Icl7660 схема включения. ICL7660: Преобразователь полярности напряжения без трансформатора

В этой схеме диод D1 необходим для начального этапа работы. На выходе формируется напряжение, примерно равное 2V+ минус падение на диоде.

Особенности применения ICL7660 в электронных схемах

При использовании ICL7660 следует учитывать некоторые нюансы:

• Выходное напряжение может быть меньше идеального из-за внутреннего сопротивления микросхемы
• При больших токах нагрузки возможно заметное падение выходного напряжения
• Выходное напряжение имеет пульсации с частотой работы внутреннего генератора
• Для уменьшения пульсаций рекомендуется увеличивать емкость выходного конденсатора
• При работе на высоких частотах возможно снижение КПД преобразования

Учет этих особенностей позволяет эффективно применять ICL7660 для получения отрицательного напряжения питания в различных электронных устройствах.

Альтернативные микросхемы для инвертирования напряжения

Кроме ICL7660 существуют и другие популярные микросхемы для инвертирования напряжения без трансформатора:

• MAX1044 — аналог ICL7660 с расширенными возможностями
• LM2664 — инвертор с низким собственным потреблением
• LTC1144 — преобразователь с высоким КПД
• TC962 — инвертор с низким уровнем шума

Выбор конкретной микросхемы зависит от требований к выходному току, КПД, уровню пульсаций и других параметров в конкретном применении.

Заключение

ICL7660 представляет собой простое и эффективное решение для получения отрицательного напряжения питания без использования трансформатора. Микросхема позволяет реализовать компактные преобразователи полярности напряжения с минимумом внешних компонентов. Понимание принципов работы и особенностей применения ICL7660 дает возможность создавать надежные источники двуполярного питания для различных электронных устройств.

ICL7660, еще одна полезная микросхемка.

В жизни многих радиолюбителей иногда встречаются ситуации, когда надо получить напряжение двух полярностей. и если обычно положительная полярность присутствует почти всегда, то вторую частенько приходится получать дополнительно.
Но теорию и практику я распишу чуть чуть дальше, а сейчас как всегда стандартное вступление.

Покупались эти микросхемы за 2.7 доллара за десяток, сейчас продавец опустил цену.
Меньше 50 центов за штуку у нас я не встречал, так что экономия в 2 раза это тоже экономия.

Прислали микросхемы в куче с другими деталями, их я описывал ранее. Лежали в своем пакетике, название написано от руки.

Сама микросхема из себя ничего необычного не представляет, упакована в стандартный корпус SOIC-8. По внешнему виду на подделку не похожа.

Как все понимают, радиокомпоненты это такой товар, который пока не обвесишь вокруг другими деталями, то не проверишь.
Для начала даташиты на нее и ее аналоги. В некоторых даташитах больше уделено внимания вариантам применения, но полезны могут быть все.
ICL7660
LMC7660
MAX1044

Данная микросхема представляет один из вариантов преобразователей.
Но в ней нет трансформаторов, дросселей и т.п, преобразует напряжение она при помощи переключаемого конденсатора.
Есть более известный вариант такой микросхемы — MAX232, но она заметно сложнее, так как не только преобразовывает, а и повышает напряжение, формируя из 5 Вольт два напряжение +10 и -10 Вольт, необходимых для работы RS232 интерфейса.

Основное предназначение ICL7660 это преобразователь полярности из 1,5 — 10 Вольт в 1,5 — 10 но отрицательной полярности.
Внутреннее устройство микросхемы:
Из схемы видно, что внутри имеется задающий генератор и четыре ключа, которые поочередно подключают конденсатор ко входу питания, то к выходу.

Технические характеристики.
Напряжение питания — 1.5 — 10 Вольт (1.5 — 12 Вольт для версии без буквы А в названии)
Собственный ток потребления — 80-170мкА
Частота переключения — 10КГц
КПД — 98%
Эффективность на ХХ — 99.9%

Базовая схема подключения в режиме преобразователя полярности:

Вообще микросхема может работать во многих применениях, и как просто повышающий и как инверсия и каскадное включение с повышением напряжения.
Все эти варианты описаны в даташите, а так же в описании микросхемы на русском языке, оно будет в дополнениях к обзору.

Такой принцип я как то встречал много лет назад в журнале Радио, там предлагался сетевой блок питания на переключаемых конденсаторах, при заряде они подключались к сети и заряжались последовательно, при разряде разражались на нагрузку, но уже переключались на параллельное включение. при этом схема, вроде как выглядевшая соединенной с сетью, как таковой гальванической связи с ней не имела.
Хотел привести эту статью, но не смог найти, мне она тогда понравилась оригинальностью решения.

Ну а теперь перейдем к применению и тестированию

Итак, схема доработки выглядит примерно так.
На схеме видно преобразователь и ОУ. В исходной схеме все конденсаторы имеют номинал 100нФ, но я решил перестраховаться и поставил некоторые номиналом 1.5мкФ.

Для данного апгрейда я страссировал плату. Вернее перетрассировал, так как трассировка у меня уже была от тех, кто уже наступил на грабли :)))

Когда я делаю платы, то на всякий случай печатаю сразу несколько штук, что бы в случае неудачи не печатать еще раз, кроме того полоса бумаги все равно уже использована, потому пусть приносит пользу.
В общем, чтобы не увеличивать объем обзора, сделал коллаж.

После этого как всегда подобрал необходимые компоненты.
Резистор 10 КОм — 4шт (я использовал 9.1КОм)
Конденсатор 1.5 мкФ — 3шт
Конденсатор 100нФ — 2шт
Подстроечный резистор 10КОм (многооборотный)
Преобразователь напряжения — ICL7660
Операционный усилитель — OP07
Все резисторы и конденсаторы имеют размер 0805.
На плате есть место для замены подстроечного резистора постоянными.

Спаял платку, вот такой результат получил на выходе.

После этого перешел к измерениям выходного напряжения.
Напряжение питания было ровно 5 Вольт.
Вообще, надо было сначала измерять без операционного усилителя, поспешил.
Если вдруг кому то критично, могу измерить заново, но уже без него.
На фото:
Без нагрузки.- 10КОм
4.7КОм — 1КОм

После этого я провел еще одно измерение, заменив конденсаторы 1.5мкФ на 10мкФ.
Заменял переключаемый конденсатор и выходной
Получилось:
4.93
4.88
4.82
4.48

После этого измерил ток потребления, входное напряжение, нагрузки и порядок тот же, что и перед этим.

Осциллограммы пульсаций с конденсаторами на 10мкФ, щуп в положении 1:1

И в последнюю очередь проверил ток потребления при КЗ на выходе.
Попутно умудрился невольно проверить переполюсовку, заметил по запаху. Отключил, остыла, включил, все заработало как и до этого. Волшебный дым не вышел 🙂

Ввиду того, что у меня кроме нагрузочных резисторов был включен и ОУ, то показания конечно «уплыли», но все равно, если судить по току потребления без резисторов и с резисторами, то КПД находится на довольно неплохом уровне.

