Как получить отрицательное напряжение. » Хабстаб
Оказалось, что когда речь заходит об отрицательном напряжении, первый вопрос, который возникает у людей: «Как такое может быть? Как напряжение может быть отрицательным?»Поэтому хотел бы чуть подробнее остановиться на том, что такое отрицательное напряжение и где оно может пригодиться.
Если меня спросят на каком этаже я живу, то не задумываясь скажу, что на пятом и мой ответ понятен каждому, всё дело в том, что мы привыкли отсчитывать этажи от земли. А для соседа с 10 этажа, если он свой этаж примет за точку отсчёта, я живу на -5 этаже. Так же и в электронике, измеряемое напряжение зависит от точки отсчёта, от точки которую мы приняли за ноль. Обычно такую точку, относительно которой ведётся отсчёт, называют землёй и тогда становится понятно, что раз напряжение — величина относительная, то может быть равна как 5 так и -5 вольтам, всё зависит от точки отсчёта.
Давайте рассмотрим схемы, изображённые ниже.
На схеме изображён делитель напряжения, который запитан от 10 вольт. Если мы будем измерять напряжение относительно отрицательного провода, то в точке B будет 5 вольт, а в точке С будет 10 вольт. А давайте в качестве точки отсчёта выберем точку B(средняя схема), тогда в точке А у нас будет -5 вольт, а в точке С будет 5 вольт. Ну а если примем за точку отсчёта точку С(правая схема), то в точках B и A у нас будет, -5 и -10 вольт соответственно.
Но что интересно,нельзя найти устройство, которое питается отрицательным напряжением, а услышать про отрицательное напряжение можно лишь, когда речь заходит о двухполярном питании. Ну вот только с одним, чуть разобрались и снова, какие-то умные слова. На самом деле ничего хитрого в двухполярном питании нет. Если для работы электронного компонента необходимо положительное и отрицательное напряжение(средняя схема на картинке выше), то говорят, что ему необходимо двухполярное питание.
В каком случае двухполярное питание может пригодиться? Рассмотрим простой пример, если на один из входов ОУ, питающегося положительным напряжением, подать отрицательное напряжение, то ничего не произойдёт, он просто не знает про существование отрицательного напряжения и сделать с ним ничего не может.
Кто-то из читателей, может подумать: «Вон выше схема на резисторах, используешь её и получаешь двухполярное питание, чего тут дальше читать?» А нет, всё не так просто, у схемы на резисторах есть один недостаток — отсутствие стабилизации средней точки, то есть при разной нагрузке в плечах, будет смещаться напряжение общей точки, тогда при подключении разной нагрузки на выходе будет не 5 и -5 вольт, а например, 4 и -6 вольт. Поэтому схема на резисторах — не самый лучший вариант.
Чёт мы я отвлёкся от темы, и так мне надо было организовать двухполярное питание и вопрос возникал в том как получить -5 вольт с током до 20мА. Дабы не усложнять себе жизнь, использовал две последовательно включенные зарядки от телефона. Точку в которой соединялся плюс одной зарядки с минусом другой принял за точку отсчёта(землю), тогда зарядка, у которой остался не подключённым плюсовой вывод, использовалась для получения 5 вольт, та у которой не подключён минусовой вывод для получения -5 вольт.
Прошло немного времени и стало понятно, что таскать две зарядки для одного устройства неудобно и хорошо было найти более простой способ получить отрицательное напряжение. Вариантов было два: первый — это собрать на рассыпухе источник отрицательного напряжения, второй — купить готовую микросхему, которая бы из положительного напряжения сделала отрицательное. Немного поискав в интернете, нашёл LM828, которая при подаче на вход положительного напряжения, на выходе выдавала такое же только отрицательной полярности. Идея использовать такую микросхему, показалась мне очень заманчивой поэтому сразу сделал заказ на али. Когда микросхема пришла, вытравил маленькую платку и монтировал её на основную плату и теперь для пользования устройством нужна только одна зарядка. Хотелось бы отметить, что номинал конденсаторов в обвязке микросхемы по даташиту равен 10uF, но при увеличении нагрузки микросхема начала пищать, поэтому увеличил их значение до 47uF.
