatego postaram się udowodnić, że jest to spory błąd. Na płytce zauważyć można też regulowany stabilizator LM317, ale ten wypadł z całego porównania, przede wszystkim przez fakt, że jest regulowany.
Stanowisko testowe.
Założeniem testu, który wykonałem, była próba sprawdzenia jak zebrane elementy elektroniczne zachowywać będą się w różnych temperaturach. Testowe płytki umieszczone zostały wewnątrz komory klimatycznej, a przytwierdzony do nich przewód wyprowadzony na zewnątrz. Dzięki temu możliwe było bezinwazyjne zasilanie oraz odczyt napięcia z poszczególnych wzorców. Różnicę potencjałów odczytywałem w zakresie od -10°C do 30°C, co dwa stopnie. Poza tym na końcu testowe próbki rozgrzewane były kolejno do 40°C, 50°C i 60°C i przy tych wartościach również odczytywane było napięcie. Wilgotność wewnątrz komory ustawiona została na 60% i w rzeczywistości oscylowała ona wokół tej wartości.
Próbka zasilana była napięciem 15V pochodzącym z zasilacza laboratoryjnego Korad KA3005D. Natomiast aparaturę pomiarową stanowi 5,5 cyfrowy multimetr laboratoryjny Hioki 3237, którego dokładność pomiaru napięcia wynosi +/-0,025%.
Jeśli wyniki pomiarów lub wykresy są mało widoczne należy otworzyć je w nowej karcie.
Wyniki pomiarów umieściłem w zbiorczej tabeli, którą możecie zobaczyć powyżej. Na jej podstawie za pomocą Excela wygenerowałem kilka wykresów, które w dalszej części posłużą nam jako materiał do dokładniejszej analizy, choć na konkretne pomiary również warto zwrócić uwagę.
Przyglądając się wykresom, znacznie łatwiej jest zauważyć różnicę między poszczególnymi elementami. W kategorii wzorców napięcia najlepiej radzą sobie REF01C oraz LT1021. Może być to pewne zaskoczenie, zwłaszcza, że układy mają już swoje lata. Jednak jak widać generowane przez nie napięcie oscyluje bardzo blisko wartości 10V, a różnice pojawiają się dopiero na trzecim miejscu po przecinku.
Nieco gorzej, ale nadal przyzwoicie radzi sobie druga z Czechosłowackich konstrukcji. Wartości napięcia brakuje tutaj tylko dwóch setnych do pożądanej wartości.
Kolejny jest AD584JH, który mnie nieco zaskoczył. Sądziłem, że poradzi on sobie znacznie lepiej, a przegrał z trzema wiekowymi już konstrukcjami i ciężko mi osądzić, dlaczego tak się stało. Napięciu generowanemu przez ten chip brakuje mniej więcej siedmiu setnych do wzorcowej wartości 10V.
Najgorzej wypadł MAB01D oznaczony cyfra jeden. Napięcie na tym wzorcu jest o ponad jedną dziesiątą większe od 10V, przez co konstrukcja tak naprawdę nie nadaje się na dokładny wzorzec napięcia. Dlatego wrócimy do niej w dalszej części materiału.
Jak widać, każdy z układów reaguje też na skrajne testy przy temperaturach 30°C, 40°C, 50°C i 60°C. Generowane wówczas napięcie nieznacznie rośnie lub spada zależnie od konkretnego chipa.
Pożądanym napięciem dla diod Zenera było 5,1V i jak widać, żadna z konstrukcji nie trzyma tej wartości. Tak naprawdę tylko na pierwszej diodzie pojawia się to napięcie w okolicach 0°C. Wraz ze wzrostem temperatury napięcie rośnie w każdym przypadku w dość podobnym tempie, ale skala rozbieżności między wartością odczytana a pożądaną jest na tyle duża, że bez wątpienia można stwierdzić, że traktowanie diod Zenera jako wzorców napięcia nie jest najlepszym pomysłem.
Kolejnym elementem poddanym testom był scalony stabilizator LM7810. Jak widać, nie osiągnął on deklarowanej wartości 10V, która bez obciążenia była o około pięć setnych większa, natomiast z obciążeniem o ponad jedną dziesiątą mniejsza. Zwrócicie uwagę, że linia stabilizatora z podłączonym obciążeniem jest nieco bardziej stabilna we większości zakresu temperaturowego. Dopiero przy wyższych wartościach napięcie zaczyna spadac znacznie bardziej.