Резюме, микросхемы вполне годные к применению. Цена может и не самая выгодная, хотя на момент покупки старался найти самый выгодный лот с небольшим количеством микросхем в лоте, но лучше чем в оффлайне. Продавец вполне нормальный, хотя один тип микросхем мне у него не понравился (см допилинг фонарика)

Так как хоть на первый взгляд схема совсем ненужная и бессмысленная, но на самом деле я ее планирую применить в одном из будущих обзоров, потому выкладываю всю необходимую документацию по ней. Что бы потом не возвращаться опять к этому этапу.
Дополнительные материалы, даташиты, трассировка, схема — скачать.

Спасибо всем кто читал, надеюсь что информация не была бесполезной.

Преобразователи постоянного напряжения на коммутируемых конденсаторах

При конструировании электронных устройств часто требуется источник питания с различными значениями выходного напряжения. Широкое применение в современных устройствах находят преобразователи постоянного напряжения на переключающихся конденсаторах, позволяющие вырабатывать требуемые напряжения от одного источника питания. В статье рассматриваются принципы работы таких преобразователей, их технические характеристики и варианты применения.

Рассмотрим принцип работы преобразователя на примере широко распространенной микросхемы IСL7660/MAX1044 с расширенными функциональными возможностями. Микросхема МАХ1044 отличается от IСL7660 наличием входа Boost (увеличение частоты внутреннего генератора). Структурная схема микросхемы ICL7660 приведена на рис.1.

Рис. 1. Структурная схема микросхемы ICL7660

Схема содержит четыре силовых МОП ключа, управляемых логическими элементами и сдвигателем уровня напряжения, работа которых осуществляется на частоте, полученной в результате деления на два частоты задающего RC генератора. Это позволяет формировать управляющие импульсы с требуемыми характеристиками «меандр» и оптимизировать по потреблению работу задающего RC генератора, рабочая частота которого без внешних элементов составляет 10 кГц. Внутренний регулятор напряжения необходим для обеспечения работы микросхемы от источника с пониженным напряжением.

Принцип работы микросхемы в режиме идеального инвертора напряжения рассмотрим по функциональной схеме, приведенной на рис.2.

Рис. 2. Функциональная схема

При замыкании ключей S1 и S3 и размыкании ключей S2 и S4 во время первой половины цикла внешний конденсатор С1 заряжается от источника питания до напряжения V⁺, а при замыкании ключей S2 и S4 и размыкании ключей S1 и S3 во время второй половины цикла конденсатор С1 передает частично свой заряд внешнему конденсатору С2, обеспечивая на выводе V_OUT микросхемы напряжение -V⁺. Указанные значения напряжения соответствуют установившемуся режиму.

Энергия, передаваемая конденсатором С1 за один цикл, определяется с помощью выражения

(1)

где V₁ (V₂) — напряжение на конденсаторе С1 в конце первой (второй) половины цикла.

Одним из основных показателей преобразователя является коэффициент преобразования

(2)

где U_вых — напряжение на выходе преобразователя при токе нагрузки, равном i; U_вых.ид. — напряжение на выходе идеального преобразователя (для инвертора U_вых.ид.=-U_вх).

Из выражения (2) видно, что высокое значение коэффициента преобразования достигается при U_вых(i) = U_вых.ид., т.е. при V1 = V2. Однако, как видно из выражения (1), в этом случае снижается переносимая конденсатором С1 энергия, что затрудняет обеспечение высокого значения коэффициента преобразования. Повышение переносимой конденсатором энергии возможно при увеличении емкости С1 или рабочей частоты. В первом случае возрастают габариты конденсатора и, следовательно, габариты преобразователя. Во втором случае возрастают потери энергии в реальном устройстве, что снижает его коэффициент полезного действия

где Р_вых — мощность, отдаваемая в нагрузку; Р_вх — мощность, потребляемая от источника питания.

Из проведенного анализа видно, что при разработке конкретного устройства преобразования необходима оптимизация значений рабочей частоты и емкости конденсатора С1. Для этого необходимо предусмотреть возможность изменения рабочей частоты в соответствии со значениями рабочих напряжений и потребляемых токов.

Рассмотрим электрические характеристики микросхемы IСL7660, включенной по тестовой схеме, приведенной на рис.3.

Рис. 3. Электрические характеристики микросхемы IСL7660, включенной по тестовой схеме

Таблица 1. Краткие электрические характеристики микросхемы при V⁺=5B, С_OSC=0

Типовые зависимости электрических характеристик микросхемы IСL7660 приведены на рис.4-8.

Рис. 4.

Рис. 5.

Рис. 6.

Рис. 7.

Рис. 8.

Приведенные зависимости позволяют уточнить параметры преобразователя для конкретных значений рабочих напряжений и потребляемых токов.

Рассмотрим типовые схемы включения микросхемы ICL7660.

Инвертор напряжения

Схема включения микросхемы в режиме инвертора напряжения приведена на рис.9.

Рис. 9. Схема включения микросхемы в режиме инвертора напряжения

Инвертор обеспечивает получение на выходе V_OUT напряжения, равного -V⁺ в диапазоне 1,5В <= V⁺ <= 10В. В реальных условиях параметры инвертора отличаются от идеальных. Так, в соответствии с рис.4 при V⁺=8В, выходном токе, равном 50 мА, V_OUT =-6В. Снижение выходного напряжения определяется выходным сопротивлением микросхемы R_вых, которое для рассмотренного выше случая составляет 60 Ом (рис.7).

Выходное сопротивление микросхемы зависит от режима по постоянному току и от реактивного сопротивления конденсатора С1.

(3)

Так, для номинала С1=10мкф и частоты f=10кГц X_C=3,18 Ом. Для исключения влияния конденсатора С1 на выходное сопротивление необходимо, чтобы Х_С<вых.

Для эксплуатации микросхемы в диапазоне 1,5В <= V⁺ <= 3,5В необходимо вывод LV (6) микросхемы соединить с общим проводом (на рис.9 показано пунктирной линией).

Снижение выходного сопротивления

Для снижения выходного сопротивления можно применить параллельное включение микросхем, которое показано на рис.10.

Рис. 10. Параллельное включение микросхем

Выходное сопротивление такой схемы зависит от числа параллельно включенных микросхем n и определяется с помощью выражения.

(4)

Из рисунка видно, что конденсатор С1 является индивидуальным для каждой микросхемы, а конденсатор С2 — общий. Рассмотренное включение микросхем позволяет повысить выходной ток, коэффициент преобразования и коэффициент полезного действия преобразователя.

Каскадное включение микросхем

Для повышения выходного напряжения можно применять каскадное включение микросхем, показанное на рис.11.

Рис. 11. Каскадное включение микросхем

Выходное напряжение такого преобразователя равно -nV⁺. Учитывая допустимый диапазон 1,5В <= V⁺ <= 10В число каскадно соединенных микросхем не должно превышать 6.

Удвоители напряжения

Для получения положительного напряжения от источника отрицательного напряжения, а также удвоения напряжения применяется включение микросхемы, показанное на рис.12.

Рис. 12. Схема получения положительного напряжения от источника отрицательного напряжения, а также удвоения напряжения

На выводах 8 и 3 вырабатывается напряжение V_OUT=-V^—,а на выводах 8 и 5 V_OUT=-2V^—. Диод необходим для обеспечения начального этапа работы микросхемы. В ряде случае удобно использовать схему включения, показанную на рис.13.

Рис. 13.

