Разрабатывая «специализированное» устройство, я столкнулся с проблемой необходимости двухполярного питания, а вернее отрицательного напряжения для питания линейки операционных усилителей. Для их работы необходимо было двухполярное питание +9 и -9 вольт. В моём распоряжении было только положительное напряжение +12 вольт. С положительным напряжением проблем не возникало – ставим КР142ЕН8А и +9 вольт готово, а отрицательное напряжение простым стабилизатором не получишь. Я стал искать схему преобразователя, который из этих «+12 вольт», делает хотя бы «- 9 вольт». Благо, в интернете можно найти почти всё. «Почти» — это то, что тщательно скрывается от простых людей, чтобы не было «потрясений» — революций и экономических «БУМов». Но я интересовался лишь преобразователем положительного напряжения в отрицательное напряжение, а вариантов таких преобразователей в Интернете хватает.
Часто, такие преобразователи называют инверторами напряжения, что более подходит выполняемой ими функции. Но инверторами принято называть сложные импульсные преобразователи напряжения. Например 12 вольт от АКБ в «сетевое» 220 вольт. Поэтому для исключения путаницы, мы не будем их так называть.
Существуют три варианта построения схем подобных преобразователей положительного напряжения в отрицательное напряжение:
1. Преобразователь, с использованием трансформатора;
2. Преобразователь с использованием зарядного дросселя;
3. Преобразователь на коммутируемом конденсаторе.
Мной разработан четвёртый вариант получения двухполярного напряжения из однополярного (по крайней мере я этого способа ранее не встречал) — активный делитель напряжения. Думаю он станет популярным среди радиолюбителей, но к нему мы вернёмся позже, в другой статье.
Итак, первый и второй варианты преобразователей содержат индуктивные элементы, которые более громоздки и усложняют процесс изготовления преобразователя напряжения, поэтому наиболее привлекательным я посчитал – преобразователь на коммутируемом конденсаторе. Его и рассмотрим в этой статье.
Функциональная схема преобразователя на коммутируемом конденсаторе изображена на рисунке:
Принцип работы схемы преобразователя заключается в следующем:
С генератора поступает «меандр» — прямоугольные импульсы, у которых длительность импульса и «паузы» равны. Во время действия импульса (логическая единица), замыкаются ключи S1 и S3. В этот промежуток времени производится заряд конденсатора С1 по цепи: плюс источника питания — ключ S1 – плюс конденсатора С1 – ключ S3 – корпус (минус источника питания). Во время отсутствия импульса (логический ноль), S1 и S3 размыкаются, а ключи S2 и S4 замыкаются. В этот промежуток времени производится разряд конденсатора С1 на конденсатор С2 по цепи: плюс конденсатора С1 – ключ S2 – плюс конденсатора С2 – ключ S4 – минус конденсатора С1. В результате работы схемы, конденсатор С2 «накапливает» отрицательное напряжение, от него и питается нагрузка.
Можно собирать преобразователи, состоящие из большого количества радиоэлементов, но по моему мнению чем меньше элементов, тем проше радиосхема в изготовлении, настройке и эксплуатации. В результате поиска наиболее подходящей схемы, я набрёл на преобразователь положительного напряжения в отрицательное, требующий минимальное количество элементов.
Преобразователь постоянного напряжения на микросхеме IСL7660 (MAX1044) и коммутируемых конденсаторах
Рассмотрим преобразователь на широко распространенной микросхеме IСL7660 (MAX1044). Микросхема МАХ1044 отличается от IСL7660 наличием входа Boost (увеличение частоты внутреннего генератора). Микросхема многофункциональная, и одна из возможных функций – преобразование положительного напряжения в отрицательное напряжение.
Микросхема содержит четыре силовых МОП-ключа, управляемых логическими элементами, работа которых осуществляется на частоте, полученной в результате деления на два частоты встроенного в микросхему задающего RC-генератора. Это позволяет формировать управляющие импульсы с требуемыми характеристиками «меандр» и оптимизировать по потреблению работу задающего RC генератора, рабочая частота которого без внешних элементов составляет 10 кГц. Внутренний регулятор напряжения необходим для обеспечения работы микросхемы от источника с пониженным напряжением.
Принцип работы в режиме идеального инвертора напряжения – преобразователя на коммутируемом конденсаторе был рассмотрен ранее.
