Двухполярное питание из однополярного схема

Электроника, электротехника. Профессионально-любительские решения.

Для многих схем, использующих операционные усилители, часто требуется двойное питание или одно среднее питание, что почти одинаково. Биполярные блоки питания встречаются гораздо реже, чем униполярные. Для питания цепей с низким энергопотреблением (порядка нескольких миллиампер) можно использовать униполярный источник, создав среднюю точку с помощью простого резистивного делителя и фильтрующих конденсаторов, рисунок 1.

Такой вариант создания биполярного блока питания из униполярного отличается ощутимыми потерями в цепи и низкой стабильностью, так как при неравномерной нагрузке на плечи большая нагрузка потянет среднюю точку на своем плече. Подобные схемы могут пригодиться при экспериментах с операционными усилителями. В схеме варианта б) отключающий резистор R3 может использоваться для регулирования уровня напряжения средней точки. Имеет смысл использовать его для быстрой сборки тестовых схем и только в том случае, если выходное напряжение униполярного источника достаточно для создания биполярного источника питания.

Схема, более приспособленная к небольшой, но динамической нагрузке, может быть собрана с использованием операционного усилителя. Схема довольно простая, рисунок 2.

Потенциометр R1 устанавливает средний уровень напряжения. Это напряжение подается на неинвертирующий вход «3». При включении конденсаторы С1 и С2 заряжаются примерно равномерно, в месте их подключения появляется напряжение, примерно равное половине напряжения питания относительно нижней шины питания (0 слева, -Uп / 2 а справа соответственно к схеме). Так формируется середина блока питания («корпус», «земля»). Среднее напряжение через резистор R2 поступает на инвертирующий «трекинговый» вход усилителя «2».

Если напряжение средней точки, подаваемое на инвертирующий вход, превышает заданное напряжение на неинвертирующем входе, усилитель будет подтягивать выходное напряжение «6» на отрицательной шине питания, открывая транзистор VT2 до тех пор, пока напряжение средней точки не станет равным значению указан один.

Когда напряжение средней точки падает до отрицательного источника питания, усилитель, наоборот, подтягивает выход «6» к положительному источнику питания, открывая транзистор VT1, который будет увеличивать напряжение средней точки до тех пор, пока оно не сравняется с этой датой.

Когда средняя точка движется вокруг заданного напряжения, часто происходит переключение между транзисторами, и поскольку коэффициент усиления операционного усилителя без обратной связи составляет порядка нескольких тысяч единиц, эффект стабилизации довольно точен и зависит от большей меры величиной асимметрия нагрузки, коэффициент усиления транзисторов VT1 и VT2 по току и их мощности.

При использовании такой схемы следует учитывать, что при необходимости подключения средней точки к корпусу устройства, то первичный источник питания не должен иметь контакта с корпусом.

При переключении транзисторов могут возникать переключающие шумы из-за значительной собственной индуктивности конденсаторов фильтра. Для исключения помех конденсаторы С1 и С2 необходимо перемыть керамическими конденсаторами емкостью 0,1… 0,22 мкФ.

Преимущество схемы состоит в том, что среднее напряжение может быть установлено практически на любой уровень от меньшей до большей мощности, хотя это не требуется для большинства устройств.

Биполярный стабилизатор не требуется для получения стабильных выходных напряжений относительно средней точки; для этого достаточно использовать первичный стабилизированный источник питания (униполярный.

Ниже представлены картинки и фото готового проекта такого делителя мощности. Резистор (R3, рис. 3) был добавлен в конструкцию выходной цепи для смягчения условий перегрузки усилителя, когда одно плечо замкнуто или имеется значительный дисбаланс нагрузки.

Конструкция устройства

Следует отметить, что вывод GND приставки представляет собой «искусственную среднюю точку», поэтому он не должен контактировать с «общим» проводом исходного блока питания (!) — обычно это блок питания.