Выходное напряжение такого преобразователя равно 2V⁺-2V_F, где V_F — падение напряжения на диоде в прямом направлении (для кремневых диодов V_F=0,5-0,7B).

Делители напряжения

С помощью микросхемы ICL7660 можно получить умощненный делитель напряжения при включении ее, как показано рис.14.

Рис. 14. Умощненный делитель напряжения

Комбинированные источники напряжения

Микросхема ICL7660 позволяет получать напряжения с различными номиналами. Один из вариантов включения показан на рис.15.

Рис. 15. Вариант включения микросхемы ICL7660

В преобразователе напряжения, показанном на рисунке, формируются напряжения -(V⁺-V_F) и 2V⁺-2V_F.

Работа в буферном режиме

Как видно из рассмотренного выше материала преобразователи с коммутируемыми конденсаторами обладают обратимыми свойствами. Это позволяет реализовывать буферный режим их функционирования, один из вариантов которых показан на рис.16.

Рис. 16. Реализация буферного режима функционирования преобразователя

Питание устройства осуществляется от источника V_IN, который обеспечивает напряжение V_OUT (5-ый вывод n-ой микросхемы) и V⁺ (8-ой вывод первой микросхемы) — напряжение подзаряда аккумулятора. При пропадании питающего напряжения или отключении источника питания напряжение V_OUT будет вырабатываться из напряжения аккумулятора V⁺.

Изменение частоты генератора ICL7660

Параметры рассмотренных преобразователей зависят от частоты генератора микросхемы. Зависимость коэффициента полезного действия от частоты показана на рис.6.

Из рисунка видно, что при выходном токе 1мА высокий КПД обеспечивается на частотах, меньших 1 кГц. На более высоких частотах потери в цепях генератора и управления силовыми ключами снижает общий КПД. Для достижения высокого КПД в данном конкретном случае необходимо уменьшить рабочую частоту преобразователя. Рабочую частоту можно уменьшать с помощью внешнего генератора или подключением C_OSC, как показано на рис.3.

Более простым является способ, использующий внешний конденсатор, емкость которого можно определить из графика, показанного на рис.8.

Для рассмотренного выше случая рабочая частота, равная 1кГц, достигается подключением внешнего конденсатора емкостью С_OSC=100пф. При применении этого способа необходимо учитывать, что при С_OSC, большей чем 1000пф, емкость конденсаторов С1 и С2 необходимо увеличить до 100 мкф.

Рассмотренный способ изменения частоты генератора применяется в микромощных устройствах для обеспечения высокого коэффициента полезного действия преобразователя.

В ряде случаев рабочую частоту преобразователя необходимо увеличивать. В этих случаях можно применять С1 и С2 меньшей емкости и, следовательно, с меньшими габаритами. Кроме того, при этом снижаются уровни помех от генератора в аудиосистемах. Наиболее просто увеличение частоты достигается с помощью вывода Boost микросхемы MAX1044. При замыкании ключа S1 (рис.3) рабочая частота микросхемы возрастает в 6 раз.

Режим пониженного энергопотребления

При работе в дежурном режиме необходимо снижать потребляемую преобразователем мощность. Некоторые микросхемы имеют вход SD, с помощью которого можно снижать потребляемый ток до единиц микроампер. Режим пониженного энергопотребления можно реализовать также с помощью входа OSC. Варианты реализации этого режима при использовании обычных логических элементов, логических элементов с открытым стоком (коллектором), а также имеющих третье состояние показаны на рис.17.

Рис. 17. Режим пониженного энергопотребления, реализованный с помощью входа OSC

Микросхемы преобразователей напряжения на коммутируемых конденсаторах выпускаются рядом фирм: Maxim, National Semiconductor, Microchip и др. Эти микросхемы имеют одинаковый принцип действия и отличаются реализуемыми функциями, электрическими параметрами и конструктивным исполнением. Несомненным лидером в этой области является фирма Maxim, которая выпускает наиболее широкую номенклатуру микросхем преобразователей. В таблице 2 приведены характеристики некоторых из микросхем, выпускаемых различными фирмами.

Таблица 2. Краткие характеристики микросхем.

Примечание: микросхемы MAX, ICL — фирмы MAXIM; LM, LMC — National Semiconductor; TC — Microchip.

Из таблицы видно, что преобразователи на коммутируемых конденсаторах могут работать в режимах инвертора, удвоителя, делителя входного напряжения на два, позволяют формировать на выходе одновременно несколько напряжений. Некоторые микросхемы имеют встроенные стабилизаторы напряжения. Рассмотренные микросхемы находят широкое применение в ноутбуках, мобильных телефонах, пейджерах, переносных приборах и других устройствах. В радиолюбительской практике они могут применяться, например, для формирования разнополярных напряжений питания операционных усилителей, реализации буферного питания электронных устройств от одного аккумуляторного элемента, формирования напряжения питания ЖКИ и др. Малые габариты, высокие коэффициент преобразования и коэффициент полезного действия, отсутствие индуктивностей, обратимые свойства являются весьма привлекательными для применения рассмотренных преобразователей при разработке различных электронных устройств.

Литература

1. Maxim full-line CD-Catalog Version 5.0 2001 Edition.
2. National Analog and interface products databook, 2001 Edition.

Автор:Д. Онышко

ICL7660, Преобразователь постоянного напряжения — 20 Марта 2015

При конструировании различной электронной техники зачастую возникает необходимость применения источника питания с несколькими значениями выходного напряжения, в том числе и с отрицательной полярностью. К числу таких устройств относятся популярные преобразователи напряжения на переключающихся конденсаторах, которые вырабатывают несколько напряжений от одного источника.

Пример одного их них – микросхема ICL7660. Основное предназначение ICL7660 это преобразователь полярности из 1,5 — 10 Вольт в 1,5 — 10 но отрицательной полярности.

Структурная схема микросхемы ICL7660

Схема содержит четыре силовых МОП ключа, управляемых логическими элементами и сдвигателем уровня напряжения, работа которых осуществляется на частоте, полученной в результате деления на два частоты задающего RC генератора. Это позволяет формировать управляющие импульсы с требуемыми характеристиками «меандр» и оптимизировать по потреблению работу задающего RC генератора, рабочая частота которого без внешних элементов составляет 10 кГц. Внутренний регулятор напряжения необходим для обеспечения работы микросхемы от источника с пониженным напряжением.

Внутреннее устройство микросхемы:

Принцип работы микросхемы в режиме идеального инвертора. При замыкании ключей S1, S3 и размыкании S2, S4, первая половина цикла заряжает внешний конденсатор С1 от источника до напряжения питания. При замыкании ключей S2, S4 и размыкании S1, S3 во второй половине цикла заряд конденсатора С1 частично передается конденсатору C2, что обеспечивает отрицательное напряжение на выходе микросхемы. Напряжение питания микросхемы в диапазоне от 1.5 до 12В. Диапазон выходных напряжений от – 1.5В до – 12В. Выходной ток зависит от сопротивления в нагрузке. В качестве нагрузки в преобразователе напряжения ICL7660 можно использовать светодиод как индикатор напряжения, который можно применить в бытовой аппаратуре, питающейся напряжением 1.5В. Схема довольно простая. Кроме самой микросхемы, еще три конденсатора. Схема работает как удвоитель напряжения, имеющий на выходе отрицательное напряжение -3В.
Внешний конденсатор С2, установленный на выводе управления частотой генератора служит для изменения времени накопления и распределения заряда. Конденсатор С1 в роли переключающегося источника энергии, конденсатора, С3 – как вольт добавка. Ток в нагрузке составляет всего 2.5мА.

