Как сделать отрицательное напряжение на блоке питания
Обновлено: 07.07.2024
Использование множества разных источников энергии в одном устройстве всегда считается плохим тоном. Иногда это необходимо, если нужно, к примеру, обеспечить работу таймера при отключении основного питания, или для упрощения выходных цепей мощных усилителей, но в целом стараются обходится одной батареей или адаптером на всю цепь.
Получать от одного источника пониженное и повышенное напряжение не так сложно, с отрицательным - проблемы, а ведь оно зачастую нужно для работы некоторых цифровых драйверов и смещения полевых транзисторов, что важно в ВЧ и СВЧ цепях, где важно, чтобы сток транзистора был напрямую посажен на землю.
И конечно, где есть проблема, есть решение, и стандартное выглядит так:
Перед нами своего рода реактивный "насос", перекачивающий энергию из одной части цепи в другую. Когда на V2 напряжение низкое, транзистор Т1 открыт, и через дроссель L1 течёт ток. Когда напряжение V2 поднимается до уровня V1, транзистор закрывается, но ток через дроссель мгновенно прекратиться не может, ввиду того, что в нём накоплена энергия, которая является функцией тока: W=LI^2/2. Ток продолжает течь в том же направлении, и единственный путь для него - это конденсатор С1, и он заряжается в обратном направлении, то есть "отрицательным" напряжением.
Схема распространённая, хорошо себя зарекомендовавшая в самых разных исполнениях, но она имеет ряд недостатков. И основной - это дроссель. Это достаточно массивная деталь, занимающая не мало места, имеющая тенденцию к писку и излучению ЭМ-излучения. Её минимизация возможна, но требует увеличения рабочей частоты преобразователя, что вносит свои ограничения.
Другим реактивным элементом, способным к накоплению энергии, является сам конденсатор, который так же может играть роль "насоса", даже без применения сложных схем переключения полярности:
Кто-то может узнать тут элементы схем амплитудного детектора и выпрямителя с умножением, и суть довольно проста.
Пока транзистор закрыт, конденсатор С1 заряжается через диод D1 и резистор R1. Он может быть заменён источником тока при необходимости, но не обязательно. Выбирается он исходя из постоянной времени цепи R1C1, за половину периода генератора V2 конденсатор должен зарядится полностью, то есть R1*C1<=2. 3*TL.
На втором этапе транзистор открывается, и разряжает конденсатор, но из-за смены направления тока и наличия диодов, уже через D2 и C2, что и формирует отрицательное напряжение на выходе.
Скорость формирования и установления напряжения на выходе определяется отношением ёмкостей С1 и С2, чем больше С2, тем дольше формируется напряжение, чем меньше ёмкость С2, тем быстрее установление напряжений, но ощутимее пульсации при той же нагрузке. Пульсации так же обратно-пропорциональны частоте.
Из-за принципа работы, не чувствительному к форме напряжений, в качестве генератора может использоваться как мультивибратор, так и любой другой тип, вплоть до "мухи", описанной в статье "Возбуждение усилителей - создание и предотвращение" на канале, хотя наличие там дросселя лишает это большого смысла, однако даже форма его импульсов будет приемлема.
Преобразователь работает практически на любых частотах почти без изменения габаритов (при использовании компактной керамики в качестве конденсаторов) и при любых формах импульсов от генератора, компактен, не требует снаббера для защиты от индуктивных выбросов, может работать как с цепью обратной связи, так и без неё, не пищит и не излучает заметных магнитных полей, легко рассчитывается и адаптируется под разные задачи и вполне пригодна для применения в качестве источника отрицательного смещения в каскадах. Основным недостатком можно назвать, разве что, сложности в достижении значительной мощности, однако учитывая его назначение, это не столь критично.
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.
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.
Конденсатор зарядился, стал источником напряжения, встав в противовес источнику генератора. На генераторе пока +5 еще (верхняя часть меандра). И ток в цепи остановился.
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.
.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.
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.
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.
Спасибо. Вы потрясающие! Всего за месяц мы собрали нужную сумму в 500000 на хоккейную коробку для детского дома Аистенок. Из которых 125000+ было от вас, читателей EasyElectronics. Были даже переводы на 25000+ и просто поток платежей на 251 рубль. Это невероятно круто. Сейчас идет заключение договора и подготовка к строительству!
А я встрял на три года, как минимум, ежемесячной пахоты над статьями :)))))))))))) Спасибо вам за такой мощный пинок.