LM828 покупал тут.
Источник отрицательного напряжения
Хотя существуют способы запитки схем на операционных усилителях однополярным напряжением, двуполярный источник питания даёт лучшие результаты. Можно сразу сделать двуполярный БП, а можно, как поступил автор Instructables под ником lonesoulsurfer, изготовить приставку к уже имеющемуся БП или батарее, превращающую источник в двуполярный. Корпус для самоделки взят от блока дистанционного управления гаражными воротами Easylifter.
Схему мастер взял готовую, предложенную автором сайта All about circuits Робином Митчеллом здесь. Устройство состоит из генератора и выпрямителя с удвоением, включённого таким образом, чтобы напряжение у него на выходе получалось отрицательным, несмотря на то, что генератор питается положительным напряжением.
На практике эта схема будет питаться через готовый импульсный стабилизатор, как показано ниже. Кнопка нужна, чтобы разряжать конденсатор после снижения входного напряжения, иначе пока этот конденсатор не разрядится через внешнюю цепь, отрицательное напряжение будет превышать положительное.
Внимание, в этой схеме ошибка. Источник отрицательного напряжения должен получать питание не до, а после импульсного стабилизатора. Тогда при регулировке напряжения на преобразователе будут меняться оба напряжения: и положительное, и отрицательное.
Мастер испытывает источник отрицательного напряжения на макетной плате типа breadboard и проверяет в действии.
Но такая плата громоздка, в выбранный автором корпус она не поместится. Поэтому он берёт кусок макетной платы другого типа — perfboard. Устанавливает на неё панельку для микросхемы (необязательна, если вы умеете хорошо паять):
Перемычки:
Керамические конденсаторы:
Резистор с обратной стороны для экономии места на плате:
И ещё один — с лицевой:
Диод и электролитический конденсатор (это — полярные компоненты):
Ещё один диод:
Ещё электролитический конденсатор:
Длинные перемычки:
Собрав плату, мастер убеждается, что она помещается в корпус:
Припаивает к ней проводники и снова проверяет в действии:
Устанавливает батарею, выключатель питания, клеммы:
Подключает их. Упирать лепесток клеммы в батарею так, как показано на следующем фото, нельзя:
Мастер подключает модуль вольтметра:
И заменяет подстроечный резистор в импульсном стабилизаторе на переменный:
Очень плотно втискивает всё это в корпус:
Устанавливает на переднюю панель вольтметр и кнопку:
Подключает мультиметр, работающий в режиме вольтметра, к положительному выходу, убеждается, что при регулировке выходного напряжения его показания меняются синхронно с показаниями встроенного вольтметра. Затем переключает мультиметр на отрицательный выход, убеждается, что при регулировке вверх отрицательное напряжение увеличивается синхронно с положительным. При регулировке вниз этого не происходит, отрицательное напряжение становится равным (по модулю) положительному после разряда конденсатора кнопкой.
Источник
Доставка новых самоделок на почту*Заполняя форму вы соглашаетесь на обработку персональных данных
Становитесь автором сайта, публикуйте собственные статьи, описания самоделок с оплатой за текст. Подробнее здесь.Что такое отрицательное напряжение? — СпросиСеть
У кого-то могут быть более подходящие слова, чтобы объяснить это, чем у меня, но важно помнить, что напряжение — это разность потенциалов. В большинстве случаев «разницей» является разница между некоторым потенциалом и потенциалом земли. Когда кто-то говорит -5v, они говорят, что ты под землей.
Вы также должны иметь в виду, что напряжение относительно. Как я уже говорил, большинство людей ссылаются на «землю»; но что такое земля? Вы можете сказать, что земля — это земля, но как насчет случая, когда у вас есть устройство с питанием от батареи, которое не имеет контакта с землей. В этой ситуации мы должны рассматривать какую-то произвольную точку как «основание». Обычно отрицательный вывод на аккумуляторе — то, что мы рассматриваем из этой ссылки.
Теперь рассмотрим случай, когда у вас есть 2 батареи в серии. Если бы оба были 5 вольт, то вы бы сказали, что у вас будет всего 10 вольт.
Но предположение, что вы получите 0 / + 10, основано на «земле» как отрицательной клемме на батарее, которая не касается другой батареи, а затем на 10 В, как положительной клемме, которая не касается другой аккумулятор. В этой ситуации мы можем принять решение о том, что соединение между двумя батареями должно быть нашей «заземляющей» ссылкой. Это приведет к + 5В на одном конце и -5В на другом конце.
Вот что я пытался объяснить:
+10v +++ +5v | | | | < Battery | | +5v --- 0v +++ | | | | < Another Battery | | 0v --- -5v Майкл Стум ♦Благодарю. Просто интересно, почему: почему устройства «выбирают», требуя -5 Вольт вместо +5 Вольт? Если у меня есть устройство, которое питается от «нормального» источника питания, почему бы производителю просто не потребовать +5 Вольт? (Некоторые экраны LC требуют отрицательного напряжения)
Davr
Это специфично для устройства. Читайте о том, как ЖК работает на техническом уровне, и я уверен, что это объяснит.
tyblu
@Michael, контрастность ЖК-экрана обеспечивает ссылку для каждой из ячеек. Он может быть рассчитан на обычные 3,3 В или 5 В для легкой интеграции, но ячейки могут нуждаться в большем количестве капель для их считывания (молекулы должны быть скручены). Часто ЖК-дисплеи с напряжением 5 В могут использовать контраст 0 В даже без встроенного (-ve) зарядного насоса.
Supercat
@MichaelStum: Многие контроллеры ЖКД (особенно те, которые созданы по образцу Hitachi 44780) требуют питания 3,3–5 В для управления логикой и 3,3–12 В для питания стекла. В таких ситуациях, как правило, проще иметь одну общую направляющую между двумя запасами, чем иметь четыре независимых направляющих. Hitachi посчитал более удобным, чтобы эти две поставки имели положительную линию, а не отрицательную. Поскольку величина напряжения привода ЖКД может быть выше или ниже величины логического напряжения …
Supercat
… напряжение на выводе питания отрицательного ЖК-дисплея может быть выше или ниже напряжения на выводе питания отрицательной логики. Обратите внимание, что с точки зрения логической конструкции, источником отрицательной логики является «земля», но с точки зрения номенклатуры проводки обозначение положительной шины как «земли» проясняет тот факт, что две отрицательные шины независимы, и любой из них может быть выше или ниже, чем другие.
Простые устройства — Получаем отрицательное напряжение
{ads2}Иногда в радиолюбительской практике нужно иметь кроме основного источника питания, имеющего минусовой общий провод, второй источник питания с плюсовым общим проводом, т.е. двухполярное питание, например, для питания
Итак, нам понадобится всего несколько деталей:
- Собственно сама LM2576
- Два электролита на вход и выход
- Диод Шоттки на 1а, например 1N5819
- Индуктивность примерно на 100…300мкГн 1а
- Пара резисторов если LM2576-adj
- Парочка керамических конденсаторов на 0,1мкФ
- Возможно ещё керамика 0,1….0,01мкФ, если ваша разводка окажется настолко неудачной, что схема начнёт самовозбуждатся и переводить потребляемую энергию в тепло.
В итоге вы получите источник отрицательного напряжения с общим плюсовым проводом, способный выдать ток до 700мА и напряжением в диапазоне от 1,23в до примерно 20в с защитой от перегрузок по току и от перегрева кристалла.
Почему 2576 ? Потому что я полюбил этот чип за надёжность, низкую стоимость, простоту и удобство.
Ничего изобретать не понадобится, в даташите на LM2576 есть вся необходимая информация, открываем: http://www.national.com/ds/LM/LM2576.pdf и находим на 18й странице нужную нам схему.
Немного на мой взгляд неудачно у них нарисовано, поэтому сделаем зелёным.