Типовые схемы включения микросхемы ICL7660.

Схема включения микросхемы в режиме инвертора напряжения

Инвертор обеспечивает получение на выходе V_OUT напряжения, равного -V⁺ в диапазоне 1,5В <= V⁺ <= 10В. В реальных условиях параметры инвертора отличаются от идеальных. Так, в соответствии с рис.4 при V⁺=8В, выходном токе, равном 50 мА, V_OUT =-6В. Снижение выходного напряжения определяется выходным сопротивлением микросхемы R_вых, которое для рассмотренного выше случая составляет 60 Ом.

Выходное сопротивление микросхемы зависит от режима по постоянному току и от реактивного сопротивления конденсатора С1.

Так, для номинала С1=10мкф и частоты f=10кГц X_C=3,18 Ом. Для исключения влияния конденсатора С1 на выходное сопротивление необходимо, чтобы Х_С<вых.

Для эксплуатации микросхемы в диапазоне 1,5В <= V⁺ <= 3,5В необходимо вывод LV (6) микросхемы соединить с общим проводом (на рис.9 показано пунктирной линией).

Снижение выходного сопротивления

Для снижения выходного сопротивления можно применить параллельное включение микросхем

Выходное сопротивление такой схемы зависит от числа параллельно включенных микросхем n и определяется с помощью выражения.

Конденсатор С1 является индивидуальным для каждой микросхемы, а конденсатор С2 — общий. Рассмотренное включение микросхем позволяет повысить выходной ток, коэффициент преобразования и коэффициент полезного действия преобразователя.

Каскадное включение микросхем

Для повышения выходного напряжения можно применять каскадное включение микросхем

Выходное напряжение такого преобразователя равно -nV⁺. Учитывая допустимый диапазон 1,5В <= V⁺ <= 10В число каскадно соединенных микросхем не должно превышать 6.

Удвоители напряжения

Для получения положительного напряжения от источника отрицательного напряжения, а также удвоения напряжения применяется включение микросхемы

На выводах 8 и 3 вырабатывается напряжение V_OUT=-V^—,а на выводах 8 и 5 V_OUT=-2V^—. Диод необходим для обеспечения начального этапа работы микросхемы.

В ряде случае удобно использовать схему включения

Выходное напряжение такого преобразователя равно 2V⁺-2V_F, где V_F — падение напряжения на диоде в прямом направлении (для кремневых диодов V_F=0,5-0,7B).

Документация на микросхему ICL7660 и тут

Бестрансформаторные преобразователи полярности напряжения

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

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 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 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 значений 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, т.е. подключить затворы мощных MOSFET-ов к выходам запараллеленных инверторов DD2 и DD3.

Радиосхемы. — Импульсные преобразователи напряжения

Схемы источников питания

материалы в категории

Насколько схем простых импульсных преобразователей постоянного напряжения.

Основные достоинства импульсных преобразователей:
Во-первых, они имеют высокий КПД, и во-вторых могут работать при входном напряжении ниже выходного.

Импульсные преобразователи подразделяются на группы:

• – понижающие, повышающие, инвертирующие;
• – стабилизированные, нестабилизированные;
• – гальванически изолированные, неизолированные;
• – с узким и широким диапазоном входных напряжений.

Для изготовления самодельных импульсных преобразователей лучше всего использовать специализированные интегральные микросхемы – они проще в сборке и не капризны при настройке.

Нестабилизированный транзисторный преобразователь

Этот преобразователь работает на частоте 50 кГц, гальваническая изоляция обеспечивается трансформатором Т1, который наматывается на кольце К10х6х4,5 из феррита 2000НМ и содержит: первичная обмотка – 2х10 витков, вторичная обмотка – 2х70 витков провода ПЭВ-0,2. Транзисторы можно заменить на КТ501Б. Ток от батареи, при отсутствии нагрузки, практически не потребляется.

Стабилизированный транзисторный преобразователь напряжения 

Трансформатор Т1 наматывается на ферритовом кольце диаметром 7 мм, и содержит две обмотки по 25 витков провода ПЭВ=0,3.

Нестабилизированный преобразователь напряжения на основе мультивибратора

Двухтактный нестабилизированный преобразователь на основе мультивибратора (VТ1 и VТ2) и усилителя мощности (VТ3 и VТ4). Выходное напряжение подбирается количеством витков вторичной обмотки импульсного трансформатора Т1.

Преобразователь на специализированной микросхеме MAX631 

Преобразователь стабилизирующего типа на микросхеме MAX631 фирмы MAXIM. Частота генерации 40…50 кГц, накопительный элемент – дроссель L1.

Нестабилизированный двухступенчатый умножитель напряжения на MAX660 

Можно использовать одну из двух микросхем отдельно, например вторую, для умножения напряжения от двух аккумуляторов.

Импульсный повышающий стабилизатор на микросхеме MAX1674 

Типовая схема включения импульсного повышающего стабилизатора на микросхеме  MAX1674 фирмы MAXIM. Работоспособность сохраняется при входном напряжении 1,1 вольта. КПД – 94%, ток нагрузки – до 200 мА.

MCP1252-33X50: Два напряжения от одного источника питания

Позволяет получать два разных стабилизированных напряжения с КПД 50…60% и током нагрузки до 150 мА в каждом канале. Конденсаторы С2 и С3 – накопители энергии.

Импульсный повышающий стабилизатор на микросхеме MAX1724EZK33 фирмы MAXIM 

Типовая схема включения специализированной микросхемы фирмы MAXIM. Сохраняет работоспособность при входном напряжении 0,91 вольта, имеет малогабаритный SMD корпус и обеспечивает ток нагрузки до 150 мА при КПД – 90%.

Импульсный понижающий стабилизатор на микросхеме TL497

Типовая схема включения импульсного понижающего стабилизатора на широкодоступной микросхеме фирмы TEXAS. Резистором R3 регулируется выходное напряжение в пределах +2,8…+5 вольт. Резистором R1 задается ток короткого замыкания, который вычисляется по формуле: Iкз(А)= 0,5/R1(Ом)

Интегральный инвертор напряжения на микросхеме ICL7660 

Интегральный инвертор напряжения, КПД – 98%.

Два изолированных преобразователя на микросхемах DC-102 и DC-203

Два изолированных преобразователя напряжения DA1 и DA2, включенных по “неизолированной” схеме с общей “землей”.

Двухполярный стабилизированный преобразователь напряжения 

Индуктивность первичной обмотки трансформатора Т1 – 22 мкГн, отношение витков первичной обмотки к каждой вторичной – 1:2.5.

Стабилизированный повышающий преобразователь на микросхеме MAX734

Типовая схема стабилизированного повышающего преобразователя на микросхеме фирмы MAXIM.

Нестандартное применение микросхемы MAX232

Эта микросхема обычно служит драйвером RS-232. Умножение напряжения получается с коэффициентом 1,6…1,8. 

