마이크로파워 전압 안정기. 계획, 설명

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자율 전원 공급 장치를 갖춘 전자 장비의 가장 중요한 지표 중 하나는 구성 요소의 효율성입니다. 아래에 설명된 마이크로 전력 전압 안정기에서 기준 전압원은 최소 작동 전류가 수 밀리암페어인 제너 다이오드가 아니라 pn 접합이 있는 전계 효과 트랜지스터에서 만들어집니다. 이 경우, 트랜지스터의 차단전압을 예로 들겠다. 이러한 회로 솔루션을 통해 스태빌라이저가 소비하는 전류를 약 100μA로 줄일 수 있었습니다. 출력 전압의 열 안정성을 보장하기 위해 추가 조치를 취함으로써 이러한 안정기는 매우 높은 정확도의 기준 전압 소스(RV)로 사용될 수 있습니다.

전압 안정기의 첫 번째 버전은 높은 전압 이득(Ku>=154*1)과 낮은 전류 소비(Iп<= 1*2-105)를 갖는 주파수 보정 연산 증폭기 K1,2UD10B(그림 4)에 조립됩니다. ). 회로의 단순성에도 불구하고 스태빌라이저는 높은 기술적 특성을 가지고 있습니다.

소비 전류, A ....... 10-4
안정화 계수, ....... 4 * 104 이상
출력 임피던스, 옴, 더 이상 .......10-3
최대 부하 전류, A.......10-2
출력 전압의 온도 계수, 1/°С, 더 이상.......5*10-4

안정기의 대표적인 전계 효과 트랜지스터 VT1의 혼합 전압은 저항 R1에 형성됩니다. 연산 증폭기 DA1은 비반전 증폭기로 연결되며 이득은 네거티브 피드백 회로에 연결된 분배기 R2R3에 의해 설정됩니다. 연산 증폭기 DA1의 비반전 입력에 기준 전압 Urev가 인가되므로 출력은 Uout = (R3/R2+1)*Urev가 됩니다.

전계 효과 트랜지스터 VT1의 드레인은 안정기의 출력에 연결되므로 기준 전압이 매우 높은 정확도로 유지됩니다. 테스트 결과, 공급 전압이 6,7V에서 32V로 증가하면 출력 전압의 변화는 68002자리 디지털 전압계 Shch0,1(10V 제한에서 XNUMXmV의 분해능)로 등록할 수 없는 것으로 나타났습니다. 따라서 고려되는 안정기의 출력 전압의 불안정성은 주로 수동 소자(저항기)의 품질과 기준 전압의 온도 의존성으로 인해 발생합니다.

이러한 의존성은 전류 소비를 약간 증가시키면서 거의 XNUMX으로 줄일 수 있습니다. 사실 다양한 유형의 전계 효과 트랜지스터에는 게이트-소스 전압이 온도에 의존하지 않는 드레인 전류 값이 있습니다.

그런데 p-채널과 차단 전압이 1...2V인 트랜지스터에 대한 이 값은 25~250μA 범위에 있는 것으로 알려져 있습니다. 실제로 이러한 한계는 일반적으로 생각되는 것보다 분명히 더 넓습니다. 따라서 고려중인 안정기에서 테스트 한 전계 효과 트랜지스터 사본 중 하나의 경우 650μA와 동일한 것으로 나타났습니다.

마이크로파워 전압 안정기
그림. 1

기술적 특성이 높기 때문에 주 전원 공급 장치가 있는 장비에는 설명된 전압 안정기를 사용하는 것이 좋습니다. 입력 전압은 32V를 초과해서는 안 됩니다. 허용 부하 전류를 높이려면 적절한 전력의 트랜지스터에 있는 이미터 팔로워를 통해 연산 증폭기 DA1의 출력에 연결해야 합니다. 1A보다 큰 전류의 경우 두 개의 트랜지스터가 있는 복합 리피터가 필요할 가능성이 높습니다. 필요한 출력 전압 값은 저항 R2, R3을 선택하여 설정됩니다. 연산 증폭기 DA1의 정상적인 작동을 보장하려면 기준 전압이 2V보다 낮아서는 안 되며, 출력 전압(핀 6)은 (Upit - 2)V를 초과해서는 안 됩니다.

스태빌라이저의 두 번째 버전의 개략도가 그림 2에 나와 있습니다. 널리 사용되는 요소를 사용하여 조립되며 다음과 같은 기술적 특성을 가지고 있습니다.

소비 전류, A, 더 이상 ....... 9*10-5
안정화 계수 ..... 8*102
출력 임피던스, 옴.......2*10-2
최대 부하 전류, A ....... 5 * 10-2
출력 전압의 온도 계수, 1/°С, 더 이상.......5*10-5

이 안정기의 흥미로운 특징은 전계 효과 트랜지스터 VT1, VT2의 전류 안정기를 열 보상 요소로 사용하고 내부 저항이 높은 동적 부하의 주요 기능도 수행한다는 것입니다. 첫 번째 옵션과 달리 여기에서는 트랜지스터의 현재 작동 모드와 그에 따른 전력 소비를 설정할 수 있습니다. 예를 들어 모든 저항의 저항을 여러 번 높이면 그에 따라 전류 소비가 감소합니다.

