Оглавление
Иногда в схеме нужна шина отрицательного напряжения, но у большинства источников есть только одна, положительная шина питания. Этот проект поможет собрать генератор отрицательного напряжения, работающий от одной плюсовой шины.
Необходимость отрицательного питания
Многие радиолюбители сталкивались со схемой, например, операционного усилителя, в которой используется двухканальное питание. Чтобы обеспечить его можно использовать два источника питания, но часто нет доступа к такому оборудованию, или конструкция должна быть портативной (батареечной), поэтому два отдельных источника питания могут быть не лучшим выходом. Одним из решений является разделение входящего источника питания и создание виртуального заземления между двумя резисторами в делителе потенциала.
Правда у этого решения есть некоторые проблемы. Во-первых, возможности виртуального заземления по тока ограничены, а, во-вторых, максимальное напряжение питания будет разделено на 2 (9 В батарея может стать ±4,5 В, но 4,5 В — максимально достижимое напряжение).
Тогда используя генератор, несколько диодов и конденсаторов, сможем использовать эффект, называемый емкостной связью, благодаря которому может генерироваться отрицательное напряжение, близкое к напряжению источника питания.
Немного теории
Емкостная связь — это эффект, при котором конденсатор «пытается» поддерживать постоянное напряжение на своих выводах. Например, если обе стороны конденсатора находятся под напряжением 0 В, а на пластине 1 оно внезапно доведено до 10 В, напряжение на другой пластине немедленно начнет расти до 10 В. То же самое касается и обратного: если первая пластина переводится с 10 В до 0 В, то другая пластина будет пытаться упасть на 10 В, чтобы поддерживать постоянное напряжение на конденсаторе.
Обратите внимание, как отрицательное изменение дало -10 В, когда левая пластина была заряжена до 10 В, а другая оставалась на уровне 0 В. Это последовательность будет использоваться для генерации отрицательного напряжения.
Но как нам зарядить левую сторону до 10 В, если другая пластина также не заряжается до 10 В? Помните, что когда первая пластина достигает 10 В, другая сторона также будет пытаться получить это напряжение. Вот тут и пригодятся диоды.
Диоды проводят ток только в одном направлении. Но если используем простую (но умную) схему с конденсатором и двумя диодами, то сможем генерировать отрицательное напряжение на пластине конденсатора!
Когда входное напряжение увеличивается с 0 В до 10 В, отрицательная пластина на C1 также будет пытаться совпадать из-за емкостной связи. Но как только она достигает 0,7 В, D1 сразу проводит, и это предотвращает повышение напряжения пластины выше 0,7 В. Теперь с положительной пластиной на 10 В и отрицательной пластиной на 0,7 В разность потенциалов на пластине составляет 10 — 0,7 = 9,3 В. Когда положительная пластина быстро падает с 10 В до 0 В, эта разность потенциалов 9,3 В должна поддерживаться из-за связи. Следовательно, отрицательная пластина падает до -9,3 В. D1 не может проводить ток, так как он смещен в обратном направлении, так что это отрицательное напряжение остается на конденсаторе.
Теперь D2 проводит, потому что анод (подключенный к отрицательной пластине C2) имеет более высокий потенциал, чем катод (подключенный к -9,3 В). Следовательно, напряжение на отрицательной пластине C2 будет уменьшаться до тех пор, пока D2 не перестанет проводить ток. Диод D2 перестанет проводить, как только падение напряжения на нем станет меньше 0,7 В. Это произойдет когда отрицательная пластина C2 станет -9,3 — -0,7 = -8,6 В.
Но если внешнее устройство попытается использовать отрицательное напряжение, оно будет очень быстро израсходовано, что связано с относительно небольшими размерами C1 и C2, а также с ограничениями по току драйвера схемы. Решение состоит в том, чтобы подключить к входу генератор, чтобы на C1 постоянно генерировалось отрицательное напряжение, которое поддерживает C2.
Конденсатор C2 используется в качестве развязки для внешних устройств, использующих отрицательное напряжение, чтобы попытаться сохранить значение как можно более постоянным. Для нашего проекта C1 будет конденсатором 10 мкФ, а C2 будет конденсатором 100 мкФ.
Генераторы инверторы
Генератор может быть чем угодно, от таймера 555 до микроконтроллера, но помните, что отрицательное напряжение будет равно максимальному напряжению генератора – минимальному напряжению. В этом проекте рассмотрим использование двух разных генераторов: нестабильного на 555 и генератора на основе триггера Шмитта 74HC14.
Нестабильный генератор на 555:
Генератор на основе триггера Шмитта 74HC14:
Создание схемы очень просто. Начните с генератора, а затем постройте схему конденсаторной накачки. Поскольку генератор 74HC14 имеет только один конденсатор и резистор, значения указаны в спецификации. Таймер 555 использует резистор 5,6 кОм для R1, резистор 47 кОм для R2, конденсатор 10 нФ для C1 и 100 нФ для C2.
Если есть осциллограф, то можете убедиться что генератор работает, проверив выходной сигнал. Если же есть только мультиметр — можете измерить выходное напряжение, используя вольтметр постоянного напряжения. Скорее всего схема колеблется, если показание составляет примерно половину от питания.
Например, если питаете схему от источника 9 В, и схема колеблется, то на выходе будет около 4,5 В. Это происходит потому, что вольтметр быстро снимает несколько показаний и выдает среднее значение. Поскольку выход включен в течение одной половины времени и выключен в течение другой, половина среднего значения равна половине максимального.
Полные схемы генераторов
Генератор отрицательного напряжения с 555:
Генератор отрицательного напряжения с 74HC14:
Вот генератор отрицательного напряжения, использующий таймер 555, где выходом является синий провод справа.
Обратите внимание, что напряжение составляет примерно -7,2 В из-за двойного падения напряжения на диоде (1,4 В), а напряжение питания не идеальное 9 В, а ближе к 8,5 В.
Далее описывается конструкция с использованием 74HC14:
Выход здесь составляет -7,95 В и выше, чем у схемы таймера 555, потому что 74HC14 использует лишние вентили для создания. Этот драйвер может подавать и потреблять больший ток, чем выход 555, и, таким образом, создавать большее отрицательное напряжение. Не забудьте подключить все неиспользуемые входы к земле на микросхемах CMOS.
Этот генератор отрицательного напряжения может генерировать только небольшое количество тока. Не ожидайте получить более 5 мА со стабилизатором. Но если не стабилизировать — можете получить до 20 мА, прежде чем выходное напряжение начнет значительно падать. При использовании этого генератора в проектах старайтесь, чтобы потребление тока от устройств было как можно меньше, чтобы отрицательная шина сохраняла заданное значение напряжения.
Схему можно сделать более эффективной, а также увеличить выходное напряжение используя диоды Шоттки вместо обычных кремниевых. Это связано с тем что диоды Шоттки имеют меньшее прямое падение напряжения (до 0,1 В), что приводит к большему отрицательному напряжению.
Ну а области применения тут вполне широкие — аудиотехника, операционные усилители и прочие маломощные устройства. Главное проверить это дело под нагрузкой, прежде чем питать готовые приборы — мало ли что…