Преобразователь положительного напряжения в отрицательное

Микросхема ICL7660 является интегральным инвертором напряжения с расширенными функциональными возможностями. Микросхема преобразует положительное входное напряжение в диапазоне +1.5В…10В в отрицательное напряжение на выходе от -1.5В до -10В. Для этой цели достаточно всего лишь два внешних конденсатора для работы схемы .

Linear Technology LTC3863

David Burgoon, Linear Technology

LT Journal of Analog Innovation

Существует несколько способов получения отрицательного напряжения из положительного, например, с помощью трансформатора или двух катушек, или нескольких переключателей. Однако все они сложнее, чем изящное в своей простоте решение на основе микросхемы LTC3863, отличающееся превосходной эффективностью при малых нагрузках и сокращающее номенклатуру необходимых компонентов по сравнению с альтернативными вариантами.

Расширенные возможности преобразователя

Микросхема LTC3863 может преобразовывать положительное входное напряжение в диапазоне от 3.5 до 60 В в отрицательное выходное от –0.4 В до –150 В. В схеме используется топология с одной катушкой индуктивности, одним активным P-канальным MOSFET в качестве переключающего элемента и одним диодом. Высокий уровень интеграции позволяет создавать простые решения с небольшим количеством внешних элементов.

Преобразователь LTC3863 имеет отличный КПД при малых нагрузках, потребляя всего 70 мкА, если пользователем запрограммирован пульсирующий режим работы. Его архитектура с постоянной частотой ШИМ и регулированием по пиковому току обеспечивает безотказное управление током катушки, простую компенсацию петли обратной связи и превосходные динамические характеристики контура управления. Частота переключения может либо устанавливаться в диапазоне от 50 кГц до 850 кГц с помощью внешнего резистора, либо задаваться извне в диапазоне от 75 кГц до 750 кГц. В микросхеме предусмотрена возможность программного выбора режима пуска – с плавным ограничением скорости нарастания или с отслеживанием внешнего напряжения. Функции обеспечения безопасности включают защиту от перенапряжения, перегрузки по току, а также от короткого замыкания, включая режим адаптивного снижения частоты.

Преобразователь напряжения 4.5 … 16 В в –12 В/1 А

Приведенная на Рисунке 1 схема преобразует входное напряжение в диапазоне от 4.5 В до 16 В в выходное –12 В с током 1 А. Принцип ее действия аналогичен обратноходовому преобразователю: при открытом ключе энергия запасается в катушке индуктивности, и отдается через диод на выход, когда ключ закрыт, с тем лишь отличием, что для LTC3863 не требуется трансформатор. Чтобы предотвратить чрезмерное увеличение тока, которое может возникнуть при закороченном выходе вследствие минимального времени включения, преобразователь снижает частоту, когда выходная мощность составляет менее половины от номинального значения.

При малых нагрузках микросхема LTC3863, в зависимости от программной установки, может работать либо в высокоэффективном пульсирующем режиме, либо режиме пропуска импульсов. При работе в пульсирующем режиме преобразователь выдает редкие импульсы с более высоким током, после чего на время, зависящее от нагрузки, переходит в состояние пониженного потребления. В режиме пропуска импульсов при легких нагрузках LTC3863 пропускает импульсы. В этом режиме компаратор модулятора может оставаться отключенным в течение нескольких циклов, заставляя внешний MOSFET оставаться в закрытом состоянии, пропуская тем самым рабочие импульсы. Ценой худшего по сравнению с пульсирующим режимом КПД режим пропуска импульсов дает преимущества, выражающиеся в меньших пульсациях на выходе, более низких аудио-шумах и сниженном уровне радиочастотных помех. При размещении компонентов с обеих сторон печатной платы эта схема умещается на площади около 3.2 см 2 .

На Рисунке 2 показаны графики напряжения в переключающем узле (V_SW), тока катушки индуктивности (I_L) и пульсаций выходного напряжения –12 В (V_OUT) при входном напряжении 5 В и токе нагрузки 1 А. Когда P-канальный MOSFET открыт, катушка заряжается (ток возрастает), и разряжается через диод на выход, когда транзистор закрывается. Рисунок 3 демонстрирует аналогичные временные диаграммы для выходного тока 90 мА в режиме пропуска импульсов. Обратите внимание на выбросы напряжения переключающего узла вокруг уровня 0 В, возникающие, когда ток катушки достигает нуля. Рабочий период завершается, когда ток спадет до нуля. На Рисунке 4 при таких же параметрах нагрузки представлены осциллограммы для пульсирующего режима. В этой рабочей точке потери мощности снижаются на 36%, а КПД возрастает с 72% до 80%. На Рисунке 5 приведены осциллограммы, снятые при коротком замыкании выхода. В таком режиме частота переключения уменьшается до 80 кГц, чтобы не допустить слишком большого увеличения тока.

Высокий КПД

На Рисунке 6 приведены графики зависимости КПД от тока нагрузки для двух случаев – режима пропуска импульсов и пульсирующего режима. Исключительно высокое значение КПД 89.3% достигается при токе нагрузки 1 А и входном напряжении 12 В. Обратите внимание, что работа в пульсирующем режиме существенно повышает КПД при токах нагрузки менее 0.1 А. А при легких нагрузках в режиме пропуска импульсов КПД возрастает еще заметнее по сравнению с уровнями, которых можно добиться в синхронном режиме.

Заключение

Микросхема LTC3863 упрощает структуру преобразователей, преобразующих положительное входное напряжение источника в отрицательное. Она отличается простотой, высоким КПД, и требует всего нескольких недорогих внешних компонентов.

Перевод: Vasa Shmidt по заказу РадиоЛоцман

В данной статье поговорим о источнике отрицательного напряжения, преобразователях постоянного напряжения на микросхеме ICL7660 и транзисторных ключах, об их особенностях и лучший вариант преобразователя постоянного напряжения.

Разрабатывая «специализированное» устройство, я столкнулся с проблемой необходимости двухполярного питания, а вернее отрицательного напряжения для питания линейки операционных усилителей. Для их работы необходимо было двухполярное питание +9 и -9 вольт. В моём распоряжении было только положительное напряжение +12 вольт. С положительным напряжением проблем не возникало – ставим КР142ЕН8А и +9 вольт готово, а отрицательное напряжение простым стабилизатором не получишь. Я стал искать схему преобразователя, который из этих «+12 вольт», делает хотя бы «- 9 вольт». Благо, в интернете можно найти почти всё. «Почти» — это то, что тщательно скрывается от простых людей, чтобы не было «потрясений» — революций и экономических «БУМов». Но я интересовался лишь преобразователем положительного напряжения в отрицательное напряжение, а вариантов таких преобразователей в Интернете хватает.

Часто, такие преобразователи называют инверторами напряжения, что более подходит выполняемой ими функции. Но инверторами принято называть сложные импульсные преобразователи напряжения. Например 12 вольт от АКБ в «сетевое» 220 вольт. Поэтому для исключения путаницы, мы не будем их так называть.

Существуют три варианта построения схем подобных преобразователей положительного напряжения в отрицательное напряжение:

1. Преобразователь, с использованием трансформатора;

2. Преобразователь с использованием зарядного дросселя;

3. Преобразователь на коммутируемом конденсаторе.