안정 장치는 보상 체계에 따라 제작되었습니다. 제어 요소는 OE 회로에 따라 연결된 트랜지스터 VT3에서 만들어집니다. 이 요소는 트랜지스터 VT4, VT5의 복합 전압 팔로워를 통해 깊은 네거티브 피드백으로 덮여 있습니다. 트랜지스터 VT3의 부하는 전류 안정기 VT1, VT2, R1입니다. 캐스코드 연결 덕분에 전류 안정기의 매우 높은 내부 저항(약 150MOhm)을 얻을 수 있었으며 이는 전체 장치의 기술적 특성을 크게 향상시켰습니다.

전압 팔로워 VT4, VT5가 트랜지스터 VT1-VT3을 통해 흐르는 전류에 영향을 미치지 않도록 팔로워의 첫 번째 트랜지스터가 전계 효과 트랜지스터로 선택됩니다. 리피터의 두 번째 트랜지스터는 바이폴라여야 합니다. 왜냐하면 전계 효과에 비해 특성의 가파른 정도가 크기 때문에 전압 팔로워와 안정기 전체의 출력 저항을 크게 줄일 수 있기 때문입니다.

마이크로파워 전압 안정기
그림. 2

출력 전압의 온도 안정화 아이디어는 다음과 같습니다. 고정 콜렉터 전류에서 바이폴라 트랜지스터의 베이스와 이미터 사이의 전압 Ube는 -2mV/°C의 음의 온도 계수를 갖습니다. 결과적으로, 전계 효과 트랜지스터의 드레인 전류는 차단 전압의 온도 드리프트로 인해 미세전류 영역에 있게 됩니다. 약 +2mV/°C와 동일하며 약 +10-3/°C 계수로 온도에 따라 달라집니다. 안정기의 저항 R2를 통해 흐르는 이 전류는 전압 강하를 생성하며, 이는 저항 R2의 특정 값에서 +2 mV/°C의 온도 계수를 갖게 됩니다. 따라서 Uout=(UBE3+UR2)(R4/R5+1)과 동일한 출력 전압은 온도에 거의 의존하지 않습니다(UBE3은 트랜지스터 VT3의 이미터 접합 전압입니다). 저항 R2를 신중하게 선택하면 가장 낮은 온도 계수 값을 얻을 수 있습니다.

열 보상 장치의 안정적인 작동을 위해서는 트랜지스터 VT1과 VT3의 pn 접합 사이의 온도 차이를 극히 최소 수준(0,05°C 이하)으로 유지해야 합니다. 이 문제를 해결하는 가장 쉬운 방법은 이러한 트랜지스터 본체 사이의 열 접촉을 보장하는 것입니다. 그러나 이 조치는 항상 정당한 것은 아니며 불필요한 것으로 판명될 수도 있습니다. 열 구배를 유발할 수 있는 요인(강력한 트랜지스터의 방열판과 같이 밀접하게 위치한 가열 부품)이 없는 경우 트랜지스터 VT1 및 VT3의 하우징은 별도로 설치하더라도 수백 분의 30 범위 내에서 동일한 온도를 갖습니다. 어느 정도. 방출되는 자체 화력은 0,03μW를 초과하지 않으며 이로 인해 반도체 결정의 온도가 0,5 ° C 이하로 증가합니다 (낮은 환경에 대한 전이 열 저항의 일반적인 값). 전력 트랜지스터는 1....1 S/mW입니다. 이는 트랜지스터 VT3 및 VTXNUMX 하우징의 열 접촉 없이 어떤 경우에는 출력 전압의 높은 열 안정성이 보장될 수 있음을 보여줍니다.

안정기용 부품을 선택할 때 차단 전압을 기준으로 전계 효과 트랜지스터를 선택하는 데 특별한 주의를 기울여야 합니다. 첫 번째 버전의 스태빌라이저(그림 1)의 경우 2V 이상이어야 합니다. 두 번째 옵션(그림 1)의 트랜지스터 VT2은 차단 전압이 0,6...1V, VT2 - 1,8.. 이내여야 합니다. .2,2 ,3 V. VT1 - 3..303 V. 트랜지스터에 대한 다른 특별한 요구 사항은 없으므로 KP302E 대신 KT307G - KT315G - KT3102E, KT3102B, KT342V 대신 KP342 및 KPXNUMX 시리즈의 트랜지스터를 사용할 수 있습니다.

전류 안정기 VT1VT2R1(그림 2)은 XNUMX단자 장치이므로 p 채널이 있는 전계 효과 트랜지스터 대신 필요한 스위칭 극성을 유지하면서 n 채널이 있는 트랜지스터를 사용할 수 있습니다.