На фото пример моего дизайна. Схема собрана на печатной плате размером 55 х 30 мм и установлена ​​в корпусе «основного» (униполярного) источника питания. Корпус компьютерного блока питания имеет компактные размеры, поэтому установка получилась достаточно плотной. Однако это никак не отразилось на работе как основного блока, так и «приставки». Транзисторы размещены на проводах небольшой длины (порядка 60… 80 мм) и закреплены на свободном пространстве основного радиатора с помощью изолирующих прокладок. Переключатель S1 выведен на переднюю панель блока питания (тумблер). Предохранитель F1 установлен на правой боковой стенке. Автор статьи: Барышев Андрей Владимирович.

Электроника, электротехника. Профессионально-любительские решения.

Для многих схем, использующих операционные усилители, часто требуется двойное питание или одно среднее питание, что почти одинаково. Биполярные блоки питания встречаются гораздо реже, чем униполярные. Для питания цепей с низким энергопотреблением (порядка нескольких миллиампер) можно использовать униполярный источник, создав среднюю точку с помощью простого резистивного делителя и фильтрующих конденсаторов, рисунок 1.

Такой вариант создания биполярного блока питания из униполярного отличается ощутимыми потерями в цепи и низкой стабильностью, так как при неравномерной нагрузке на плечи большая нагрузка потянет среднюю точку на своем плече. Подобные схемы могут пригодиться при экспериментах с операционными усилителями. В схеме варианта б) отключающий резистор R3 может использоваться для регулирования уровня напряжения средней точки. Имеет смысл использовать его для быстрой сборки тестовых схем и только в том случае, если выходное напряжение униполярного источника достаточно для создания биполярного источника питания.

Схема, более приспособленная к небольшой, но динамической нагрузке, может быть собрана с использованием операционного усилителя. Схема довольно простая, рисунок 2.

Потенциометр R1 устанавливает средний уровень напряжения. Это напряжение подается на неинвертирующий вход «3». При включении конденсаторы С1 и С2 заряжаются примерно равномерно, в месте их подключения появляется напряжение, примерно равное половине напряжения питания относительно нижней шины питания (0 слева, -Uп / 2 а справа соответственно к схеме). Так формируется середина блока питания («корпус», «земля»). Среднее напряжение через резистор R2 поступает на инвертирующий «трекинговый» вход усилителя «2».

Если напряжение средней точки, подаваемое на инвертирующий вход, превышает заданное напряжение на неинвертирующем входе, усилитель будет подтягивать выходное напряжение «6» на отрицательной шине питания, открывая транзистор VT2 до тех пор, пока напряжение средней точки не станет равным значению указан один.

Когда напряжение средней точки падает до отрицательного источника питания, усилитель, наоборот, подтягивает выход «6» к положительному источнику питания, открывая транзистор VT1, который будет увеличивать напряжение средней точки до тех пор, пока оно не сравняется с этой датой.

Используемые в схеме детали

В качестве операционного усилителя можно использовать микросхемы К140УД6, К140УД7, К140УД601, К140УД701 или зарубежные аналоги (с учетом другой их распиновки).

Резисторы в эмиттерных цепях транзисторов нужны для выравнивания токов транзисторов и ограничения их пиков в моменты переключения. При малых токах нагрузки достаточно будет использовать выходной каскад, тогда эти резисторы в эмиттерных цепях можно будет исключить. При значительной нагрузке (до 10 А и более) необходимо использовать параллельное соединение транзисторов (показано на схеме зеленым цветом). Номинал этих резисторов может колебаться от 0,05 до 0,2 Ом при мощности не менее 5 Вт (в зависимости от мощности и тока нагрузки). Все остальные резисторы в схеме — типа МЛТ0,25.