8 thoughts on “Генератор отрицательного потенциала”
А это подарок, она у меня уже много лет :)
Di halt не знаю как с тобой связаться по другому, очень нужен совет
Если в схеме есть max232 то можно взять отрицательное напряжение с него.
А нагрузку по току какую держит такой генератор?
Кстати, исправьте в тексте частоту с 1кГц на 10кГц(может ввести в заблуждение новичков).
Мизерную. Меньше миллиампера. Вообще можно через заряд высчитать сколько туда будет успевать накидывать.
На 2-й стадии С2 разряжается, а С1 заряжается и в точке выхода растет отрицательный потенциал. Не могу понять, как этот отрицательный потенциал «проходит» через D2, ведь на аноде у него минус относительно катода?.
В радиолюбительских конструкциях широко применяются стандартные символьные дисплеи, благодаря своей высокой надёжности, низкой цене, распространённости. Эти дисплеи производятся многими фирмами, но управляются одинаково - внутри них находится контроллер, совместимый с Hitachi HD44780. Кроме того, существует много разновидностей дисплеев - на разное количество строк, и разное количество символов в строке. Большинство таких дисплеев имеют регулировку контрастности согласно данной схеме:
В данной схеме на вывод регулировки контраста (вывод № 3) подается напряжение от 0 до +5 вольт, чем напряжение меньше, тем контрастность выше. Некоторые дисплеи вообще могут работать когда на выводе 3 нулевое напряжение (вывод 3 замкнут на общий), поэтому на просторах интернета иногда встречаются схемы, на которых вывод 3 дисплея соединен с общим проводом схемы (максимальная контрастность). Сразу скажу, что так нельзя делать, так как один дисплей будет работать нормально, а другой уже не будет ничего показывать.
Относительно старые (а также некоторые новые) дисплеи для настройки контрастности требуют отрицательное напряжение около -1 вольта. Также при питании дисплея от +3,3 вольт, контрастность снижается, а повысить её можно только путём введения в схему отрицательного напряжения. Схема настройки контрастности приобретает следующий вид:
Чтобы установить оптимальную контрастность, на вывод 3 дисплея нужно подать отрицательное напряжение порядка -0,3. -1 вольт. Где же взять это отрицательное напряжение ? Для этого нужно спаять преобразователь (инвертор), который из +5 вольт сделает отрицательное напряжение, остаётся только подать его на подстроечный резистор, и установить желаемую контрастность.
Мне попался дисплей, требующий отрицательное напряжение.
Если подключить регулировку контраста по обычной схеме (рис.1), установить контраст на максимум, и подать питание +5 вольт, то, мы увидим бледное изображение:
А при питании +3,3 вольта вообще не будет изображения на дисплее. Это значит, что дисплею необходимо отрицательное напряжение для увеличения контрастности. Преобразователь (инвертор) я собрал на базе распространённой микросхемы MC34063, по схеме из даташита:
я только изменил резисторы в цепи обратной связи для получения нужного мне напряжения, и прикрутил подстроечный резистор для регулировки контрастности:
Подстроечный резистор включен между положительным и отрицательным напряжением. Это даёт возможность установить на его бегунке как положительное/отрицательное напряжение любой величины, так и нулевое напряжение. Номиналами резисторов R1 и R2 задаётся выходное напряжение преобразователя, я поставил R2=2k, R1=1k, что соответствует выходному напряжению около -3,5 вольт.
Для удобства я закрепил плату преобразователя на обратной стороне дисплея при помощи двустороннего скотча.
Также на плате дисплея я нашел контактные площадки на которых присутствует напряжение питания, и запитал от них преобразователь:
На плате дисплея я отследил куда идёт дорожка регулировки контраста (вывод 3) и перерезал её, подключив вместо вывода 3 мой собранный и настроенный преобразователь. Напряжение с вывода 3 дисплея идёт на этот джампер JP6, а далее идёт на чип дисплея.
Подаём питание, измеряем напряжение на выходе преобразователя:
Напряжение на выходе в пределах расчётного, теперь подстроечным резистором устанавливаем желаемую контрастность дисплея. Чем меньше/отрицательнее напряжение, тем выше контрастность.
Мой дисплей начал нормально показывать, когда на выводе 3 установилось напряжение -0,9 вольта.
Получилась конструкция с автономной регулировкой контрастности, не требующая никаких дополнительных напряжений, кроме питания +3,3. +5 вольт. При этом вывод № 3 дисплея теперь не используется, можно его не подключать. Ещё одним преимуществом является то, что дисплей теперь можно питать от +3,3 вольт без потери контрастности.
Читайте также: