Бестрансформаторные преобразователи полярности напряжения

Как получить от однополярного блока питания, аккумулятора или батарейки напряжение обратной полярности

Итак, предположим, что у нас есть однополярный блок питания, либо как-либо иной элемент постоянного напряжения, но нам необходим ещё один источник того же напряжения, но обратной полярности для того, чтобы в сухом остатке поиметь двуполяный агрегат.
Ясен пень, что лезть внутрь готового БП нам неохота, доматывать ещё одну обмотку трансформатора – ещё больше неохота... А охота нам посидеть, подумать, а там глядишь, да и спаять инвертор напряжения, т. е. устройство, которое преобразует полярность имеющегося напряжения на обратную.

Конечно, проще всего эту затею реализовать на специализированной микросхеме, такой как – ICL7660.


Рис.1 Схема включения микросхемы ICL7660

Микросхема ICL7660 – это слаботочный (до 20мА выход) инвертор напряжения, который преобразует положительное напряжение питания в отрицательное, иначе говоря – преобразователь полярности напряжения. Схема включения очень простая, содержит минимальное количество внешних элементов и в настройке не нуждается.
Может использоваться в устройствах с малым потреблением и ограниченными массогабаритными характеристиками.
Интегральная микросхема ICL7660 работает в диапазоне напряжений 1,5...10 В, а ICL7660A – 1,5... 12 В.
Собственный ток потребления преобразователя полярности – не более 80-170 мкА.
Частота переключения – 10 кГц.
КПД – 98%.
Если напряжение питания меньше, чем 3,5 В, то выход 6 микросхемы необходимо заземлить.

При желании всё ж таки изготовить инвертор полярности из дискретных элементов, предварительно следует ознакомиться с принципом работы большинства подобных устройств – преобразователями на коммутируемых конденсаторах. Принцип работы преобразователя на двух электронных ключах поясняет схема, приведённая на Рис.2.

Рис.2 Схема преобразования полярности на электронных ключах

Переключателями S1 и S2 управляют два противофазных сигнала.
Когда замкнуты "контакты" переключателя S1 (и разомкнуты S2), конденсатор С1 заряжается от источника питания через диод VD2 до уровня Uпит минус падение напряжения на открытом диоде VD2.
Затем, когда "контакты" переключателя S1 размыкаются, a S2 замыкаются, конденсатор С1 оказывается подключённым к конденсатору С2 через диод VD1. Вследствие этого происходит его разрядка на конденсатор С2. Напряжение на конденсаторе С2 увеличится на некоторую величину, определяемую соотношением номиналов С1 и С2 и через нескольких периодов переключений достигнет установившегося значения ≈ Uпит - 2Uпр.д.

Практическая реализация преобразователя полярности показана на Рис.2 справа. Здесь в качестве переключателей S1 и S2 использованы два комплементарных транзистора, управляемые одним общим сигналом в противофазе.

Если убрать из схемы накопительный конденсатор С2 и посмотреть сигнал на минусовом выводе преобразователя осциллографом, то мы увидим на нагрузке прямоугольный сигнал отрицательной полярности со скважностью, равной скважности управляющих импульсов.
А если добавить ещё один каскад (с такими же ключами и диодами), работающий в противофазе с первым, то на нагрузке будет чистый минусовой уровень с наносекундными выбросами в моменты переходных процессов, связанных с инерционностью полупроводников.
В этом случае, помимо значительного снижения уровня пульсаций выходного напряжения, достигается и эффект удвоения мощности устройства.

Большинство преобразователей, описанных в разнообразных источниках, выполнены на биполярных транзисторах, что не позволяет им достигать высоких значений КПД в связи со значительными величинами токов, требуемых им в цепях управления. Из этих соображений схемы, приведённые ниже, выполнены на ключевых MOSFET транзисторах, а потому при отсутствии нагрузки – имеют потребление тока, близкое к нулю.

Рис.3 Схема преобразования полярности на цифровых КМОП элементах

Схема, изображённая на Рис.3, представляет собой слаботочный инвертор напряжения с выходным током – до 30...40 мА.
Использование в качестве генератора микросхемы триггера шмитта CD4093 (КР1561ТЛ1) позволило снизить собственный ток потребления преобразователя до значений – не превышающих 100 мкА.
Микросхемы CD4049 (КР1561ЛН2) представляют собой пару электронных ключей, работающих в противофазе, что обеспечивает низкий уровень пульсаций выходного напряжения, а так же двойную мощность преобразования по сравнению с одиночным ключом (Рис.2).
Выбор в качестве диодов D1...D4 диодов шоттки с малым падением прямого напряжения позволило снизить разницу между разнополярными напряжениями до значений 0,5...0,6В.

При необходимости получить от преобразователя полярности токи, исчисляемые сотнями миллиампер, электронные ключи следует выполнить на MOSFET транзисторах, имеющими малое сопротивление открытого канала и позволяющими работать с мощностями, значительно превышающими возможности инверторов CD4049 (Рис.4).

Рис.4 Схема преобразования полярности на MOSFET транзисторах

Максимальный выходной ток данного преобразователя определяется величинами максимально допустимых токов используемых транзисторов.
При напряжении питания 12В и токе нагрузки, не превышающем 50мА, выходное напряжение составляет величину -11,4В. При дальнейшем увеличении тока нагрузки, модуль выходного напряжения начинает падать и при 200мА составляет величину 11В.
Напряжение высокочастотных пульсаций в нагрузке не превышает 10...20мВ.
Применять сильно мощные полевики в данной схеме не рекомендуется из-за значительного снижения КПД, связанного с большими значениями входных ёмкостей таких полупроводников. Следствием этих ёмкостей будет являться затягивание фронтов управляющих сигналов, что в свою очередь приведёт к протеканию значительных сквозных токов через транзисторы.
При необходимости увеличить мощность инвертора имеет смысл совместить схемы с Рис.3 и Рис.4, то есть подключить затворы мощных MOSFET-ов к выходам запараллеленных инверторов DD2 и DD3.

Назад