Мной разработан четвёртый вариант получения двухполярного напряжения из однополярного (по крайней мере я этого способа ранее не встречал) — активный делитель напряжения. Думаю он станет популярным среди радиолюбителей, но к нему мы вернёмся позже, в другой статье.

Итак, первый и второй варианты преобразователей содержат индуктивные элементы, которые более громоздки и усложняют процесс изготовления преобразователя напряжения, поэтому наиболее привлекательным я посчитал – преобразователь на коммутируемом конденсаторе. Его и рассмотрим в этой статье.

Функциональная схема преобразователя на коммутируемом конденсаторе изображена на рисунке:

Принцип работы схемы преобразователя заключается в следующем:

С генератора поступает «меандр» — прямоугольные импульсы, у которых длительность импульса и «паузы» равны. Во время действия импульса (логическая единица), замыкаются ключи S1 и S3. В этот промежуток времени производится заряд конденсатора С1 по цепи: плюс источника питания — ключ S1 – плюс конденсатора С1 – ключ S3 – корпус (минус источника питания). Во время отсутствия импульса (логический ноль), S1 и S3 размыкаются, а ключи S2 и S4 замыкаются. В этот промежуток времени производится разряд конденсатора С1 на конденсатор С2 по цепи: плюс конденсатора С1 – ключ S2 – плюс конденсатора С2 – ключ S4 – минус конденсатора С1. В результате работы схемы, конденсатор С2 «накапливает» отрицательное напряжение, от него и питается нагрузка.

Можно собирать преобразователи, состоящие из большого количества радиоэлементов, но по моему мнению чем меньше элементов, тем проше радиосхема в изготовлении, настройке и эксплуатации. В результате поиска наиболее подходящей схемы, я набрёл на преобразователь положительного напряжения в отрицательное, требующий минимальное количество элементов.

Преобразователь постоянного напряжения на микросхеме IСL7660 (MAX1044) и коммутируемых конденсаторах

Рассмотрим преобразователь на широко распространенной микросхеме IСL7660 (MAX1044). Микросхема МАХ1044 отличается от IСL7660 наличием входа Boost (увеличение частоты внутреннего генератора). Микросхема многофункциональная, и одна из возможных функций – преобразование положительного напряжения в отрицательное напряжение.
Микросхема содержит четыре силовых МОП-ключа, управляемых логическими элементами, работа которых осуществляется на частоте, полученной в результате деления на два частоты встроенного в микросхему задающего RC-генератора. Это позволяет формировать управляющие импульсы с требуемыми характеристиками «меандр» и оптимизировать по потреблению работу задающего RC генератора, рабочая частота которого без внешних элементов составляет 10 кГц. Внутренний регулятор напряжения необходим для обеспечения работы микросхемы от источника с пониженным напряжением.

Принцип работы в режиме идеального инвертора напряжения – преобразователя на коммутируемом конденсаторе был рассмотрен ранее.

Схема включения микросхемы в режиме инвертора напряжения -приведена на рисунке.

Инвертор обеспечивает получение на выходе VOUT напряжения, равного –(V+) в диапазоне 1,5В

Преобразователь постоянного напряжения на транзисторных ключах и коммутируемом конденсаторе

В связи с тем, что нагрузочная способность микросхемы IСL7660 (MAX1044) мала, и не удовлетворяет требованиям, которые я предъявлял к источнику отрицательного напряжения, а поиски другой, более мощной микросхемы работающей на коммутируемом конденсаторе я не нашёл, я решил самостоятельно разработать преобразователь положительного напряжения в отрицательное напряжение на коммутируемом конденсаторе, который можно собрать «в условиях отсутствия интегральных импортных компонентов» — на распространённых отечественных транзисторах.

Учитывая, что устройство, для которого я решил собрать преобразователь положительного напряжения в отрицательное, содержит генератор «меандра» частотой 10 кГц на КМОП микросхеме, то его вполне можно использовать в качестве источника прямоугольных импульсов для преобразователя. Задача состояла всего лишь в разработке схемы синхронно управляемых ключей. То, что получилось, изображено на рисунке. Я не стал заморачиваться с мощными полевиками, потому что слишком большая мощность не требовалась, но для повышения выходной мощности безусловно лучше использовать полевые транзисторы.

Состав схемы:

Каскад VT1 – буферный каскад, предназначен для усиления по току сигнала генератора, исполненного на КМОП микросхеме. Если у Вас генератор исполнен на ТТЛ-логике, тогда необходимости в этом каскаде нет.

Транзистор VT2 – выполняет функцию инвертора, управляющего ключевым транзистором VT3.

Транзистор VT4 – управляет ключевыми транзисторами VT5 и VT6.

Силовые ключевые транзисторы выделены на схеме синим цветом.

При отсутствии сигнала генератора (логического нуля) все транзисторы, кроме транзистора VT3 закрыты.

При поступлении импульса генератора (логической единицы), указанные транзисторы открываются, а VT3 наоборот закрывается. Происходит заряд конденсатора С1 по цепи: источник питания + 12 вольт, эмиттер-коллектор транзистора VT5, плюс конденсатора С1, резистор R10, коллектор-эмиттер транзистора VT6, корпус (минус источника питания 12 вольт).

При окончании импульса генератора (логическом нуле) все транзисторы, кроме транзистора VT3 закрываются, а VT3 наоборот открывается. Происходит переключение конденсатора С1, который разряжается на конденсатор С2 по цепи: плюс конденсатора С1, коллектор-эмиттер плюс конденсатора С2, диоды VD3 и VD2, резистор R10, минус конденсатора С1.

Таким образом, за один период генератора тактовых импульсов происходит полный цикл перезаряда конденсатора С1.

Из особенностей схемы:

Диод VD1 предназначен для того, чтобы задержать по времени открытие транзистора VT4 при появлении положительного импульса, открытие которого произойдёт лишь после закрытия транзистора VT3. Это необходимо для исключения одновременно открытых ключей VT5 и VT3. В данном случае используется свойство не идеальности формы прямоугольных импульсов — плавное нарастание и спад импульсов.

Резистор R10 предназначен для ограничения зарядных токов и токов коммутации чем повышает надёжность схемы, но в то же время он оказывает существенное влияние на выходную мощность преобразователя. При увеличении его номинала, коммутационные токи уменьшаются, что хорошо, но выходной ток преобразователя уменьшается, что наоборот плохо. Поэтому «ищите середину» на свой вкус!

Фактически, данная схема может использоваться для создания источника отрицательного напряжения с различной нагрузочной способностью. Для получения большой мощности и высокого КПД необходимо, чтобы частота следования импульсов генератора была сопоставима со значениями конденсатора С1 и резистора R10. Оптимально, если выполняется условие: f = 1/(2*R10*C1). С приведёнными на схеме номиналами радиоэлементов, преобразователь обеспечивает ток нагрузки до 200 мА с коэффициентом пульсаций выходного напряжения до 1,5 %.

Диоды VD2 и VD3 предназначены для уменьшения напряжения на выходе преобразователя. Связано это с малой разницей входного и выходного напряжений (в этих условиях стабилизатор не поставишь). Каждый диод уменьшает выходное напряжение на один вольт, а ещё один вольт «падает» на переходах трёх транзисторов VT3, VT5 и VT6 в процессе работы схемы. В сумме приблизительно, получается – 3 вольта. Отсюда: 12 – 3 = 9 вольт, +-0,5 вольта.