можно использовать транзисторы типа: КТ805 / КТ837, КТ819 / КТ818, КТ827 / КТ825 или аналогичные импортные. Диоды VD1 и VD2 предназначены для исключения шунтирования цепей нагрузки транзисторами устройства. Они могут быть типа КД226, КД210, КД237 и другие, в зависимости от максимального тока нагрузки.

Транзисторы устанавливаются на радиаторах достаточного размера. Размер радиаторов определяется только несбалансированностью нагрузки. Чем больше он разбалансирован, тем больше площадь радиаторов.

Этот униполярный делитель напряжения не требует настройки, правильно собранная схема запускается немедленно. Резистор Rreg предназначен для установления равенства выходных биполярных напряжений.

Если выходное напряжение «стучит» из-за возбуждения и самогенерации, необходимо уменьшить номинал резистора R4, увеличив величину отрицательной обратной связи.

Микросхема операционного усилителя может быть ограничена в блоке питания до 15 вольт в «плече» (в зависимости от его типа), поэтому для получения более высоких выходных напряжений необходимо подключить питание к выводам 4 и 7 через резисторы и соответствующие стабилитроны, но более низкий уровень также увеличит выходное напряжение. Стабилитроны должны отклоняться конденсаторами порядка 0,1… 1,0 мкФ.

В некоторых операционных микросхемах возможна регулировка нулевого баланса выходного напряжения с помощью внешнего ограничивающего резистора. Но при изменении входного напряжения питания его нужно будет отрегулировать, поэтому в данной схеме эта функция не используется.

Схема стабилизатора была собрана и испытана на практике. При всей своей простоте он обеспечивает хорошую производительность и надежность, не занимает много места и может быть помещен в корпус вашего «оригинального» однополюсного блока питания. В то же время для нормальной работы источника питания в униполярном режиме должен быть предусмотрен переключатель S1 для отключения биполярного соединения, чтобы оно не влияло на него. Кроме того, на выходе основного блока питания будет нелишним вставить дополнительный предохранитель F1 на ток, соответствующий максимально возможному току биполярной нагрузки.

Ложка дегтя в бочку меда

При всех очевидных достоинствах самым большим недостатком данной микросхемы является ее корпус. Микросхема выпускается только в корпусе, предназначенном для настенного монтажа, размером 3×3 мм. Размеры контактов 0,6×0,2 мм, расстояние между ними 0,25 мм.

Сделать стол с такими контактами в домашних условиях — задача не из легких. Вы можете облегчить себе жизнь, если купите готовый модуль с распаянной микросхемой и обвязкой.

В целом, TPS65133 не единственный. В этом же ряду микросхемы TPS65130, TPS65131, TPS65132, TPS65135…. Однако либо их характеристики менее интересны, либо еще хуже корпус.

Немного о блоках питания (часть II)

Казалось бы, может быть проще: взял блок питания, подключил двумя-тремя проводами к усилителю и вот он должен петь? Получается не всегда. Как мы уже говорили в первой части этой серии статей, существует множество подводных камней.

Продолжаем разбираться в тонкостях проводов, питающих усилитель. И как ни странно, большинство проблем может быть вызвано общим (заземлением.

Для начала исправим ошибку. В первой части статьи была опубликована схема питания биполярного усилителя, но схема его подключения отсутствовала.

Вот оба:

Питание биполярного усилителя мощности.

Схема подключения биполярного блока питания усилителя мощности

Фактически, есть два «зеркальных» униполярных блока.

Обратный ток акустической системы

Как известно, акустическая система — это реактивная нагрузка. Это означает, что он может возвращать ток в усилитель. Этот ток, протекающий по проводникам, создает разность потенциалов, которая может привести к положительной обратной связи и, как следствие, к нестабильности усилителя.

Чтобы избежать этого, клемму заземления динамика необходимо подключить к общей клемме конденсаторов силового фильтра. Часто вывод динамика подключается к общему выводу микросхемы, как показано на рисунке:

Это соединение замыкает отрицательную полуволну сигнала в локальном контуре, устраняя конденсатор фильтра, который может уменьшить излучаемый шум и повысить стабильность системы.

