Generatore tensione di riferimento teoria e laboratorio

GENERATORE DI TENSIONE DI RIFERIMENTO
Un generatore di tensione di riferimento è un circuito in grado di generare un valore di tensione
costante, indipendente dalla tensione d'alimentazione e dal carico.
Un circuito generatore di tensione di riferimento è quello di figura.
Si ricava la funzione d’uscita tenendo conto dell’equipotenzialità degli ingressi, V− = V+ , e che gli
ingressi non assorbono corrente.
Il diodo Zener, collegato all'uscita e all'ingresso invertente, deve essere polarizzato inversamente,
pertanto l’amplificatore operazionale viene alimentato con singola alimentazione positiva ad evitare
che il diodo Zener possa andare in conduzione diretta, stato nel quale rimarrebbe indefinitamente.
Al momento dell'alimentazione il diodo Zener non conduce, ma in uscita è presente una tensione di
offset positiva (amplificatore operazionale alimentato a singola alimentazione positiva) che viene
riportata sull'ingresso non invertente dalla rete resistiva R 1R 2 facendo tendere la tensione d'uscita
al valore di saturazione positiva; ma, raggiunta la tensione VZ di conduzione inversa del diodo
zener, la tensione d'uscita verrà fissata al suo valore di progetto.
Si calcolano le tensioni V− e V+ , si uguagliano, e si ricava la tensione Vo :
V− = Vo − VZ
R2
V+ =
⋅ Vo
R1 + R 2
⇒ Vo − VZ =
R2
⋅ Vo
R1 + R 2
⎛ R ⎞
⇒ Vo = ⎜⎜1 + 2 ⎟⎟ ⋅ VZ
R1 ⎠
⎝
La tensione d'uscita dipende dalla tensione VZ di conduzione inversa del diodo zener. La tensione
VZ , e, quindi, la tensione d'uscita Vo , sarà stabile e indipendente dalla tensione di alimentazione se
anche la corrente I Z del diodo zener è indipendente dalla tensione di alimentazione. Si calcola la
corrente I Z :
V − VZ
V
V
R2
R2
1
⋅ Vo ⇒ I Z =
⋅ Vo = o
IZ = − = + = ⋅
R
R
R R1 + R 2
R (R 1 + R 2 )
R
La corrente I Z dipende solo dalla tensione d'uscita Vo ed è, quindi, indipendente dalla tensione di
alimentazione. La tensione Vo è indipendente dal carico perché la resistenza d'uscita del circuito è
praticamente nulla.
1
Altro generatore di tensione di riferimento, sempre a singola alimentazione, è quello di figura.
Si ricava la funzione d’uscita tenendo conto dell’equipotenzialità degli ingressi, V− = V+ , e che gli
ingressi non assorbono corrente.
Si calcolano le tensioni V− e V+ , si uguagliano, e si ricava la tensione Vo :
V+ = VZ
R1
V− =
⋅ Vo
R1 + R 2
⇒ VZ =
R1
⋅ Vo
R1 + R 2
⎛ R ⎞
⇒ Vo = ⎜⎜1 + 2 ⎟⎟ ⋅ VZ
R1 ⎠
⎝
La tensione d'uscita dipende dalla tensione VZ di conduzione inversa del diodo zener.
La tensione VZ , e, quindi, la tensione d'uscita Vo , sarà stabile e indipendente dalla tensione di
alimentazione se anche la corrente I Z del diodo zener è indipendente dalla tensione di
alimentazione. Si calcola la corrente I Z :
IZ =
Vo − VZ
=
R
Vo −
R1
⋅ Vo
R1 + R 2
R1
=
⋅ Vo
R
R (R 1 + R 2 )
La corrente I Z dipende solo dalla tensione d'uscita Vo ed è, quindi, indipendente dalla tensione di
alimentazione.
2
PROGETTO E VERIFICA DI UN GENERATORE DI TENSIONE DI RIFERIMENTO DI
6V CON SINGOLA ALIMENTAZIONE
Dati: I.C. TL081 ; VCC = 12V ; VZ = 4,7V ; IZ = 4mA ; Vo = 6V > Vz .
Viene inserito un trimmer in serie a R1 al fine di tarare l’uscita all’esatto valore richiesto.
