Referencia de voltaje

Una referencia de voltaje es un dispositivo electrónico que idealmente produce un voltaje fijo (constante) independientemente de la carga aplicada, las variaciones de la fuente de alimentación, los cambios de temperatura y el paso del tiempo. Las referencias de voltaje se utilizan en fuentes de alimentación , convertidores analógico-digitales , convertidores digital-analógicos y otros sistemas de medición y control. El rendimiento de las referencias de voltaje varía considerablemente; un regulador para la fuente de alimentación de una computadora puede mantener su valor con una precisión de solo unos pocos por ciento respecto al valor nominal, mientras que los patrones de voltaje de laboratorio tienen una precisión y estabilidad que se mide en partes por millón .

Las primeras referencias o patrones de voltaje fueron pilas químicas húmedas, como la pila de Clark y la pila de Weston , que todavía se utilizan en algunas aplicaciones de laboratorio y calibración.

Los patrones de voltaje de estado sólido secundarios de diodo Zener de grado de laboratorio utilizados en metrología se pueden construir con una deriva de aproximadamente 1 parte por millón por año. ^{[ 1 ]}

El valor del voltio " convencional " se mantiene actualmente gracias a los circuitos integrados superconductores que utilizan el efecto Josephson para obtener un voltaje con una precisión de 1 parte por mil millones o mejor, el estándar de voltaje Josephson . El artículo titulado "Posibles nuevos efectos en el efecto túnel superconductor" fue publicado por Brian David Josephson en 1962 y le valió a Josephson el Premio Nobel de Física en 1973.

Antiguamente, las pilas de mercurio se utilizaban mucho como referencias de voltaje prácticas, especialmente en instrumentos portátiles como los fotómetros ; las pilas de mercurio tenían un voltaje de descarga muy estable durante su vida útil.

Cualquier diodo semiconductor presenta una característica corriente-tensión exponencial que puede considerarse como una tensión de " rodilla ", utilizada a veces como referencia de tensión imprecisa. Las hojas de datos pueden indicar una caída de tensión directa a una corriente de encendido específica. Esta tensión es de aproximadamente 0,3  V para los diodos de germanio , de entre 0,6  V y 0,7  V para los diodos de silicio , y de 1,6  V (rojo) a 4  V (violeta) para los diodos emisores de luz visible . Estos dispositivos presentan una fuerte dependencia de la temperatura, lo que puede hacerlos útiles para la medición de temperatura o para compensar la polarización en circuitos analógicos.

Los diodos Zener también se utilizan frecuentemente para proporcionar una tensión de referencia con estabilidad y precisión moderadas, útil para muchos dispositivos electrónicos. Un diodo de avalancha presenta una tensión estable similar en un rango de corriente. Los diodos más estables de este tipo se fabrican compensando la temperatura de un diodo Zener al colocarlo en serie con un diodo directo; estos diodos se fabrican como dispositivos de dos terminales, por ejemplo, la serie 1N821 tiene una caída de tensión total de 6,2  V a 7,5  mA, pero también se incluyen a veces en circuitos integrados.

El circuito de referencia de voltaje más común en los circuitos integrados es la referencia de voltaje de banda prohibida . Una referencia basada en banda prohibida (comúnmente llamada simplemente "banda prohibida") utiliza circuitos analógicos para sumar un múltiplo de la diferencia de voltaje entre dos uniones bipolares polarizadas a diferentes densidades de corriente al voltaje desarrollado en un diodo. El voltaje del diodo tiene un coeficiente de temperatura negativo (es decir, disminuye al aumentar la temperatura), y la diferencia de voltaje de la unión tiene un coeficiente de temperatura positivo. Al sumar en la proporción necesaria para que estos coeficientes se cancelen, el valor constante resultante es un voltaje igual al voltaje de banda prohibida del semiconductor. En el silicio , este valor es aproximadamente 1,25  V. Las referencias Zener enterradas pueden proporcionar niveles de ruido aún menores, pero requieren voltajes de operación más altos que no están disponibles en muchos dispositivos alimentados por batería.

Los tubos de gas y las lámparas de neón también se han utilizado como referencias de voltaje, principalmente en equipos basados ​​en tubos, ya que el voltaje necesario para mantener la descarga de gas es relativamente constante. Por ejemplo, el popular tubo regulador de voltaje RCA  991 ^{[ 2 ]} es una lámpara de neón NE-16 , que se dispara a 87 voltios y luego mantiene de 48 a 67 voltios a través del camino de descarga. 

• Referencia de voltaje de banda prohibida
• LM317 , un regulador de voltaje ajustable
• Diodo de goma , un circuito de transistor de unión bipolar que sirve como referencia de voltaje.

• AN719 Comprensión de las topologías y especificaciones de referencia de voltaje — Maxim Integrated Products, Inc. (6 de marzo de 2013)
• El diseño de circuitos de referencia de banda prohibida: pruebas y dificultades — Robert Pease, National Semiconductor
• Revista LT, marzo de 2009: Cómo elegir una referencia de voltaje. Brendan Whelan, Linear Technology Corporation.
• Componentes internos del chip TL431 y su ingeniería inversa.