Джерела негативного напруги - перетворювачі на коммутируемом конденсаторі
Розробляючи "спеціалізоване" пристрій, я зіткнувся з проблемою необхідності двополярного харчування, а вірніше негативного напруги для живлення лінійки операційних підсилювачів. Для їх роботи необхідно було двухполярной харчування +9 і -9 вольт. У моєму розпорядженні було тільки позитивне напруга +12 вольт. З позитивним напругою проблем не виникало - ставимо КР142ЕН8А і +9 вольт готове, а негативна напруга простим стабілізатором не отримаєш. Я став шукати схему перетворювача, який з цих "+12 вольт", робить хоча б "- 9 вольт". Благо, в інтернеті можна знайти майже все. "Майже" - це те, що ретельно приховується від простих людей, щоб не було "потрясінь" - революцій і економічних "бумів". Але я цікавився лише перетворювачем позитивної напруги в негативну напругу, а варіантів таких перетворювачів в Інтернеті вистачає.
Часто, такі перетворювачі називають інверторами напруги, що більш підходить виконуваної ними функції. Але инверторами прийнято називати складні імпульсні перетворювачі напруги. Наприклад 12 вольт від АКБ в "мережеве" 220 вольт. Тому для виключення плутанини, ми не будемо їх так називати.
Існують три варіанти побудови схем подібних перетворювачів позитивної напруги в негативну напругу:
1. Перетворювач, з використанням трансформатора;
2. Перетворювач з використанням зарядного дроселя;
3. Перетворювач на коммутируемом конденсаторі.
Мною розроблений четвертий варіант отримання двополярного напруги з однополярного (принаймні я цього способу раніше не зустрічав) - активний дільник напруги. Думаю він стане популярним серед радіоаматорів, але до нього ми повернемося пізніше, в іншій статті.
Отже, перший і другий варіанти перетворювачів містять індуктивні елементи, які більш громіздкі і ускладнюють процес виготовлення перетворювача напруги, тому найбільш привабливим я порахував - перетворювач на коммутируемом конденсаторі. Його і розглянемо в цій статті.
Принцип роботи схеми перетворювача полягає в наступному:
З генератора надходить "меандр" - прямокутні імпульси, у яких тривалість імпульсу і "паузи" рівні. Під час дії імпульсу (логічна одиниця), замикаються ключі S1 і S3. У цей проміжок часу проводиться заряд конденсатора С1 по ланцюгу: плюс джерела живлення - ключ S1 - плюс конденсатора С1 - ключ S3 - корпус (мінус джерела живлення). Під час відсутності імпульсу (логічний нуль), S1 і S3 розмикаються, а ключі S2 і S4 замикаються. У цей проміжок часу проводиться розряд конденсатора С1 на конденсатор С2 по колу: плюс конденсатора С1 - ключ S2 - плюс конденсатора С2 - ключ S4 - мінус конденсатора С1. В результаті роботи схеми, конденсатор С2 "накопичує" негативна напруга, від нього і харчується навантаження.
Можна збирати перетворювачі, що складаються з великої кількості радіоелементів, але на мою думку чим менше елементів, тим прошу Радіосхема у виготовленні, налаштування і експлуатації. В результаті пошуку найбільш придатною схеми, я натрапив на перетворювач позитивної напруги в негативну, що вимагає мінімальну кількість елементів.
Перетворювач постійної напруги на мікросхемі IСL7660 (MAX1044) і комутованих конденсаторах
Розглянемо перетворювач на широко поширеною мікросхемі IСL7660 (MAX1044). Мікросхема МАХ1044 відрізняється від IСL7660 наявністю входу Boost (збільшення частоти внутрішнього генератора). Мікросхема багатофункціональна, і одна з можливих функцій - перетворення позитивної напруги в негативну напругу.
Мікросхема містить чотири силових МОП-ключа, керованих логічними елементами, робота яких здійснюється на частоті, отриманої в результаті поділу на два частоти вбудованого в мікросхему задає RC-генератора. Це дозволяє формувати керуючі імпульси з необхідними характеристиками "меандр" і оптимізувати по споживанню роботу задає RC генератора, робоча частота якого без зовнішніх елементів становить 10 кГц. Внутрішній регулятор напруги необхідний для забезпечення роботи мікросхеми від джерела зі зниженим напругою.
Схема включення мікросхеми в режимі інвертора напруги наведена на малюнку.
Інвертор забезпечує отримання на виході VOUT напруги, рівного - (V +) в діапазоні 1,5 В
Перетворювач постійної напруги на транзисторних ключах і коммутируемом конденсаторі
У зв'язку з тим, що здатність навантаження мікросхеми IСL7660 (MAX1044) мала, і не задовольняє вимогам, які я пред'являв до джерела негативної напруги, а пошуки іншої, більш потужної мікросхеми працює на коммутируемом конденсаторі я не знайшов, я вирішив самостійно розробити перетворювач позитивної напруги в негативне напруга на коммутируемом конденсаторі, який можна зібрати "в умовах відсутності інтегральних імпортних компонентів" - на поширених вітчизняних транзисторах.
З огляду на, що пристрій, для якого я вирішив зібрати перетворювач позитивної напруги в негативну, містить генератор "меандру" частотою 10 кГц на КМОП мікросхемі, то його цілком можна використовувати в якості джерела прямокутних імпульсів для перетворювача. Завдання полягало лише в розробці схеми синхронно керованих ключів. Те, що вийшло, зображено на малюнку. Я не став заморочуватися з потужними польовиком, тому що занадто велика потужність не була потрібна, але для підвищення вихідної потужності безумовно краще використовувати польові транзистори.