Calcolo di RP , R1 e R2 :
⎛
⎜
R2
Vo = ⎜1 +
RP
⎜
⎜ R1 +
2
⎝
⎞
⎟
⎟ ⋅ VZ
⎟
⎟
⎠
⇒
V
R ⎞
R2
6
⎛
= o −1 =
− 1 = 0,276 ⇒ R 2 = 0,276 ⋅ ⎜ R 1 + P ⎟
R
2 ⎠
VZ
4,7
⎝
R1 + P
2
⎛
10 ⋅ 10 3 ⎞
⎟ = 2,7 kΩ .
R 2 = 0,276 ⋅ ⎜⎜ 4,7 ⋅ 10 3 +
2 ⎟⎠
⎝
Fissato R P = 10KΩ e R 1 = 4,7 KΩ , si calcola
R=
Calcolo di R:
VO − VZ 6 − 4,7
=
= 325Ω
IZ
4 ⋅ 10 −3
per il quale utilizzeremo il valore commerciale di 330Ω.
Riassumendo
R 1 = 4,7 KΩ ; R 2 = 2,7 kΩ
;
R P = 10KΩ ; R = 330Ω
Verifica sperimentale
Si verifica il circuito con RP tarato, RP = 0, RP = 10KΩ. Si rileverà il valore della tensione d’uscita,
della tensione ai capi dello zener, della tensione ai capi della resistenza R e, dividendo tale valore
per R, si determina il valore della corrente IZ. i dati vengono riportati in una tabella insieme ai valori
calcolati teoricamente, per un più immediato riscontro.
3
RP
Tarato
0
10KΩ
Vo
6
7,630
5,360
Valori misurati
Volt
VZ
VRZ
4,652
1,347
4,832
2,797
4,510
0,851
mA
IZ
4,08
8,46
2,58
Vo
6
7,4
5,56
Valori misurati
Volt
VZ
VRZ
4,7
1,3
4,7
2,7
4,7
0,86
mA
IZ
3,94
8,81
2,61
PROGETTO E VERIFICA DI UN GENERATORE DI TENSIONE DI RIFERIMENTO DI
7,5V CON SINGOLA ALIMENTAZIONE
Dati: I.C. TL081 ; VCC = 12V ; VZ = 4,7V ; IZ = 4mA ; Vo = 7,5V > Vz .
Viene inserito un trimmer in serie a R1 al fine di tarare l’uscita all’esatto valore richiesto.
Calcolo di RP , R1 e R2 :
⎛
⎜
R2
Vo = ⎜1 +
RP
⎜
⎜ R1 +
2
⎝
⎞
⎟
⎟ ⋅ VZ
⎟
⎟
⎠
⇒
V
R2
R ⎞
7,5
⎛
= o −1 =
− 1 = 0,596 ⇒ R 2 = 0,596 ⋅ ⎜ R 1 + P ⎟
R
VZ
4,7
2 ⎠
⎝
R1 + P
2
⎛
10 ⋅ 10 3 ⎞
⎟ = 5,78kΩ ,
R 2 = 0,276 ⋅ ⎜⎜ 4,7 ⋅ 10 3 +
2 ⎟⎠
⎝
per il quale utilizzeremo il valore commerciale di 5,6KΩ.
Fissato R P = 10KΩ e R 1 = 4,7 KΩ , si calcola
Calcolo di R:
R=
VO − VZ 7,5 − 4,7
= 700Ω
=
IZ
4 ⋅ 10 −3
per il quale utilizzeremo il valore commerciale di 680Ω.
Riassumendo
R 1 = 4,7 KΩ ; R 2 = 5,6kΩ
;
4
R P = 10KΩ ; R = 680Ω
Verifica sperimentale
Si verifica il circuito con RP tarato, RP = 0, RP = 10KΩ. Si rileverà il valore della tensione d’uscita,
della tensione ai capi dello zener, della tensione ai capi della resistenza R e, dividendo tale valore
per R, si determina il valore della corrente IZ. i dati vengono riportati in una tabella insieme ai valori
calcolati teoricamente, per un più immediato riscontro.
RP
Tarato
0
10KΩ
Vo
7,5
9,150
6,215
Valori misurati
Volt
VZ
VRZ
4,656
2,843
4,760
4,381
4,500
1,714
mA
IZ
4,18
6,44
2,52
5
Vo
7,5
10,3
6,49
Valori misurati
Volt
VZ
VRZ
4,7
2,8
4,7
5,6
4,7
1,79
mA
IZ
4,12
8,23
2,63