Как видите это инвертирующий преобразователь, по буржуйски
Ключ замыкается (биполярный транзистор, коллектор которого — это 1-й вывод LM2576, эмиттер — 2-й вывод), энергия запасается в сердечнике дросселя, затем ключ размыкается, и накопленная энергия через диод шоттки уходит в выходной электролит, цикл повторяется, пока цепь обратной связи не даст команду сбавитьобороты.
{ads1}
Цепь обратной связи (ОС) состоит из делителя R1, R2 для adj-версии микросхемы, а для версии с фиксированным выходным напряжением вывод 4 сразу сажаем на анод диода. Для версии с внутренним делителем, которую мы вдруг захотим включить на большее выходное напряжение, учитываем, что сопротивление внутреннего
3.3V R2 = 1.7k
5V, R2 = 3.1k
12V, R2 = 8.84k
15V, R2 = 11.3k
Выходное напряжение, как обычно, считаем по формуле Uвых = ((R2\R1)+1)*1,23, где 1,23 — это напряжение источника опорного напряжения.
Для R2 = 2 кОм, R1 = 240 рассчётно получается 11,48 в с учётом погрешности (в моём случае получилось 11,4в).
Для тех кто хочет спросить почему на выходе только 700мА, ведь в даташите написано микросхема обеспечивает 3а, отвечу заранее: согласно даташиту ток ключа ограничивается внутренней схемой на уровне примерно 5,8а, а пиковый ток ключа в нашем обратноходовом преобразователе считается по формуле:
если после такого расчёта ваш мозг не аннигилировал в другое измерение то продолжим.
Короче, чтобы не хавать ваш мозг, пиковый ток обратнохода можно примерно прикинуть по формуле: Iпик = 5,5*(Pout)\Vin, где Pout — выходная мощность. Как видите, чем меньше входное напряжение, тем больше пиковый ток, поэтому крайне не рекомендую питать схему от источника менее 10в (даташит говорит что минимальный «drop» равен 4,7в, т.е. при выходном 12,7в минимальное входное будет 8 вольт, если меньше то выходной ключ открывается…. а его нагрузка по постоянному току дросель…. со всеми вытекающими)
Ладно, хватит мудрёных формул, ближе к делу. У меня получилась платка размером 15х34 мм, нарисовал в спринте вот так:
Резисторы делителя 1206, электролиты диаметром 12…13мм, дроссель намотал на колечке Т60 из 52-го материала, особо не думая о количестве витков, просто намотал в 4 жилы проводом 0,3….0,4мм до заполнения, получилось примерно 70..80 витков (200…250мкГн)
Ну а дальше как обычно, в путь: стеклотекстолит, утюг, хлорное железо, паяльник….
Напоследок традиционно о КПД:
Вход 15в 410мА — 6,15Вт потребляемая
Выход 11,4в 360мА — 4,1 Выдаваемая
ток холостого хода около 20…30мА
Соответственно, КПД = 67%, но мне лично уже не важно, лишь бы не мудрить вторую обмотку, второй блок пиатния.
{ads1}
Генератор отрицательного потенциала | Электроника для всех
Иногда нужен потенциал ниже нуля, т.е. отрицательное напряжение. Такое бывает нужно в аналоговой технике или, например, чтобы запустить LCD индикатор от низкого напряжения. Контроллер дисплея какого нибудь HD44780 часто отлично работает от 3.3 вольт, но на панели ничего не видно по причине низкого контраста, даже выкрутив потенциометр в землю не удается получить яркие символы. Нужно опустить Vss ниже нуля. На некоторых дисплеях даже стоит специальная схема, генерирующая минус. Но не везде. А тем не менее на простейшей конденсаторной схеме можно сделать такой генератор на ровном месте.
Итак, вот такая вот простая схема легко дает небольшой отрицательный потенциал .
На вход ей надо подать прямоугольный сигнал, от нуля до Vcc, а с выхода снимется отрицательный потенциал. Зависящий от частоты, уже от нескольких сот герц там будет -1 вольт, а вообще можно и больше накачать.
