В предыдущей статье были рассмотрены схемы преобразователей положительного напряжения в отрицательное напряжение по принципу построения – на коммутируемом конденсаторе, где предложенная схема с успехом используется для двухполярного питания двенадцати операционных усилителей сложного устройства. Существуют другие способы получения отрицательного напряжения — схемы преобразователей на зарядных дросселях. КПД этих преобразователей намного хуже, чем у преобразователей на коммутируемом конденсаторе, но у многих таких схем есть свои достоинства превосходящие преобразователи на конденсаторе – хорошая нагрузочная способность, малое количество радиоэлементов и возможность получения выходного напряжения по амплитуде, превышающее входное до четырёх — пяти раз.
Поэтому, если у Вас имеется достаточно мощный источник положительного напряжения, а Вам необходимо кроме положительного, ещё и отрицательное напряжение, то схема на зарядном дросселе достаточно привлекательный вариант преобразователя. Кроме того, эти преобразователи ещё осуществляют стабилизацию выходного напряжения (не путайте с подавлением пульсаций). В схемах преобразователей на коммутируемых конденсаторах стабилизация выходного напряжения, к сожалению, как правило отсутствует. В любом случае выбирать схему преобразователя Вам.
Источник отрицательного напряжения на ИМС MAXIM — MAX764, MAX765 или MAX766
Основа предлагаемого источника отрицательного напряжения — микросхема производства MAXIM — MAX764, MAX765 или MAX766.
Краткие характеристики микросхемы:
— нагрузочная способность — 250 мА;
— максимальный потребляемый ток — 120 мкА;
— входное напряжение от 3 до 16 вольт;
— выходные напряжения:
-5 вольт для ИМС MAX764, при входном напряжении от +3 до +15 вольт;
-12 вольт для ИМС MAX765, при входном напряжении от +3 до +8 вольт;
-15 вольт для ИМС MAX766, при входном напряжении от +3 до +5 вольт;
-или регулируемое от -1 до -16 вольт;
— частота преобразования напряжения — 300 кГц;
Имеется встроенный, P-канальный силовой транзистор MOSFET.
Принципиальная схема источника отрицательного напряжения с фиксированным выходным напряжением изображена на рисунке. Инвертирующие импульсные стабилизаторы напряжения MAX764 (MAX765, MAX766) имеют высокую эффективность преобразования в широком диапазоне токов нагрузки, и обеспечивают нагрузочную способность до 1,5 Вт. Уникальная схема управления с ограничением тока и частотно — импульсной модуляцией (ЧИМ) объединяет преимущества традиционных ЧИМ конверторов, с достоинствами конверторов, основанных на широтно — импульсной модуляции (ШИМ). Как и конверторы с ШИМ, микросхемы MAX764 (MAX765, MAX766) имеют высокую эффективность преобразования при больших нагрузках. Но, поскольку, они являются ЧИМ — преобразователями, то они потребляют ток менее 120 мкА, а не 2…10 мА, как аналогичные устройства с ШИМ.
Схема работает стандартно – как и все импульсные преобразователи. Транзисторный ключ MOSFET замыкается (коллектор которого — это 7-й вывод микросхемы, эмиттер — 8-й вывод). В этот промежуток времени, энергия запасается в сердечнике дросселя, затем ключ размыкается, и накопленная энергия через диод Шоттки заряжает выходной конденсатор С4, цикл повторяется, пока цепь обратной связи (1-й вывод микросхемы), определив, что напряжение на выходе достигло номинального значения, даст команду генератору изменить частоту генерируемых импульсов. В результате, напряжение на выходе преобразователя стабилизируется.
Диапазон входных напряжений составляет от 3 до 16 вольт.
Как было указано ранее, ИМС имеют фиксированные выходные напряжения: -5 вольт (MAX764), -12 вольт (MAX765), -15 вольт (MAX766). Все эти микросхемы могут использоваться в режиме регулируемого выходного отрицательного напряжения от -1 до -16 вольт. Регулирование производится с помощью двух внешних резисторов. Максимальная разность рабочих напряжений Vin — Vout составляет 20 вольт.
Типовая схема включения с регулируемым напряжением изображена на следующем рисунке. Разница от преобразователя с фиксированным выходным напряжением – наличие дополнительных элементов – резисторов R1 и R2, которые являются «регуляторами» степени обратной связи.
Для работы устройства в регулируемом режиме подбирают резистор R2 из соотношения:
R2/R1 = Vout/Vref
где Vref = 1,5 вольта – напряжение источника опорного напряжения. Значение сопротивления резистора R1 выбирается равным 150 Ом, отсюда сопротивление резистора R2 рассчитывается по формуле:
R2 = R1 * (Vout/Vref)
Преобразователи на этих ИМС используют достаточно миниатюрные внешние элементы. Это связано с частотой преобразования. Высокая частота преобразования (до 300 кГц) позволяет использовать миниатюрные дроссели — менее 5 мм в диаметре. Стандартный дроссель индуктивностью 47 мкГн идеально подходит для работы преобразователя, поэтому отсутствует необходимость в расчете индуктивности дросселя. Встроенный силовой транзистор MOSFET делает ИМС MAX764 (MAX765, MAX766) идеальным выбором для реализации преобразователей малой и средней мощности с минимальным числом компонентов.
Источник отрицательного напряжения повышенной мощности на ИМС MAX774, MAX775 или MAX776
При необходимости реализации преобразователей с повышенным уровнем мощности, или с более высокими выходными напряжениями, возможно использование ИМС MAX774 (MAX775, MAX776), которые управляют внешним, силовым, P-канальным MOSFET транзистором, и обеспечивают нагрузочную способность до 5 Вт.