Описанный преобразователь положительного напряжения в отрицательное напряжение, собран в составе сложной электронной схемы для питания двухполярным напряжением +9 и -9 вольт двенадцати операционных усилителей на ИМС К140УД7, формируемых из напряжения + 12 вольт и показал высокую надежность. Наличие у этих ИМС выводов регулирования балланса нуля, позволяет использовать источник двухполярного питания со значительной разницей питающих напряжений, поэтому неточность выходного напряжения +-0,5 вольта компенсируется регулировкой балланса нуля.

Лучший вариант преобразователя постоянного напряжения на транзисторных ключах и коммутируемом конденсаторе

Предыдущая схема преобразователя была выполнена по традиционной схеме двойного коммутирования, но опыт показывает, что её можно значительно упростить практически без потери характеристик. Ниже приведена схема, в которой производится транзисторная коммутация только одного вывода переключаемого конденсатора, а второй вывод коммутируется через обыкновенные полупроводниковые диоды. Когда я нарисовал эту схему, а позже её собрал, я даже пожалел о том, что поторопился со сборкой и применением предыдущей схемы. Элементов в ней больше, а качество работы такое же как у ниже приведённой.

Схема работает следующим образом:

На вход схемы поступают прямоугольные импульсы частотой 10 кГц.

При отсутствии логической единицы на входе преобразователя (паузы между импульсами), транзистор VT1 и VT3 закрыты, а транзистор VT2 открыт. Происходит заряд конденсатора С1 по цепи: +12 вольт источника питания — коллектор-эмиттер транзистора VT2 — конденсатор С1 — диод VD1 — корпус — -12 вольт источника питания.

При появлении на входе преобразователя логической единицы, транзистор VT1 и VT3 открываются, а транзистор VT2 закрывается. Происходит разряд конденсатора С1 на конденсатор С2 по цепи: + конденсатора С1 — эмиттер-коллектор транзистора VT3 — корпус — конденсатор С2 — диод VD2 — конденсатор С1.

Схема проста в изготовлении и работает сразу после сборки, без какого либо подбора элементов.

В следующей статье, мы рассмотрим схемы преобразователей положительного напряжения в отрицательное с использованием зарядного дросселя, которые по сравнению с преобразователями на коммутируемом конденсаторе имеют более низкий КПД, но при минимальном количестве элементов позволяют получать на выходе большие выходные токи.

Тимеркаев Борис — 68-летний доктор физико-математических наук, профессор из России. Он является заведующим кафедрой общей физики в Казанском национальном исследовательском техническом университете имени А. Н. ТУПОЛЕВА — КАИ

Сверхвысокочастотный СВЧ усилитель мощности с переключателем Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Компоненты и технологии, № 4’2003

Компоненты

Сверхвысокочастотный усилитель мощности

с переключателем

Иван Малыгин, к. т. н.

[email protected]

Специфика применения некоторых зарубежных средств связи в российских условиях состоит в необходимости дополнения функциональности этих средств разнообразными приставками отечественного производства. Так, например, беспроводные системы связи стандарта IEEE802.11 [1], выполненные в конструктиве РСМС1А-карт, применяются за рубежом для подключения портативных компьютеров к сетям общедоступного и корпоративного пользования в магазинах, университетах, аэропортах, складах и т. п. Так как они предназначены для работы с портативным компьютером, их схема минимизирована по потреблению энергии, с чем связана невысокая мощность передатчика (30-100 мВт). Вследствие же относительно невысокой цены такие устройства в России применяются повсеместно для любых применений беспроводной связи. И часто их невысокая выходная мощность — это единственное, что не удовлетворяет конечного заказчика. В этом случае на сцене появляются отечественные усилители мощности, предназначенные для совместного использования с миниатюрными устройствами IEEE802.11 и позволяющие значительно поднять их выходную мощность. О проектировании и испытании одного из таких усилителей и пойдет речь в этой статье.

Обычно устройства IEEE802.11 имеют один СВЧ-разъем, используемый для подключения антенны, переключение прием-передача происходит внутри устройства, так как это — система с временным разделением. Поэтому первая проблема, которую предстояло решить при разработке усилителя мощности — это разделение каналов приема и передачи с целью усиления последнего и по возможности минимального ослабления первого. Для описанного разделения можно использовать пассивные устройства — цир-

К приемнику IEEE802.11

От передатчика

IEEE802.il Усилитель на СВЧ

SHF-0289 SW-438

СВЧ детектор на диоде Ш отпей HSMS-2850 Исполнительные Драйвер СВЧ

элемент ADG774

Инвертор

напряжения

ICL7660

Рис. 1. Структурная схема усилителя мощности с переключателем

куляторы. О проектировании усилителей мощности с циркулятором было подробно рассказано в одном из предыдущих номеров журнала [2], поэтому в настоящей статье речь пойдет о другом способе — использовании активного переключателя.

Особенность использования СВЧ-переключателей состоит в необходимости формирования сигнала управления для переключения режимов прием-передача. Конечно, такой сигнал можно брать с самого устройства IEEE802.11, но в этом случае теряется удобство пользования усилителем, так как кроме СВЧ-кабелей необходимо подключение еще одного управляющего кабеля. Кроме того, в явном виде сигнал переключения прием-передача на разъем PCMCIA не выведен. Для получения сигнала управления переключателем в разработанном усилителе применен СВЧ-детектор, реализованный на диоде Шоттки типа HSMS-2850 фирмы Agilent. Диод Шоттки HSMS-2850, предназначенный для детектирования, модуляции, смешивания и деления частоты в диапазоне от 915 МГц до 5,8 ГГц на частоте 2,45 ГГц (средней рабочей частоте разработанного усилителя) обладает чувствительностью 35 мВ/мкВт. Более подробно о технических параметрах этого компонента можно прочитать в техническом описании [3] или в Интернете на сайте www.agilent.ru. Для согласования диода Шоттки на частоте 2,45 ГГц применена резонансная цепь, состоящая из двух полосков. Ее расчет приведен в инструкции к демо-плате [4], кроме того, для ее расчета можно использовать бесплатно распространяемый компанией Agilent микроволновый калькулятор AppCad.

Структурная схема разработанного усилителя показана на рис. 1, внешний вид — на рис. 2. В качестве активного элемента усилителя использован полевой транзистор SHF-0289 на арсениде галлия фирмы Stanford Microdevices. Этот перспективный компонент обеспечивает выходную мощность не менее 30 дБм на частоте 2,45 ГГц при входной мощности 20 дБм. Некоторым недостатком его применения можно назвать необходимость напряжения питания 8 В, но как показали эксперименты, он удов-

58

— www.finestreet.ru —

Компоненты и технологии, № 4’2003

Компоненты

летворительно работает и при напряжении 5 В, если не требовать от него полной мощности на выходе. Схема включения транзистора, приведенная в документации по применению [5], достаточно сложна, при этом значениями некоторых компонентов при настройке необходимо варьировать для получения приемлемых параметров, но такова судьба всех полевых транзисторов.438 фирмы МА-СОМ. Этот недорогой арсенид-галлиевый переключатель, размещенный в пластмассовом корпусе 8ОТ-363 для поверхностного монтажа, обеспечивает малое затухание при прямом прохождении сигнала (не более 0,7 дБ на 2,4 ГГц), высокую изоляцию (не менее 25 дБ) и практически не потребляет энергии (менее 10 мкА на 3 В). Обычно полевые СВЧ-переключатели управляются отрицательным напряжением, поэтому еще одним из его достоинств можно назвать возможность управления как отрицательным, так и положительным напряжением — при проектировании своего драйвера это очень удобно. Подробную

техническую документацию [6] на этот компонент можно найти на сайте фирмы-производителя www.macom.com.