Как это работает? Да просто. Чтобы лучше понимать работу конденсатора в динамике вспомним статью для самых маленьких и достанем из нее три упрощения:
1) Когда конденсатор заряжается он ведет себя как резистор у которого сопротивление растет с 0 до бесконечности. Растет по экспоненте, но нам все равно как.
2) Когда конденсатор разряжается он ведет себя подобно батарейке у которой заряд садится, садится тоже по экспоненте, но это все равно пофигу.
3) Конденсатор всегда можно дозарядить, при этом на нем растет напряжение. Идеальный конденсатор можно заряжать бесконечно. Реальный же пробьет.
Вот на этих трех китах мы и все разберем постадийно.
Еще упростим до того, что диоды идеальные и у них нет никаких падений напряжения, а значит их можно тупо выбросить и закоротить для прямого случая и оборвать для обратного, ведь нас интересует процессы в конкретной стадии, а диоды будут только отвлекать.
▌Стадия 1
С1 разряжен
С2 разряжен.
На входе появляется высокий уровень напряжения — единичка. Пусть это будет 5 вольт. Через конденсатор С2 через диод D1 в землю течет ток и он начинает заряжаться. Справа показана «мгновенная схема» с учетом наших допущений.
Конденсатор зарядился, стал источником напряжения, встав в противовес источнику генератора. На генераторе пока +5 еще (верхняя часть меандра). И ток в цепи остановился.
▌Стадия 2
Через какое то время на выходе генератора станет 0 — придет время нижней части меандра. И ток из нашего конденсатора потечет в источник, но через что замкнется цепь? Ведь диод D1 не даст протечь через землю? Правильно, через второй конденсатор.Ведь он то у нас пока что разряжен. А поскольку разряженный конденсатор потянет на «резистор», то цепь примет вид:
Вот такой путь разряда. А теперь давайте посчитаем чему равен потенциал в точке выхода нашей схемы? Для расчета потенциала надо определиться с системой координат, выбрать обход контура относительно направления которого мы будем считать знак потенциала. Так как тут истинный источник энергии только один — генератор, то положительным направлением обхода контура будет считаться ток ИЗ ГЕНЕРАТОРА, тот что заряжал конденсатор в самом начале. Т.е. когда мы из земли идем через генератор, то после прохода источника напряжения генератора, потенциал точки вырастет на величину напряжения генератора ( в данном случае 0, т.к. он в нижней точке меандра). А следующий источник напряжения, конденсатор, будет нам встречно, а значит приращение потенциала будет отрицательным. И после него, вуаля! Мы получим некий отрицательный потенциал относительно земли.
Все здорово, но что будет с нашим конденсатором С1 который сейчас, активно заряжаясь, косит под резистор? Он зарядится отрицательным напряжением, сколько успеет. Потом его сопротивление вырастет, он сам станет источником напряжения (отрицательного), а кондер С2 иссякнет. Конденсатор С1 не сможет разрядиться потому, что на его пути будут стоять аж два диода встречно его разрядному току.
И на какое то время, пока генератор находится в нуле, процесс остановится.
▌Стадия 1 (снова)
Но вот генератор снова переходит в высокое состояние. B все повторяется как в стадии 1 только С1 заряжен отрицательно. Но это не играет роли, так как току из источника туда мешает идти диод D2, а вот через D1 все прекрасно проходит и конденсатор С2 снова начинает заряжаться, как и в первом состоянии.
Точно также зарядится конденсатор С2 и все повториться, за исключением того, что С1 уже заряжен отрицательно. Часть этого заряда подсядет из-за саморазряда конденсатора С1, часть утечет в схему ради которой мы генерируем отрицательное напряжение. Поэтому оно снизится. Но не беда, когда источник кинется в ноль, то С2 надо будет снова разрядиться и он сделает это через С1, еще сильней просадив напряжение.
▌Моделирование
На пальцах рассказал, теперь можно показать в динамике. Давайте смоделируем эту схему в эмуляторе EasyEDA. Там кроме схемотехнического редактора и трассировщика есть еще SPICE симулятор.