На рисунке показано, как ток утечки на землю полуволны сигнала может вызвать неприятные помехи и искажения, если общий провод динамика подключить к выводу выходного каскада микросхемы:

Аналогично, если на плате усилителя в цепях питания стоят байпасные конденсаторы (а обычно они есть) довольно большой емкости в несколько сотен микрофарад, то импульсы зарядного тока также будут создавать разность потенциалов на общем проводе. Поэтому, повторимся еще раз, лучшее место для подключения общего провода акустической системы — это общий вывод конденсаторов силового фильтра.

ДВУПОЛЯРНЫЙ РЕГУЛИРУЕМЫЙ БП ИЗ ОДНОПОЛЯРНОГО

Если у вас есть лабораторный блок питания с возможностью регулирования выходного напряжения и тока и защитой от короткого замыкания и перегрузки на выходе, вы можете дополнить его такой «приставкой». Таким образом, на выходе можно получить не только униполярное, но и биполярное регулируемое напряжение. При этом все «родные» функции блока питания сохранятся: возможность регулирования тока, напряжения и защита на выходе.

Но следует отметить, что значения биполярного выходного напряжения будут равны половине значений «базового». То есть, если ваш блок питания выдает, например, от 0 до 30 вольт на выходе, выходное напряжение биполярной версии будет, следовательно, иметь значение от 0 до +/- 15 вольт (немного ниже, с учетом убытки). В этом случае будет автоматически обеспечиваться стабильное равенство положительного и отрицательного напряжений «плеча» во всем диапазоне регулировки выходного напряжения.

Пример монтажа моно-усилителя

Обычно «звезда» в униполярном усилителе с питанием имеет три луча: заземление сигнала, заземление конденсатора фильтра питания и «грязное» заземление. Пример показан на рисунке:

Здесь под усилителем следует понимать интегральный вариант, а также усилители на дискретных элементах.

Как видите, сигнальная земля подключена к одной балке — токи здесь очень малы, поэтому нет необходимости соединять все элементы отдельными проводниками. Выходы сильноточных цепей подключены ко второй балке отдельными проводниками: выходным каскадом, цепью Зобеля, общим выходом акустической системы и байпасными конденсаторами. Общий вывод конденсатора фильтра блока питания подключен к третьей балке.

Правильное подключение общего провода к выводам микросхем показано на рисунке:

Вариант «с» — неправильный выбор. Из-за сопротивления дорожки большой ток увеличит потенциал слаботочного общего провода относительно вывода микросхемы, что приведет к увеличению искажений.

Двухполярное питание из однополярного на микросхеме TPS65133

Основным преимуществом этого преобразователя является то, что выходное напряжение составляет ± 5В вне зависимости от входного напряжения, которое может варьироваться от 2,9 до 5 вольт (допускается подача до 6 вольт). Эти микросхемы предназначены для непосредственного использования с батареями на 3,6 В. Но никто не запрещает питать его от usb или от блока питания.

Частота преобразования здесь 1,7 МГц. Для аудиоустройств это отличный вариант. При этом для эксплуатации не требуются трансформаторы, которые необходимы в большинстве преобразователей SEPIC. Для преобразования требуется только индуктивность, которая из-за такой высокой частоты довольно мала.

Схема преобразователя униполярного напряжения в биполярный на TPS65133 выглядит следующим образом:

Рекомендуется устанавливать танталовые конденсаторы. Кроме того, не лишним будет добавить дополнительные конденсаторы емкостью 0,1 мкФ для фильтрации высокочастотных помех.

Что касается такого параметра, как выходной ток, то тут все очень хорошо. Выходной ток может достигать 250 мА на плечо. Производитель заявляет, что при выходном токе от 50 до 200 мА КПД преобразователя превышает 90%, что является отличным показателем для использования в портативной технике.