СВЧ-переключателем управляет драйвер, в роли которого в данной схеме выступает быстродействующий мультиплексор аналоговых сигналов фирмы Analog Devices ADG774ABRQ. В его функции входит одновременное переключение сигналов 0 и +2,5 В на управляющих входах переключателя SW-438 по сигналу обнаружения мощности на входе СВЧ-детек-тора, передающегося через исполнительный элемент — транзистор КТ-3130. Уровень +2,5 В формируется резистивным делителем R7/R8 (рис. 3). ADG774ABRQ обладает низким сопротивлением в открытом состоянии (2,2 Ом), может функционировать при напряжении как 5, так и 3 В, по управляющим входам совместим с ТТЛ/КМОП. Основное достоинство, отличающее ADG774ABRQ от своей первой реализации — ADG774BRQ, состоит в удвоенной полосе пропускания аналогового сигнала (400 МГц) и малого времени переключения (3 нс), что позволяет использовать такой мультиплексор в любых современных телекоммуникационных системах [7].

Результаты испытаний разработанного устройства показаны на графике рис. 4. Коэффициент усиления устройства в дБ и выходная мощность в дБмВт показаны на графике в зависимости от рабочей частоты. В заключение хотелось бы отметить, что использование фольгированного фторопласта толщиной 1 мм вместо фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм в качестве материала подложки усилителя позволило бы существенно улучшить полученные результаты.

Литература

1. Шахнович И. Беспроводные локальные сети. Анатомия стандартов IEEE802.11 // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. 2003. № 1.

2. Малыгин И. В. Разработка и исследование усилителей мощности СВЧ радиомодемов стандарта IEEE802.11 // Компоненты и технологии. 2002. № 9.

3. Surface Mount Microwave Schottky Detector Diodes HSMS-2850 Series. Technical Data. Communications Components Designer’s Catalog. Hewlett Packard. 5966-0895E (9/97).

4. 2.45 GHz Detector Demonstration Board. Assembly and Operating Instructions. HSMS-2850. Semiconductor Products Designer’s Catalog. Agilent Technologies. CD. 5968-7805E (11/99).

5. SHF-0289. DC — 3 GHz, 1.0 Watt, CaAs HFET. Product Description. Stanford Microdevices, http://www.stanfordmicro.com. EDS-101241 Rev A.

6. GaAs SPDT Switch DC-3.0 GHz SW-438. Ver. 2.00, MA-COM, Tyco/Electronics.

7. Low Voltage 400 VHz Quad 2:1 Mux with 3 ns Switching Time ADG774A. REV.0. Analog Devices Inc., 2001, www.analog.com.

-www.finestreet.ru —

59

ICL7660 DC-DC преобразователь IC Техническое описание, распиновка, эквивалентная схема и пример

ICL7660 — это ИС преобразователя напряжения накачки заряда, используемая для инвертирования входного напряжения. Эту ИС можно найти в схемах приборов и памяти. Если вам нужна конструкция с низким напряжением питания и двойным напряжением питания , то эта ИС — правильный выбор.

• КМОП преобразователь напряжения IC
• Входное напряжение (Vin): 1.От 5 В до 10 В
• Простое умножение напряжения (VOUT) = (-) nVIN
• Выходной ток: 40 мА (макс.)
• Требуется только 2 внешних конденсатора

LM27762, LM2776, TPS60401, MAX232

MAX1044, TC7660, LTC1044, LTC1046

ICL7660 — это монолитная микросхема накачки заряда CMOS, которая выполняет инверсию напряжения из (+1.От 5 до +10 В) до (от -1,5 до -10 В) с незначительными потерями. Микросхема поставляется в виде 8-контактного корпуса PDIP и SOIC от производителей. Как упоминалось выше, эту ИС можно использовать для инвертирования напряжения. Базовая схема и некоторые прикладные схемы можно найти в техническом описании и примечаниях к применению. ИС требует только два внешних конденсатора для схем инвертирования напряжения. Значения конденсаторов являются предопределенными значениями, указанными в таблице данных. Два конденсатора подключены согласно полярности в цепи.В частности, положительный и отрицательный контакты выходного конденсатора C2 должны быть подключены к земле и контакту 5 ICL7660. Базовая схема инвертирования напряжения приведена ниже.

В основном ИС работает на частоте 10 кГц с использованием встроенного генератора. Микросхема может быть синхронизирована с внешними часами с помощью вывода OSC (вывод 7) микросхемы. Микросхема имеет внутренний регулятор напряжения (контакт 6) для предотвращения защелкивания устройства и внутреннего повреждения. Для работы при низком напряжении этот вывод должен быть заземлен для оптимальной работы.

• Персональное оборудование связи
• Источники питания операционных усилителей
• Блоки питания памяти
• Портативные счетчики

Размеры ICL7660 указаны ниже.

ICL7660 Преобразователь напряжения: распиновка, техническое описание, схема [видео]

ICL7660 — это микросхема преобразователя напряжения , которая используется для инвертирования входного напряжения.Эту ИС можно найти в схемах КИПиА и памяти. Если вы ищете конструкцию с двумя источниками питания с низким током, эта ИС — правильный выбор.

Этот блог в основном знакомит с распиновкой, функциями, применением и эквивалентами ICL7600 от Maxim Integrated.

Это видео, показывающее, как создать источник двойного напряжения с ICL7660.

Каталог

Распиновка ICL7660

ICL7660 Характеристики

• КМОП преобразователь напряжения IC

• Входное напряжение (Vin): 1.От 5 В до 10 В

• Простое умножение напряжения (VOUT) = (-) nVIN

• Выходной ток: 40 мА (макс.)

• Требуется только 2 внешних конденсатора

ICL7660 Альтернативы

LM27762, LM2776, TPS60401, MAX232

ICL7660 Эквиваленты

MAX1044, TC7660, LTC1044, LTC1046

Как использовать ICL7660 IC

ICL7660 — это монолитная микросхема накачки заряда CMOS, которая выполняет инверсию напряжения от (+1.От 5 до +10 В) до (от -1,5 до -10 В) с незначительными потерями. ИС поставляется производителями в виде 8-выводных корпусов PDIP и SOIC. Эта ИС может использоваться для инвертирования напряжения, как упоминалось выше. Базовую схему и некоторые прикладные схемы можно найти в техническом описании и примечаниях к применению. ИС требует только два внешних конденсатора для прикладных схем инвертирования напряжения. Значения конденсаторов являются предопределенными значениями, указанными в таблице данных. Два конденсатора подключаются согласно полярности цепи.В частности, положительный и отрицательный контакты выходного конденсатора C2 должны быть подключены к земле и контакту 5 ICL7660. Базовая схема инвертирования напряжения показана ниже.