SPICE это достаточно древняя (75 год) и уже давно ставшая промышленным стандартом система моделирования электронных схем. На входе у ней нетлист — текстовый список соединений компонентов и описание самих компонентов в виде списка параметров примерно вот такого вида:
.MODEL MPS3866 NPN (IS=40.6F NF=1 BF=130 VAF=98.6 IKF=0.24 ISE=40.3P NE=2 BR=4 NR=1 VAR=14 IKR=0.36 RE=0.129 RB=0.515 RC=51.5M XTB=1.5 CJE=48.4P VJE=1.1 MJE=0.5 CJC=15.6P VJC=0.3 MJC=0.3 TF=318P TR=221N)
В результате по этим данным и нетлисту строится математическая модель из систем уравнений. А на выходе будут графики, значения напряжений которые мы запросим как выходные данные.
За счет того, что сами модели это простые текстовые описания, а сама система опенсорсная с рождения, то она встречается повсеместно.
Открываем редактор EasyEDA:
Чтобы получить колебания нам нужен генератор. Возьмем источник питания и затянем его на лист схемы. Если его выделить, чтобы он стал красным, то справа будут его параметры:
Меняем функцию на PULSE и задаем следующие параметры:
- Vinitial = 0V стартовое значение. Он же ноль.
- Von = 5V значение высокого уровня.
- Tdelay = 0 задержка при запуске.
- Trise = 0.000001 время восходящего фронта.
- Tfall = 0.000001 время спадающего фронта.
- Ton = 0.00005 длительность импульса.
- Tperiod = 0.0001 длительность периода.
- AC Аmplitude = 5 амплитуда сигнала.
- AC Phase = 0 фаза сигнала.
Тем самым мы создадим генератор с частотой 1кГц и скважностью порядка 50%, с амплитудой 5 вольт. Как если бы мы дрыгали ногой контроллера. Осталось добавить землю и наши диоды с конденсаторами.
Выбирая конденсатор можно сразу же там выбрать тип. К сожалению типов пока маловато. Но можно создавать свои библиотеки. Клавиша R вращает компонент. А надписи у компонентов можно утащить куда подальше, чтобы не мешались. Особенно у источника, там такая портянка образовалась, жуть.
Диоды лучше брать Шоттки, у них меньше падения напряжения, а значит отрицательное напряжение можно получить гораздо ближе к -V питания. Т.е. к -5 вольтам. Полные -5 вольт мы, конечно, не получим. Т.к. диод Шоттки свои 0.2 вольта сожрет за милую душу. Но лучше чем 0.7 у обычного диода. А диодов там еще и два, т.е. предельный минус будет где то на пол вольта, а то и меньше чем амплитуда питания.
Линии связи рисуем инструментом Wire c панели Wiring Tool и только им:
И не забываем землю. Должно получиться что то вот такое:
Теперь добавим пробники для выхода SPICE модели. Это в той же панели Wiring Tools такая закорючка. Воткнем их на выход генератора и туда где у нас формируется отрицательное напряжение:
Сохраним схему и запустим нашу симуляцию. Раньше кнопка симуляции была прям наверху. Но видать по ней было очень много вопросов и ее спрятали подальше от пытливого взора пионеров 🙂 Но я нашел 🙂 Есть еще хоткей Ctrl + R.
Будет такое вот окно:
Жмем Run и получаем в соседней вкладке график:
По нему видно ,как за несколько качков нашего генератора напряжение на С1 упало до хорошего такого минуса. Впрочем, это без утечек на сторону. При подключении к нагрузке процесс будет более пологим.
▌Практика
С теорией закончили. А теперь практическая реализация этой штуки. Данный узел с недавних пор появился на Pinboard II третьей ревизии. Которая вышла в декабре. Что то я как то завертелся и даже не презентовал обновление. Ну так вот.
