Двуполярное напряжение от батарейки "Крона"
категория
Схемы источников питания
Применение в переносной аппаратуре операционных усилителей (ОУ) сразу же ставит задачу — каким образом запитать их двуполярным напряжением +15 В. Подобный вопрос возникает потому, что в справочных материалах параметры большинства ОУ приведены именно для этих питающих напряжений, и у многих радиолюбителей создается впечатление, что ОУ могут хорошо работать лишь в таком режиме. В большинстве радиолюбительских устройств на ОУ также подается двуполярное напряжение ±15 В. Но если внимательно изучить технические данные на ОУ, обнаружится, что нижний предел рабочих напряжений для большинства ОУ составляет ± 5..6 В. Так, для микросхем широкого применения К140УД6 и К140УД7 минимальное напряжение питания равно ±5 В, а для маломощного ОУ К140УД12 этот предел составляет ±1,5 В (см. Кудряшов Б.П. Аналоговые интегральные микросхемы: Справочник.— М.: Радио и связь, 1981).
При снижении уровня питающего напряжения уменьшается ток, потребляемый ОУ — это тоже упрощает проблему источника питания для переносной аппаратуры. Для большинства ОУ при питании напряжением ±5 В потребляемый ток уменьшается примерно в 3 раза по сравнению с питанием напряжением ±15 В.
Разумеется, снижение питающего напряжения ведет к изменению и других параметров ОУ, но эти отклонения обычно не сказываются на работе схемы. В качестве источника питания переносных приборов удобно применить батарею “Крона-ВЦ” или “Корунд” напряжением 9 В, а двуполярное питание +5,5 и —4,8 В получить с помощью устройства, описываемого ниже.
Напряжение +5,5 В стабилизированное, оно предназначено не только для питания ОУ, но может быть использовано для цифровых микросхем серий К134, К176, К561. Узел питания выдает еще и напряжение —10 В, которое при необходимости используется для управления электронными коммутаторами на полевых транзисторах серий К168 и К190.
Асимметрия питающих напряжений для ОУ практически не влияет на работу микросхемы, так как коэффициент влияния нестабильности источников питания для ОУ не превышает —60 дБ. Узел питания отличается наличием стабилизированного напряжения и малым потреблением тока без нагрузки. КПД зависит от входного напряжения и составляет 0,4...0,5.
Схема устройства
Стабилизатор положительного напряжения содержит двухкаскадный усилитель постоянного тока (транзисторы VT2 и VT3), в котором опорный стабилитрон включен в цепь базы транзистора VT3. Питание опорного элемента выходным стабилизированным напряжением позволяет получить высокий коэффициент стабилизации по напряжению (более 500) при незначительном выходном сопротивлении (не более 0,2 Ом). Регулирующим элементом стабилизатора является р-n-р транзистор VT1, поэтому режим стабилизации при токах нагрузки до 20 мА наступает при напряжении на входе стабилизатора всего на 0,05...0,1 В больше выходного. При включении питания стабилизатор выходит на рабочий режим благодаря цепочке элементов C1, R1, VD2, R3. При этом ток зарядки конденсатора C1 проходит по цепи запуска: VD2, R3, переход база — эмиттер транзистора VT2 и выводит транзисторы VT1 и VT3 на рабочий режим. Стабилизатор обладает защитой от короткого замыкания.
Импульсный преобразователь содержит генератор, выходной транзисторный каскад и емкостный умножитель 
напряжения. Исходя из соображений экономичности генератор собран на микросхеме DD1 типа КМОП. Выходное напряжение генератора представляет собой импульсный меандр с частотой около 10 кГц. Оно подается на базы транзисторов VT4 и VT5 выходного каскада и поочередно переводит их в открытое состояние. Когда открыт транзистор VТ4, происходит зарядка конденсатора С6 через этот транзистор и диод VD6. В следующий полупериод импульсного напряжения генератора открывается транзистор VT5 и конденсатор С6, разряжаясь через него и диод VD7, передает энергию на конденсатор С7. В результате конденсатор С7 заряжается примерно до выходного напряжения стабилизатора. При открытом VT4 происходит зарядка конденсатора С8 по цепи: +Uстаб, VT4, С8, VD8, С7, общая шина. В этой цепи имеются два последовательно включенных источника напряжений: Uстаб и Следовательно, конденсатор С8 будет заряжаться примерно до напряжения Uc8 = Uстаб + Uc7 = 10В. Это напряжение при открывании транзистора VT5 через диод VD9 передается на выходной конденсатор С9. При каждом цикле перезарядки конденсаторов умножителя напряжения происходит потеря напряжения на диодах и на открытых транзисторах VT4 и VT5, поэтому выходное напряжение с увеличением тока нагрузки уменьшается. Эта зависимость для отрицательного напряжения —4,5 В представлена на рис. 2.
В режиме холостого хода, когда нагрузочный ток равен нулю, напряжение отрицательной полярности для двух выходов имеет значение —5,3 и —10,2 В. В этом режиме преобразователь потребляет ток, равный 0,3...0,4 мА. Вследствие, того, что преобразователь питается стабилизированным напряжением, напряжение на его выходах зависит только от сопротивления нагрузки, т. е. при постоянной нагрузке отрицательное выходное напряжение будет неизменным. Коэффициент полезного действия описанного импульсного преобразователя при токе нагрузки Iн, равном 3 мА, достигает значения 0,7, но при отклонении от этого значения на ±2 мА снижается до 0,6. Амплитуда пульсации выходного напряжения под нагрузкой не превышает 10 мВ.
Конструктивно узел питания лучше всего выполнить на печатной плате той схемы, которую он питает, поэтому разводка печатной платы узла питания не приводится. Площадь, занимаемая элементами схемы, не превышает 12 см2. В ней используются резисторы МЛТ-0,125 и малогабаритные конденсаторы С1, С8, С9 — К53-1; C3 - С5 — КМ; С2, С6, С7 — К52-1Б.
Описанный узел питания отличается простотой, которая исключает какие-либо наладочные работы после монтажа. Если выходное стабилизированное положительное напряжение отличается от номинального значения более чем на 5 %, его выставляют, подбирая стабилитрон VD3. Критериями исправности узла питания являются наличие выходных напряжений и ток холостого хода, не превышающий 2,5 мА.
В.Ефремов, В.Федько
В помощь радиолюбителю № 93
Литература
1. Кудряшов Б. П. и др. Аналоговые интегральные микросхемы: Справочник.—М.: Радио и связь, 1981.
2. Ходаковский Е. Преобразователь полярности напряжения.— Радио, 1984, № 7, с. 48—49.