Каскад VT1 - буферний каскад, призначений для посилення по току сигналу генератора, виконаного на КМОП мікросхемі. Якщо у Вас генератор виконаний на ТТЛ-логіки, тоді необхідності в цьому каскаді немає.
Транзистор VT2 - виконує функцію інвертора, керуючого ключовим транзистором VT3.
Транзистор VT4 - управляє ключовими транзисторами VT5 і VT6.
Силові ключові транзистори виділені на схемі синім кольором.
При відсутності сигналу генератора (логічного нуля) все транзистори, крім транзистора VT3 закриті.
При надходженні імпульсу генератора (логічної одиниці), зазначені транзистори відкриваються, а VT3 навпаки закривається. Відбувається заряд конденсатора С1 по ланцюгу: джерело живлення + 12 вольт, емітер-колектор транзистора VT5, плюс конденсатора С1, резистор R10, колектор-емітер транзистора VT6, корпус (мінус джерела живлення 12 вольт).
При закінченні імпульсу генератора (логічному нулі) все транзистори, крім транзистора VT3 закриваються, а VT3 навпаки відкривається. Відбувається переключення конденсатора С1, який розряджається на конденсатор С2 по колу: плюс конденсатора С1, колектор-емітер плюс конденсатора С2, діоди VD3 і VD2, резистор R10, мінус конденсатора С1.
Таким чином, за один період генератора тактових імпульсів відбувається повний цикл перезарядження конденсатора С1.
З особливостей схеми:
Діод VD1 призначений для того, щоб затримати за часом відкриття транзистора VT4 при появі позитивного імпульсу, відкриття якого відбудеться лише після закриття транзистора VT3. Це необхідно для виключення одночасно відкритих ключів VT5 і VT3. В даному випадку використовується властивість не ідеальності форми прямокутних імпульсів - плавне наростання і спад імпульсів.
Резистор R10 призначений для обмеження зарядних струмів і струмів комутації ніж підвищує надійність схеми, але в той же час він має суттєвий вплив на вихідну потужність перетворювача. При збільшенні його номіналу, комутаційні струми зменшуються, що добре, але вихідний струм перетворювача зменшується, що навпаки погано. Тому "шукайте середину" на свій смак!
Фактично, дана схема може використовуватися для створення джерела негативного напруги з різною здатністю навантаження. Для отримання великої потужності і високого ККД необхідно, щоб частота проходження імпульсів генератора була порівнянна зі значеннями конденсатора С1 і резистора R10. Оптимально, якщо виконується умова: f = 1 / (2 * R10 * C1). З наведеними на схемі номіналами радіоелементів, перетворювач забезпечує струм навантаження до 200 мА з коефіцієнтом пульсацій вихідної напруги до 1,5%.
Діоди VD2 і VD3 призначені для зменшення напруги на виході перетворювача. Пов'язано це з малою різницею вхідного і вихідного напруг (в цих умовах стабілізатор не поставиш). Кожен діод зменшує вихідна напруга на один вольт, а ще один вольт "падає" на переходах трьох транзисторів VT3, VT5 і VT6 в процесі роботи схеми. В сумі приблизно, виходить - 3 вольта. Звідси: 12 - 3 = 9 вольт, + -0,5 вольта.
Описаний перетворювач позитивної напруги в негативну напругу, зібраний в складі складної електронної схеми для харчування двохполярним напругою +9 і -9 вольт дванадцяти операційних підсилювачів на ІМС К140УД7, що формуються шляхом напруги + 12 вольт і показав високу надійність. Наявність у цих ІМС висновків регулювання балансу нуля, дозволяє використовувати джерело двополярного харчування зі значною різницею живлячої напруги, тому неточність вихідної напруги ± 0,5 вольта компенсується регулюванням балансу нуля.
Кращий варіант перетворювача постійної напруги на транзисторних ключах і коммутируемом конденсаторі
Попередня схема перетворювача була виконана за традиційною схемою подвійного коммутирования, але досвід показує, що її можна значно спростити практично без втрати характеристик. Нижче наведена схема, в якій проводиться транзисторная комутація тільки одного висновку перемикається конденсатора, а другий висновок комутується через звичайні напівпровідникові діоди. Коли я намалював цю схему, а пізніше її зібрав, я навіть пошкодував про те, що поквапився із збіркою і застосуванням попередньої схеми. Елементів в ній більше, а якість роботи таке ж як у нижче наведеній.
Схема працює в такий спосіб:
На вхід схеми надходять прямокутні імпульси частотою 10 кГц.
При відсутності логічної одиниці на вході перетворювача (паузи між імпульсами), транзистор VT1 і VT3 закриті, а транзистор VT2 відкритий. Відбувається заряд конденсатора С1 по ланцюгу: +12 вольт джерела живлення - колектор-емітер транзистора VT2 - конденсатор С1 - діод VD1 - корпус - -12 вольт джерела живлення.
При появі на вході перетворювача логічної одиниці, транзистор VT1 і VT3 відкриваються, а транзистор VT2 закривається. Відбувається розряд конденсатора С1 на конденсатор С2 по колу: + конденсатора С1 - емітер-колектор транзистора VT3 - корпус - конденсатор С2 - діод VD2 - конденсатор С1.
Схема проста у виготовленні і працює відразу після збирання, без будь-якого вибору елементів.
У наступній статті, ми розглянемо схеми перетворювачів позитивної напруги в негативну з використанням зарядного дроселя. які в порівнянні з перетворювачами на коммутируемом конденсаторі мають більш низький ККД, але при мінімальній кількості елементів дозволяють отримувати на виході великі вихідні струми.