Одной из проблем платы было то, что стоящий из коробки дисплей имеет 5 вольтовое питание, а сама плата на ряде контроллеров работает на 3.3 вольта. Конечно гибкая схема питания платы позволяет запитать дисплей от 5 вольт, контроллер от 3.3 вольт, а контроллеры имеют 5В толерантные входы.. И как бы проблемы нет. Но ведь демоплата это только отправная точка, потом будет устройство и там придется городить сложное двух уровневое питание. Тогда как известно, что контроллер HD44780 умеет прекрасно работать от 3.3 вольт и даже ниже. Чего не скажешь о системе контраста LCD дисплея. Которой надо для полного счастья хотя бы 3,8 вольт от минимума до максимума, чтобы яркость индикации не падала.
Как падает контраст изображения с понижением напряжения питания
А если у нас питание всего то 3.3 вольта везде, включая контроллер дисплея и его стекляшку, то размаха может не хватить. Вывод управления контрастом можно посадить в ноль, но толку это особо не даст. Что делать? Посадить линию контраста в минус, пробросив ее ниже нуля. Тогда дисплею хватит разницы напряжений на создание нормального контрастного изображения. В некоторых версиях дисплеев на HD44780 есть даже встроенный генератор отрицательного напряжения, чьи выводы вытащены на контакты подсветки ,что черевато тем, что если воткнуть туда подсветку, то генератор или ваш источник питания сгорит. Западло вот такое вот, читайте даташит 🙂
Ну, а мы сделаем генератор сами. Можно, например, дрыгать ногой контроллера вручную. А можно взять любой дрыгающийся сигнал с интерфейса самого дисплея. Например на линии E интерфейса HD44780 идет максимальная движуха, т.к. это стробирующий сигнал и без дрыга им ничего не делается. Им и можно попробовать подрыгать конденсатор.
Лишь бы дергало не слишком активно, в зависимости от модели дисплея накачать надо от -0.3 до -1 вольта. А если дергать будет сильно активно, то будет -2..-3 вольта, что даст переконтраст в виде двух рядов черных прямоугольников. Хотя, всегда можно пропустить через потенциометр на землю и подрегулировать.
Впрочем, я это делать на плате не стал. Там у меня идет напрямую на вывод контраста. А дрыгаю отдельной ногой с частотой около килогерца. Как раз хватает утечки на дисплей, чтобы поддерживать напряжение в районе -0.5 вольта. Дрыгаешь чаще — контраст повышается, дрыгаешь реже — понижается.
Подключение простое. На плате добавился джампер, позволяющий выбрать откуда брать напряжение контрста. С потенциометра (позитивное) или с генератора минус (негативное), а также появился вывод CPUMP который и надо дергать ножкой контроллера, чтобы на NEG появился отрицательный потенциал.
Подаем на CPUMP меандр с частотой 1Кгц и переключив контраст на NEG получаем четкое изображени даже на 3.3 вольтах. Можно и до 2.5 опуститься, правда частоту надо будет поднять килогерц до трех. А на выходе CONTRAST около -0.6 вольт.
Вот такая вот маленькая полезняшка.
Источники отрицательного напряжения – преобразователи на зарядном дросселе
В данной статье мы расскажем о источнике отрицательного напряжения на микросхемах: MAX764, MAX765, MAX766, MAX774, MAX775, MAX776 и LM2576.
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%.
Простые устройства — Получаем отрицательное напряжение
{ads2}Иногда в радиолюбительской практике нужно иметь кроме основного источника питания, имеющего минусовой общий провод, второй источник питания с плюсовым общим проводом, т.е. двухполярное питание, например, для питания ОУ. Для этого нужен дополнительный источник питания, плюсовой провод которого соединён с общим проводом (минусовым) вашего устройства. Каждый решает такую задачу по-своему, обычно это либо дополнительная обмотка\выпрямитель трансформатора, либо вообще отдельный источник питания. Мне было лень заниматся этим, поэтому я сделал минусовое питание из плюсового с помощью недорогой и широкораспространённой LM2576.
Итак, нам понадобится всего несколько деталей:
- Собственно сама LM2576
- Два электролита на вход и выход
- Диод Шоттки на 1а, например 1N5819
- Индуктивность примерно на 100…300мкГн 1а
- Пара резисторов если LM2576-adj
- Парочка керамических конденсаторов на 0,1мкФ
- Возможно ещё керамика 0,1….0,01мкФ, если ваша разводка окажется настолко неудачной, что схема начнёт самовозбуждатся и переводить потребляемую энергию в тепло.
В итоге вы получите источник отрицательного напряжения с общим плюсовым проводом, способный выдать ток до 700мА и напряжением в диапазоне от 1,23в до примерно 20в с защитой от перегрузок по току и от перегрева кристалла.
Почему 2576 ? Потому что я полюбил этот чип за надёжность, низкую стоимость, простоту и удобство.
Ничего изобретать не понадобится, в даташите на LM2576 есть вся необходимая информация, открываем: http://www.national.com/ds/LM/LM2576.pdf и находим на 18й странице нужную нам схему.
Немного на мой взгляд неудачно у них нарисовано, поэтому сделаем зелёным.
Как видите это инвертирующий преобразователь, по буржуйски inverting buck-boost.
Ключ замыкается (биполярный транзистор, коллектор которого — это 1-й вывод LM2576, эмиттер — 2-й вывод), энергия запасается в сердечнике дросселя, затем ключ размыкается, и накопленная энергия через диод шоттки уходит в выходной электролит, цикл повторяется, пока цепь обратной связи не даст команду сбавитьобороты.
{ads1}
Цепь обратной связи (ОС) состоит из делителя R1, R2 для adj-версии микросхемы, а для версии с фиксированным выходным напряжением вывод 4 сразу сажаем на анод диода. Для версии с внутренним делителем, которую мы вдруг захотим включить на большее выходное напряжение, учитываем, что сопротивление внутреннего R2 равно:
3.3V R2 = 1.7k
5V, R2 = 3.1k
12V, R2 = 8.84k
15V, R2 = 11.3k
Выходное напряжение, как обычно, считаем по формуле Uвых = ((R2\R1)+1)*1,23, где 1,23 — это напряжение источника опорного напряжения.
Для R2 = 2 кОм, R1 = 240 рассчётно получается 11,48 в с учётом погрешности (в моём случае получилось 11,4в).
Для тех кто хочет спросить почему на выходе только 700мА, ведь в даташите написано микросхема обеспечивает 3а, отвечу заранее: согласно даташиту ток ключа ограничивается внутренней схемой на уровне примерно 5,8а, а пиковый ток ключа в нашем обратноходовом преобразователе считается по формуле:
если после такого расчёта ваш мозг не аннигилировал в другое измерение то продолжим.
Короче, чтобы не хавать ваш мозг, пиковый ток обратнохода можно примерно прикинуть по формуле: Iпик = 5,5*(Pout)\Vin, где Pout — выходная мощность. Как видите, чем меньше входное напряжение, тем больше пиковый ток, поэтому крайне не рекомендую питать схему от источника менее 10в (даташит говорит что минимальный «drop» равен 4,7в, т.е. при выходном 12,7в минимальное входное будет 8 вольт, если меньше то выходной ключ открывается…. а его нагрузка по постоянному току дросель…. со всеми вытекающими)
Ладно, хватит мудрёных формул, ближе к делу. У меня получилась платка размером 15х34 мм, нарисовал в спринте вот так:
Резисторы делителя 1206, электролиты диаметром 12…13мм, дроссель намотал на колечке Т60 из 52-го материала, особо не думая о количестве витков, просто намотал в 4 жилы проводом 0,3….0,4мм до заполнения, получилось примерно 70..80 витков (200…250мкГн)
Ну а дальше как обычно, в путь: стеклотекстолит, утюг, хлорное железо, паяльник….
Напоследок традиционно о КПД:
Вход 15в 410мА — 6,15Вт потребляемая
Выход 11,4в 360мА — 4,1 Выдаваемая
ток холостого хода около 20…30мА
Соответственно, КПД = 67%, но мне лично уже не важно, лишь бы не мудрить вторую обмотку, второй блок пиатния.
{ads1}