Схема включения микросхемы в режиме инвертора напряжения приведена на рисунке.
Инвертор обеспечивает получение на выходе VOUT напряжения, равного –(V+) в диапазоне 1,5В <= V+ <= 10В. В реальных условиях параметры инвертора не идеальны. Так, при входном напряжении V+ = 8 вольт, выходном токе, равном 50 мА, Vout = -6 вольт. Снижение выходного напряжения определяется выходным сопротивлением микросхемы Rвых, которое для рассмотренного выше случая составляет 60 Ом. Выходное сопротивление микросхемы зависит от режима по постоянному току и от реактивного сопротивления конденсатора С1, которое определяется из формулы:
Так, для номинала С1 = 10мкф и частоты f = 10кГц, Xc = 3,18 Ом. Для исключения влияния конденсатора С1 на выходное сопротивление необходимо, чтобы выполнялось условие — Хc < Rвых.
Выходное сопротивление микросхемы велико, это снижает нагрузочную способность. Для увеличения нагрузочной способности возможно параллельное соединение микросхем. Наращивание можно производить практически «до бесконечности».
Для эксплуатации микросхемы в диапазоне входного напряжения от 1,5 до 3,5 вольт необходимо чтобы вывод 6 микросхемы был соединен с общим проводом.
В микросхеме МАХ1044, необходимо соединить выводы 1 и 8, что расширяет её возможности по регулированию частоты встроенного генератора.
Технологически, микросхема IСL7660 (MAX1044) исполнена в корпусе 8-PIN. Для кого то, использование такой микросхемы будет неприемлемым, малые размеры могут показаться неудобными при монтаже, но на самом деле миниатюрность — это очень выгодно. Единственный недостаток — невозможность получить большую мощность без увеличения (наращивания) количества микросхем.
Преобразователь постоянного напряжения на транзисторных ключах и коммутируемом конденсаторе
В связи с тем, что нагрузочная способность микросхемы IСL7660 (MAX1044) мала, и не удовлетворяет требованиям, которые я предъявлял к источнику отрицательного напряжения, а поиски другой, более мощной микросхемы работающей на коммутируемом конденсаторе я не нашёл, я решил самостоятельно разработать преобразователь положительного напряжения в отрицательное напряжение на коммутируемом конденсаторе, который можно собрать «в условиях отсутствия интегральных импортных компонентов» — на распространённых отечественных транзисторах.
Учитывая, что устройство, для которого я решил собрать преобразователь положительного напряжения в отрицательное, содержит генератор «меандра» частотой 10 кГц на КМОП микросхеме, то его вполне можно использовать в качестве источника прямоугольных импульсов для преобразователя. Задача состояла всего лишь в разработке схемы синхронно управляемых ключей. То, что получилось, изображено на рисунке. Я не стал заморачиваться с мощными полевиками, потому что слишком большая мощность не требовалась, но для повышения выходной мощности безусловно лучше использовать полевые транзисторы.
Состав схемы:
Каскад VT1 – буферный каскад, предназначен для усиления по току сигнала генератора, исполненного на КМОП микросхеме. Если у Вас генератор исполнен на ТТЛ-логике, тогда необходимости в этом каскаде нет.
Транзистор VT2 – выполняет функцию инвертора, управляющего ключевым транзистором VT3.
Транзистор VT4 – управляет ключевыми транзисторами VT5 и VT6.
Силовые ключевые транзисторы выделены на схеме синим цветом.
Работа схемы:
При отсутствии сигнала генератора (логического нуля) все транзисторы, кроме транзистора VT3 закрыты.
При поступлении импульса генератора (логической единицы), указанные транзисторы открываются, а VT3 наоборот закрывается. Происходит заряд конденсатора С1 по цепи: источник питания + 12 вольт, эмиттер-коллектор транзистора VT5, плюс конденсатора С1, резистор R10, коллектор-эмиттер транзистора VT6, корпус (минус источника питания 12 вольт).
При окончании импульса генератора (логическом нуле) все транзисторы, кроме транзистора VT3 закрываются, а VT3 наоборот открывается. Происходит переключение конденсатора С1, который разряжается на конденсатор С2 по цепи: плюс конденсатора С1, коллектор-эмиттер плюс конденсатора С2, диоды VD3 и VD2, резистор R10, минус конденсатора С1.
