Схема отрицательного напряжения: двуполярное из однополярного

Отрицательное (или обратное) напряжение бывает необходимо для питания аналоговых да и цифровых схем. При этом возникают проблемы, когда устройство запитано от аккумулятора или у нас нет возможности расширить существующий блок питания. Представленная схема позволяет не только «переворачивать» полярность напряжения, но и обеспечивает возможность регулировать его значение в широком диапазоне.

Основные параметры устройства:

генерирование отрицательного постоянного напряжения с помощью импульсного преобразователя;
регулируемое значение выходного напряжения в диапазоне –(26…1,23) В;
вход управления, отключающий преобразователь;
ток нагрузки до 250 мА при входном напряжении 12 В и выходном напряжении –12 В;
источник питания постоянного тока в диапазоне 5…35 В;
ток потребления примерно 10…30 мА, в зависимости от входного и выходного напряжения.

Большинство схем, вырабатывающих обратное напряжение относительно корпуса, основаны на накоплении заряда конденсатора. Это умное и дешевое решение, но оно имеет очень низкую эффективность по току и сильные ограничения по выходному напряжению. Данный блок питания основан на грамотно подключенном импульсном преобразователе, поэтому его эффективность по току намного выше. Выходное напряжение удобно регулировать с помощью подстроечного резистора в очень широком диапазоне, а еще одним преимуществом является простота настройки и высокая доступность радиоэлементов.

Содержание
1. Как работает схема источника питания отрицательного напряжения
2. Сборка и настройка преобразователя напряжения
3. Перечень элементов блока питания
4. Комментарии посетителей по теме статьи

Как работает схема источника питания отрицательного напряжения

Принципиальная схема устройства представлена на следующем рисунке. Важнейшим элементом является интегральный импульсный преобразователь US1 типа LM2595 в корпусе ТО220-5 и в исполнении с регулируемым выходным напряжением (LM2595T-ADJ). Стоит отметить, что клемма GND этой схемы не соединена с массой источника питания, а ведет к выходной клемме разъема J2. В свою очередь, выходное напряжение, генерируемое этим преобразователем, работающим в классической схеме, соединено с корпусом. Таким образом мы можем получить отрицательное напряжение, поскольку для микросхемы US1 потенциал земли выше, а потенциал ее линии GND ниже. Так что с точки зрения US1 всё в порядке. В свою очередь, входное напряжение, подаваемое на клеммы разъема J1, подается на вход IN и выход этого преобразователя.

Как получает питание схема? Достаточно взглянуть на емкостной делитель напряжения, который состоит из двух групп емкостей: С1…С3, включенных параллельно, и С4…С6, также включенных параллельно. Их электрические емкости примерно равны, поэтому напряжение питания разделилось бы пополам между обеими группами конденсаторов, но С4…С6 закорочены P1 и R3, поэтому они почти не будут заряжаться — большая часть входного напряжения выделится на C1…C3. В этих условиях микросхема US1 может работать.

Потенциометр Р1 вместе с резистором R3 создают делитель выходного напряжения. Их задача — замкнуть петлю отрицательной обратной связи, чтобы выходное напряжение всегда было на уровне, заданном потенциометром Р1. Максимальное выходное напряжение, которое можно установить в этой схеме, составляет -1,23 В — это опорное напряжение микросхемы LM2595. В свою очередь минимум, получаемый с помощью делителя R3+P1, составляет примерно -26 В. Конденсатор С7 ускоряет работу цепи отрицательной обратной связи на высоких частотах, улучшая стабильность преобразователя.

В этой схеме используются три входных и три выходных конденсатора. Такое решение было продиктовано желанием снизить интенсивность переменной составляющей тока, протекающего через эти элементы. Конденсаторы, использованные в прототипе, имеют полное сопротивление 120 мОм, а допустимый ток пульсаций 760 мА. Параллельное соединение трех конденсаторов улучшает эти параметры в три раза: эквивалентное сопротивление составляет около 40 мОм, а допустимый ток пульсаций увеличивается до более 2,2 А.

Последняя цепочка, которая до сих пор не обсуждалась, — это транзистор Т1 вместе с резисторами R1 и R2. Заметим, Т1 включен по схеме с общей базой. В исходном состоянии преобразователь работает, и резистор R2 создает на входе EN микросхемы US1 потенциал, близкий потенциалу GND. Чтобы выключить преобразователь, нужно обеспечить в данной точке более высокий потенциал. Но как это сделать, если все происходит при напряжениях ниже 0 В?

Здесь нам поможет Т1, который выступает в роли управляемого источника тока. Ток коллектора данного транзистора примерно равен току его эмиттера. Этот ток ограничивается резистором R1 до долей миллиампера, если напряжение выключения, приложенное к J1, составляет несколько вольт (например, 5 В или 3,3 В от микроконтроллера).

Поскольку сопротивление R2 в несколько раз больше, чем R1, то и напряжение, прикладываемое к нему, также будет в несколько раз выше, чем на R1. US1 обязательно выключится, и риска его повреждения нет, поскольку ток, протекающий с коллектора Т1, невелик.

Сборка и настройка преобразователя напряжения

Инвертор питания собран на односторонней печатной плате размерами 50×60 мм. Расположение элементов и печатных проводников смотрите на картинке ниже. Для крепления платы предусмотрено четыре отверстия по углам.

Монтаж лучше начинать с самых низких элементов, т.е. резисторов и диода D1. Диод D2 установлен вертикально и повернут катодом к микросхеме US1. Дорожку между ее выводами рекомендуется нарастить проводом и припоем, так как по ней протекает большой входной ток.

Правильно собранное устройство не требует никаких мероприятий по настройке и сразу готово к работе. Однако, прежде чем плата будет установлена на место, рекомендуется подключить ее к источнику питания с напряжением в несколько вольт и установить нужное выходное напряжение с помощью подстроечного резистора Р1 (без какой-либо нагрузки). Это делается, чтобы предотвратить выход из строя микросхемы при подаче питания.

Допустимое входное напряжение микросхемы LM2595T-ADJ составляет 40 В. Микросхема US1 «видит» потенциал входного напряжения на своем выводе IN (за вычетом небольшого падения на диоде D1), а выходное напряжение — это потенциал на клемме GND. Разность потенциалов дает напряжение, которое не должно превышать 40 В. Если подстроечным резистором было задано высокое выходное напряжение, то US1 может быть повреждена при подаче высокого напряжения на вход.

Большим преимуществом этой схемы является возможность устанавливать любое выходное напряжение: как (по абсолютной величине) ниже, так и выше относительно входного напряжения. Просто нужно помнить о вышеприведенном условии и о том, что при малых входных напряжениях КПД устройства и допустимый выходной ток снижаются, поскольку ток, протекающий через ключ, встроенный в US1, увеличивается.

Источник для преобразователя однополярного напряжения в двуполярное должен иметь высокий КПД по току. Еще лучше, если получится запускать инвертор с определенной задержкой по отношению к питающему напряжению. Это необходимо для быстрой зарядки конденсаторов схемы.

Еще одно замечание относительно возможных изменений. Не следует впаивать LM2596T-ADJ в эту плату — ее распиновка отличается от использованной в инверторе микросхемы LM2595T-ADJ. Несмотря на то, что это более мощный аналог, его два контакта (IN и OUT) поменяны местами. Стоит иметь это в виду, чтобы не дать микросхеме задымиться сразу после первого включения.