Ostatnim sprawdzanym elementem jest moduł miniaturowej przetwornicy. Podobnie jak stabilizator nie osiągnęła ona zakładanego napięcia 5V, przy czym wartości z obciążeni były niższe o ponad dwie dziesiąte. Bez obciążenia wartość potencjału jest bliska wartości pożądanej, ale zauważyć możemy pewne wahania. Wynikają one z impulsowego charakteru tego elementu, o czym nieco więcej wspominałem w jednym z wcześniejszych artykułów – Co musisz wiedzieć o przetwornicach napięcia?
Co będzie najlepszym wzorcem napięcia?
Odpowiedź na pytanie, co będzie najlepszym wzorcem napięcia, bazując na wynikach moich pomiarów, jest dość oczywista – wzorzec napięcia. Elementy te dedykowane są do generowania jak najbardziej dokładnej wartości niezależnie od temperatury, wilgotności czy nawet parametrów występujących w obwodzie elektrycznym. Diody Zenera, choć przez wielu traktowane jako elementy odniesienia, powinny być traktowane z pewną dozą dystansu. Zmienność napięcia Zenera potrafi być całkiem spora, dlatego elementów tych używać możemy tylko w mniej wymagających aplikacjach, w których mniej ważna jest też długoterminowa stabilność.
Przetwornice impulsowe i stabilizatory mogą być, źródłami napięcia zasilania, ale w żadnym wypadku nie powinny być punktem odniesienia. Ich zmienność i podatność na warunki zewnętrzne jest wręcz ogromna. Poza tym w obwodach zasilających pojawiać mogą się szumy i tętnienia, które wpływają nieporządnie na stabilność generowanego napięcia.
Na koniec tej części muszę wspomnieć, że nie bez przyczyny nazwałem poprzedni podrozdział nieprofesjonalnymi testami, bo jest to tylko ogólne spojrzenie na temat wzorców napięcia. Z premedytacją pominąłem dokładniejsze kontrolowanie wilgotności w komorze, której wartość była i tak zaskakująco stabilna. Aspektom metrologicznym, jak klasa wykorzystanego sprzętu, jego przygotowanie czy rezystancja przewodów również nie poświęciłem większej uwagi, ponieważ moim celem był tylko pobieżne zbadanie tematu, choć mimo to odczyty pozwoliły wyciągnąć wnioski zgodne z literaturą.
Co kryje wnętrze socjalistyczne konstrukcji?
Tak jak wspomniałem wcześniej czas wrócić do jednej z Czechosłowackich konstrukcji. Jako że chip MAB01D z indeksem jeden wypadł w konfrontacji wzorców napięcia najgorzej, postanowiłem zajrzeć do jego wnętrza, aby nieco bliżej przyjrzeć się strukturze krzemowego rdzenia. Zbiór zdjęć mikroskopowych możecie zobaczyć poniżej.
Mikroskopowe fotografie układu MAB01D.
Zaglądając do wnętrza MAB01D, zauważyć możemy kilka szczegółów. Jak już wspominałem chip ten jest w rzeczywistości kopiom zachodniego REF01C, pozbawioną między innymi obwodu sprzężenia zwrotnego temperatury. Do krzemowego podłoża podłączone są czerty wyprowadzenia, jednak widoczne są też pola dla kolejnych złotych drucików. Może to sugerować, że pod względem krzemu projekt ten nie musi być okrojoną wersją zachodniego układu. Prawdopodobnie układ jest kompletny, ale z jakiegoś powodu inżynierowie w Czechosłowackiej fabryce postanowili ich nie wykorzystywać.
Poza tym na rdzeniu zobaczyć możemy oznaczenie MAC01 oraz całkiem sporo znaczników i wzorów, które mogły być przydatne podczas kontroli jakości. Na powierzchni zauważyć można też drobne zanieczyszczenia, które powstały w czasie otwierania obudowy chipa. Poza tym uwagę zwracają postrzępione krawędzie rdzenia, które najprawdopodobniej są oryginalne.
Źródła:
- https://www.youtube.com/watch?v=bfcqgDcBork&t=170s
- https://piotr-gorecki.pl
- https://en.wikipedia.org/wiki/Voltage_reference
- https://uk.rs-online.com/web/content/discovery/ideas-and-advice/voltage-references-guide
- https://www.nutsvolts.com/magazine/article/build_a_01_accurate_voltage_reference