Таким образом, за один период генератора тактовых импульсов происходит полный цикл перезаряда конденсатора С1.
Из особенностей схемы:
Диод VD1 предназначен для того, чтобы задержать по времени открытие транзистора VT4 при появлении положительного импульса, открытие которого произойдёт лишь после закрытия транзистора VT3. Это необходимо для исключения одновременно открытых ключей VT5 и VT3. В данном случае используется свойство не идеальности формы прямоугольных импульсов — плавное нарастание и спад импульсов.
Резистор R10 предназначен для ограничения зарядных токов и токов коммутации чем повышает надёжность схемы, но в то же время он оказывает существенное влияние на выходную мощность преобразователя. При увеличении его номинала, коммутационные токи уменьшаются, что хорошо, но выходной ток преобразователя уменьшается, что наоборот плохо. Поэтому «ищите середину» на свой вкус!
Фактически, данная схема может использоваться для создания источника отрицательного напряжения с различной нагрузочной способностью. Для получения большой мощности и высокого КПД необходимо, чтобы частота следования импульсов генератора была сопоставима со значениями конденсатора С1 и резистора R10. Оптимально, если выполняется условие: f = 1/(2*R10*C1). С приведёнными на схеме номиналами радиоэлементов, преобразователь обеспечивает ток нагрузки до 200 мА с коэффициентом пульсаций выходного напряжения до 1,5 %.
Диоды VD2 и VD3 предназначены для уменьшения напряжения на выходе преобразователя. Связано это с малой разницей входного и выходного напряжений (в этих условиях стабилизатор не поставишь). Каждый диод уменьшает выходное напряжение на один вольт, а ещё один вольт «падает» на переходах трёх транзисторов VT3, VT5 и VT6 в процессе работы схемы. В сумме приблизительно, получается – 3 вольта. Отсюда: 12 – 3 = 9 вольт, +-0,5 вольта.
Описанный преобразователь положительного напряжения в отрицательное напряжение, собран в составе сложной электронной схемы для питания двухполярным напряжением +9 и -9 вольт двенадцати операционных усилителей на ИМС К140УД7, формируемых из напряжения + 12 вольт и показал высокую надежность. Наличие у этих ИМС выводов регулирования балланса нуля, позволяет использовать источник двухполярного питания со значительной разницей питающих напряжений, поэтому неточность выходного напряжения +-0,5 вольта компенсируется регулировкой балланса нуля.
Лучший вариант преобразователя постоянного напряжения на транзисторных ключах и коммутируемом конденсаторе
Предыдущая схема преобразователя была выполнена по традиционной схеме двойного коммутирования, но опыт показывает, что её можно значительно упростить практически без потери характеристик. Ниже приведена схема, в которой производится транзисторная коммутация только одного вывода переключаемого конденсатора, а второй вывод коммутируется через обыкновенные полупроводниковые диоды. Когда я нарисовал эту схему, а позже её собрал, я даже пожалел о том, что поторопился со сборкой и применением предыдущей схемы. Элементов в ней больше, а качество работы такое же как у ниже приведённой.
Схема работает следующим образом:
На вход схемы поступают прямоугольные импульсы частотой 10 кГц.
При отсутствии логической единицы на входе преобразователя (паузы между импульсами), транзистор VT1 и VT3 закрыты, а транзистор VT2 открыт. Происходит заряд конденсатора С1 по цепи: +12 вольт источника питания — коллектор-эмиттер транзистора VT2 — конденсатор С1 — диод VD1 — корпус — -12 вольт источника питания.
При появлении на входе преобразователя логической единицы, транзистор VT1 и VT3 открываются, а транзистор VT2 закрывается. Происходит разряд конденсатора С1 на конденсатор С2 по цепи: + конденсатора С1 — эмиттер-коллектор транзистора VT3 — корпус — конденсатор С2 — диод VD2 — конденсатор С1.
Схема проста в изготовлении и работает сразу после сборки, без какого либо подбора элементов.
В следующей статье, мы рассмотрим схемы преобразователей положительного напряжения в отрицательное с использованием зарядного дросселя, которые по сравнению с преобразователями на коммутируемом конденсаторе имеют более низкий КПД, но при минимальном количестве элементов позволяют получать на выходе большие выходные токи.