ИМС имеют фиксированные выходные напряжения:
-5 вольт 1А (MAX774),
-12 вольт 0,5А (MAX775),
-15 вольт 0,4А (MAX776).
Значения максимального тока нагрузки уменьшаются по мере увеличения разницы между входным и выходным напряжениями. Это связано с увеличением падающей мощности на элементах микросхемы и выходного транзистора.
Принципиальная схема источника отрицательного напряжения с фиксированным выходным напряжением изображена на рисунке.
Все эти микросхемы могут также использоваться в режиме регулируемого выходного отрицательного напряжения от -1 до -24 вольта. Но следует учесть, что чем больше разница между входным и выходным напряжением, тем меньше ток нагрузки. В соответствии со справочником на эту микросхему, при входном напряжении +4 вольта и отрицательном выходном напряжении -24 вольта, ток нагрузки не может превышать 150 мА.
Типовая схема включения с регулируемым напряжением изображена на рисунке. Как и в предыдущем случае, разница от преобразователя с фиксированным выходным напряжением – наличие дополнительных элементов – резисторов R1 и R2, которые являются «регуляторами» степени обратной связи. По своей сути — это делитель напряжения измерительной цепи.
Для работы устройства в регулируемом режиме резистор R2 рассчитывают из формулы:
R2 = Vout/10мА,
а R1 находят из соотношения:
R2/R1 = Vout/Vref
где Vref = 1,5 вольта – напряжение источника опорного напряжения.
Универсальный источник отрицательного напряжения на ИМС LM2576
Ещё один вариант преобразователей на зарядном дросселе — на недорогой и распространённой микросхеме LM2576. Принцип построения и работы схемы не отличается от ИМС MAX764 (MAX765, MAX766). Но LM2576 без дополнительных элементов имеет более высокую нагрузочную способность и дополнительную возможность повышения нагрузочной способности с помощью дополнительного транзистора.
Источник отрицательного напряжения с общим плюсовым проводом, способен выдать ток до 700мА без дополнительного транзистора и до 3А с дополнительным транзистором, при напряжении в диапазоне от 1,23 до 20 вольт. Имеет встроенную защиту от перегрузок по току и от перегрева кристалла.
Так же как ИМС MAX765, микросхема LM2576 может выдавать фиксированное выходное напряжение, которое на приведённой схеме равно –12 вольт.
Схема такого преобразователя изображена на рисунке.
Существует пять модификаций микросхем LM2576В. Четыре из них рассчитаны на различные фиксированные выходные напряжения. В зависимости от маркировки ИМС LM2576 подключенная по выше приведённой схеме выдает отрицательные выходные напряжения:
LM2576HV-3.3 — 3,3 вольта;
LM2576HV-5.0 — 5 вольт;
LM2576HV-12 — 12 вольт;
LM2576HV-15 — 15 вольт;
Но из этих микросхем, которые рассчитаны на фиксированные напряжения можно получить и другие напряжения. Если в разрыв вывода 4 микросхемы и точки соединения индуктивности с конденсатором поставить добавочный резистор R1, как показано на рисунке ниже, то эти «стандартные» напряжения можно повысить, но не более, чем до 20 вольт.
Дальнейшее повышение не рекомендуется по причине повышения падения напряжения на встроенном выходном транзисторе, что может привести к выходу микросхемы из строя. Вообще в микросхему встроена защита по току и температуре, но на защиту надейся, а сам «не дури» — это залог высокой надёжности электронной техники.
Пятая модификация семейства 2576 — микросхема LM2576HV-ADJ. Эта микросхема как ИМС MAX764 (MAX765, MAX766) может работать в режиме регулируемого выходного напряжения, с пределами регулирования от 1,2 до 20 вольт. Её схема подключения для получения отрицательного напряжения изображена на рисунке ниже.
Схема работает точно так-же, как и предыдущая. Особенность в ней заключается в том, что предыдущие модификации микросхем с фиксированным напряжением имели встроенные делители напряжения, а модификация ADJ использует внешний делитель, который и изображён на рисунке. Значение выходного напряжения и соотношение резисторов определяются из приведённых формул:
Минимальное значение выходного напряжения ограничено напряжением встроенного источника опорного напряжения равным 1,23 вольта.
По своей сути, делитель на резисторах R1 и R2 это — измерительная цепь выходного напряжения (цепь обратной связи). Чем ниже по схеме ползунок резистора R2, тем больше выходное напряжение преобразователя (в минусе).
Выходной ток преобразователя ограничен мощностью, поглощаемой выходным транзистором. По справочнику выходной ток микросхемы может доходить до 3 ампер, но так как у нас схема обратноходового преобразователя, поэтому выходной ток значительно ограничен. Для повышения нагрузочной способности преобразователя существует возможность «усилить» выход микросхемы силовым транзистором. В частности, мы применили мощный МОП-транзистор с изолированным затвором. Схема мощного преобразователя положительного напряжения в отрицательное напряжение изображена ниже.
Тут и объяснять то ничего и не надо. В качестве силового транзистора можно использовать N- канальный MOSFET транзистор типа IRFZ44N, IRFZ46N, или IRFZ48N.
Так как микросхема LM2576 имеет высокую частоту встроенного генератора = 52 кГц, схема не чувствительна к точности подбора дросселя L1. Допускается значение индуктивности дросселя от 150, до 300 микрогенри. Поэтому допускается как самостоятельно намотанный, так и практически любой готовый промышленный дроссель.
В следующей статье, будет представлена действующая схема другого способа получения отрицательного напряжения, а вернее — схема получения двухполярного напряжения, из источника однополярного напряжения. При минимальном количестве элементов, активный делитель напряжения позволяет получать на выходе двухполярное питание без потерь мощности. КПД такого устройства около 99%.
