Почему регуляторам напряжения нужна температурная компенсация?

Основная причина температурной компенсации регулятора напряжения заключается в том, что электрические параметры электронных компонентов изменяются в зависимости от температуры, что влияет на точность и стабильность регулирования напряжения. Технология температурной компенсации позволяет снизить влияние температуры на работу компонентов и обеспечить стабильное выходное напряжение регулятора напряжения в диапазоне температуры окружающей среды. Вот некоторые подробности:
I. Влияние температуры на ключевые компоненты регуляторов напряжения
Электрические параметры ключевых компонентов регулятора напряжения, таких как резисторы, конденсаторы, диоды и транзисторы, изменяются в зависимости от температуры, что приводит к отклонению выходного напряжения от заданного значения. Конкретные проявления следующие:
Изменение сопротивления
Температурный коэффициент резистора металлической пленки составлял ± 100 ppm/oC (т.е. . 0.01% изменение сопротивления на каждый 1 градус изменения температуры).
Например, при повышении температуры на 50 градусов резистор 100 Омега может изменить значение + -500 Омега, напрямую влияя на выходное напряжение схемы делителя.
Изменение прямого падения напряжения на диоде
Положительное падение напряжения на кремниевом диоде уменьшается с увеличением температуры, обычно -2 мВ/оС.
Например, в схеме опорного напряжения, если падение напряжения на диоде упадет с 0,7 В до 0,6 В, выходное напряжение упадет примерно на 14%.
Дрейф параметров транзистора
Такие параметры, как коэффициент усиления транзистора по току (бета) и напряжение базальной эмиссии (Vbe), чувствительны к температуре.
Например, на каждый 1 градус увеличения Vbe происходит снижение примерно на 2 мВ, что может привести к смещению рабочей точки транзистора, что повлияет на коэффициент усиления и стабильность схемы усилителя.
Изменение значения конденсатора
Емкость электролитического конденсатора увеличивается с температурой, а емкость керамического конденсатора уменьшается с температурой.
Это изменение емкости повлияет на частоту среза схемы фильтра и приведет к увеличению пульсаций выходного напряжения.
ii. Необходимость температурной компенсации
Без регулятора напряжения с температурной компенсацией колебания температуры могут вызвать следующие проблемы:
Смещение выходного напряжения
Например, в автомобильном регуляторе генератора переменного тока, если опорное напряжение снижается из-за повышения температуры, выходного напряжения генератора может быть недостаточно для зарядки аккумулятора, что приводит к его разрядке.
Сниженная точность регулирования
В прецизионных приборах (например, в медицинском оборудовании и лабораторных источниках питания) температурные-колебания напряжения могут превышать допустимую погрешность, что влияет на производительность устройства или результаты экспериментов. Риск стабильности системы
Изменения температуры могут привести к тому, что регулятор попадет в нелинейную рабочую зону, вызывая колебания, нестабильность и даже повреждение нагрузочного устройства.
Уменьшенная продолжительность жизни
Длительный-дрейф температуры приведет к накоплению напряжения в компонентах, ускорению старения и сокращению срока службы регулятора.
III. Метод температурной компенсации
Регуляторы напряжения используют следующие методы для достижения температурной компенсации:
1. Аппаратная компенсация
(1) Термисторная компенсация
В схеме делителя используется ряд терморезисторов с отрицательным температурным коэффициентом. Его сопротивление уменьшается с увеличением температуры, компенсируя температурный дрейф других резисторов.
Например, в цепи опорного напряжения резистор NTC последовательно соединен с постоянным резистором, чтобы гарантировать, что общее сопротивление остается стабильным во время изменений температуры.
(2) Диодная компенсация.
Отрицательный температурный коэффициент диода (около -2мВ/оС) используется для компенсации температурного дрейфа Vbe транзистора.
Например, в опорной схеме с запрещенной зоной за счет тщательного расчета соотношения токов между двумя диодами выходное напряжение остается практически постоянным в зависимости от температуры.
(3) Встроенная схема температурной компенсации
Датчик температуры и компенсационная сеть интегрированы в специализированную микросхему регулятора напряжения (например, LM7805 и LM317 для автоматической регулировки выходного напряжения.
Например, в LM317 используется внутренний операционный усилитель и транзисторная схема для достижения температурного коэффициента выходного напряжения ниже 50 ppm/oC.
2. Компенсация за программное обеспечение (цифровое регулирование)
(1) Выборка датчика температуры.
Мониторинг-времени температуры окружающей среды или компонентов с помощью цифрового датчика температуры, такого как DS 18B20.
(2) Коррекция микроконтроллера
В соответствии с данными о температуре, динамическая регулировка выходного напряжения ШИМ для определения коэффициента заполнения ШИМ или метода расчета сопротивления цифрового потенциометра.
Например, при переключении мощности микроконтроллеры регулируют параметры контура обратной связи на основе обратной связи по температуре, чтобы поддерживать стабильное выходное напряжение.
IV. ВВЕДЕНИЕ Типичные сценарии применения
Автомобильная электроника
В моторном отсеке температура может находиться в диапазоне от -40°C до 125°C. Регуляторам напряжения требуется температурная компенсация, чтобы обеспечить стабильное выходное напряжение генератора и предотвратить перезарядку или перезарядку аккумуляторов.
Промышленный контроль
В заводских условиях колебания температуры влияют на напряжение ПЛК, датчиков и т. д. Температурная компенсация может повысить надежность системы. Оборудование связи
Оборудование базовой станции должно стабильно работать при температуре от минус 40 до 55 градусов Цельсия. Температурная компенсация может предотвратить прерывания связи, вызванные колебаниями напряжения.
Системы возобновляемой энергии
Регуляторы напряжения для фотоэлектрических инверторов и преобразователей энергии ветра должны адаптироваться к изменениям температуры наружного воздуха, чтобы обеспечить эффективное преобразование энергии.
V. Рекомендации по выбору и проектированию
Выберите модель с температурной компенсацией
Предпочтительны термостаты с температурным коэффициентом (например, ±0,01%/градус) или встроенные микросхемы температурной компенсации.
Проверка эффективности компенсации
Испытания при высоких/низких температурах (от -40 до 85 градусов) проводятся для проверки стабильности выходного напряжения и обеспечения его соответствия требованиям применения.
Рассмотрите проект рассеивания тепла
Оптимизируйте расположение компонентов, увеличьте количество радиаторов или вентиляторов, уменьшите повышение температуры компонентов, сведите к минимуму нагрузку на температурную компенсацию.
Сочетание цифровых и аналоговых подходов
В сложных системах высокоточная температурная компенсация достигается за счет сочетания аппаратной компенсации и программной калибровки.