K154UD1B 연산 증폭기의 대체품으로 K140UD12 및 KR1407UD2를 권장할 수 있지만 핀아웃이 다르고 허용 부하 전류가 1mA 미만입니다. 보정 커패시터 C1 - 모든 세라믹 시리즈 KM-5, KM-6 등

안정기에서 출력 전압의 시간 및 온도 안정성에 대한 요구 사항이 낮은 경우 허용 오차가 0,125%인 저항기 MLT-0,25 또는 MLT-5를 사용하는 것이 좋습니다. 그렇지 않으면 모든 저항기(그림 3의 R2 제외)를 사용해야 합니다. 정밀도(예: C2 -13-0,25, 공차 0,1%)입니다.

안정기 설정은 피드백 회로 저항의 저항 비율을 선택하여 원하는 출력 전압 값을 설정하는 것으로 구성됩니다. 각 안정기에는 네거티브 피드백 회로에 소용량 보정 커패시터 C1을 포함시켜 고주파수에서의 자기 여기를 제거하기 위한 조치가 취해졌습니다. 그럼에도 불구하고 기생 발생 가능성을 배제할 수는 없다. 이는 출력에 500pF~0,1μF 용량의 부하 안정기가 있는 경우 가능합니다. 기생 생성을 제거하려면 안정기 부하와 병렬로 1~10μF 용량의 산화물 커패시터를 켜는 것으로 충분합니다.

저자: S. 페디친

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세 가지 개발은 모두 서로 다소 다르지만 모두 그래핀의 핵심 기능인 서로 다른 에너지를 가진 광 양자를 전기 충격으로 변환하는 능력을 사용합니다. 기존의 광검출기는 광 양자가 전하 캐리어에 충분한 에너지를 전달하여 반도체의 에너지 준위 간 격차인 전위 장벽을 극복하기 때문에 작동하지만 그래핀은 "완전한" 반도체가 아니며 그렇게 하지 않습니다. 밴드갭이라고 한다.

밴드 갭이 없기 때문에 그래핀 검출기는 파장이 1,55~2,75마이크로미터인 중적외선 범위의 광양자를 등록할 수 있었습니다. . 저자들은 같은 범위의 감도를 가진 게르마늄 유사체가 액체 질소로 냉각해야 하지만 검출기가 실온에서 작동할 수 있다고 주장합니다. 네이처 뉴스(Nature News)가 설명하듯이 실온에서 작동하면 대기 중 화학 물질을 더 쉽게 식별하고 진단 목적으로 생화학 연구에 더 쉽게 접근할 수 있습니다.

미국 그룹의 일원인 매사추세츠 공과대학(Massachusetts Institute of Technology)의 물리학자인 Dirk Englund도 그래핀 기반 광검출기를 통한 데이터 전송 속도가 초당 12기가비트로 기존 반도체 소자에 필적하는 것으로 밝혀졌다고 강조했다. . 그의 예측에 따르면 과학자와 기술자가 이 XNUMX차원 물질을 일관되게 고품질로 합성하는 방법을 배울 때 그래핀으로의 빠른 전환이 일어날 것입니다. 오늘날 이것이 그래핀 전자공학의 주요 장애물입니다.

새로운 검출기를 만든 과학자 중 한 명인 비엔나 공과 대학의 Thomas Müller는 밴드 갭이 없기 때문에 적외선 펄스를 전기 펄스로 변환하는 장치에 이상적인 재료로 만들었다고 설명합니다.

Muller는 그래핀이 전통적인 게르마늄보다 저렴할 것이라고 약속했으며 그래핀을 사용한 작업은 기술 수준에서 이미 충분히 개발되었다고 Nature Photonics에 설명된 세 가지 장치 모두에 대해 설명했습니다. 이전에 그래핀 광검출기의 생성을 방해한 주요 문제는 재료의 투명도였습니다. 빛과 적외선을 투과하는 그래핀은 정의상 방사선 흡수와 관련된 작용을 하는 장치에 적합하지 않았습니다. 2009년에 획득하여 Nature Nanotechnology에 기술된 최초의 검출기 샘플은 투명성으로 인해 효율성이 매우 낮았으며 이러한 장치의 실제 적용에 대해 이야기하는 것이 불가능했습니다. 문제는 이제야 해결되었습니다. 조명 중에 감지기에서 방출되는 전류는 아직 게르마늄 장치의 일반적인 값에 도달하지 않았지만 이미 50년 결과를 2009배 이상 초과했습니다. 모든 개발자에 따르면 격차는 곧 좁혀질 것입니다. 또한 새로운 감지기는 이미 다른 측면에서 게르마늄 감지기를 능가했습니다.

실리콘 및 많은 반도체에 비해 전하 캐리어의 이동성이 더 크기 때문에 그래핀은 전자 장치에 대한 유망한 재료로 간주됩니다. 그것의 단점은 변형되지 않은 그래핀에 밴드 갭이 없고 큰 균질 시트를 얻기 위한 기술적 복잡성이 있다는 것입니다.

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