МИКРОМОЩНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ОДНОПОЛЯРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ДВУПОЛЯРНОЕ
MICROENERGY CONVERTER OF UNIPOLAR VOLTAGE INTO BIPOLAR

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в источниках вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры.
Часто при питании электронных устройств от однополярного источника напряжения возникает необходимость получения двух симметричных относительно общей точки (земли) напряжений. Особенно часто такие случаи возникают, если в качестве источников используются гальванические элементы и аккумуляторы. Симметричное напряжение необходимо для питания операционных усилителей, которые обычно должны усиливать входные сигналы обеих полярностей. Также могут нуждаться в двуполярном питании усилители мощности, усилители постоянного тока, симметричные ключи, интегральные микросхемы аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразователей и другие элементы и устройства электронной аппаратуры. В подобных случаях используются преобразователи однополярного напряжения в двуполярное («искусственные средние точки»).
Простейшим и широко используемым аналогом такого преобразователя является резистивный делитель напряжения, средняя точка которого соединена с общей точкой (землей). Схема и принцип работы такого преобразователя тривиальны и многократно описаны в литературе, например в [1]. Общеизвестно, что номиналы обоих входящих в делитель резисторов должны быть одинаковы. Однако такие схемы имеют существенные недостатки, которые происходят из того, что для обеспечения симметрии двух получаемых напряжений требуется точное деление входного напряжения пополам. Для выполнения этого условия необходимо, чтобы ток, отбираемый нагрузкой от делителя, был во много раз меньше тока, протекающего через сам делитель. При этом значительная часть потребляемой от источника питания мощности теряется бесполезно на нагрев резисторов делителя. Особенно остро данный недостаток проявляется при использовании автономных источников питания ограниченной емкости (гальванических элементов и аккумуляторов). Кроме того, стабильность симметрии получаемых напряжений в такой схеме весьма невысока, т.к. для получения высокой стабильности требуется пропускать через делитель очень большой ток, что невозможно. Поэтому на практике точность симметрии напряжений обычно не превышает нескольких процентов, что явно недостаточно, например, при использовании в измерительных приборах.
С целью уменьшения бесполезных потерь мощности на делителе применяют активные делители, содержащие резистивный делитель и повторитель напряжения на основе операционного усилителя (ОУ), выходной ток которого усиливается симметричным эмиттерным повторителем на комплементарной паре транзисторов. В этом случае (учитывая высокое входное сопротивление ОУ) резисторы делителя можно выбирать весьма больших номиналов и потери мощности на них будут незначительны. Собственное потребление мощности современных ОУ также весьма невелико. Точность и стабильность поддержания симметрии выходных напряжений в подобных схемах могут быть весьма высоки.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является [2] включающий делитель входного напряжения из последовательно включенных резисторов R1 и R2 операционный усилитель, неинвертирующий вход которого подключен к средней точке делителя и к эмиттерам транзисторов через резистор R3, а выход подключен к базам транзисторов VT1 и VT2 типов n-p-n и p-n-p соответственно, а эмиттеры этих транзисторов через индуктивность подключены к выходу преобразователя, причем выход преобразователя подключен к инвертирующему входу операционного усилителя, а коллекторы n-p-n и p-n-p транзисторов подключены соответственно к положительному и отрицательному полюсам источника входного напряжения, а выход преобразователя подключен к полюсам источника входного напряжения через фильтрующие конденсаторы С1 и С2. Схема данного преобразователя представлена на фигуре 1.
Однако такой преобразователь также не лишен недостатков, которые являются следствием использования в нем биполярных транзисторов, требующих определенной мощности для управления, что приводит к снижению коэффициента полезного действия (кпд). Особенно данный недостаток заметен в микромощном режиме, т.е. при малой мощности, отбираемой от преобразователя, в этом случае мощность, затрачиваемая на управление транзисторами, может стать основной составляющей в общем потреблении преобразователя от источника питания.
Целью настоящего изобретения является создание преобразователя однополярного напряжения в двуполярное, который имеет высокий кпд, не зависящий от тока нагрузки, в том числе и в микромощном режиме потребления.
Указанная цель достигается тем, что в известной схеме преобразователя однополярного напряжения в двуполярное, включающей делитель входного напряжения из последовательно включенных резисторов R1 и R2, операционный усилитель, неинвертирующий вход которого подключен к средней точке делителя и к эмиттерам транзисторов через резистор R3, а выход подключен к базам транзисторов VT1 и VT2 типов n-p-n и p-n-p соответственно, а эмиттеры этих транзисторов через индуктивность подключены к выходу преобразователя, причем выход преобразователя подключен к инвертирующему входу операционного усилителя, а коллекторы n-p-n и p-n-p транзисторов подключены соответственно к положительному и отрицательному полюсам источника входного напряжения, а выход преобразователя подключен к полюсам источника входного напряжения через фильтрующие конденсаторы С1 и С2, произведена замена биполярных транзисторов VT1 и на один логический элемент-инвертор КМОП DD1, при этом выход операционного усилителя подключен ко входу инвертора, куда ранее были подключены базы транзисторов, а выход инвертора подключен к точке соединения резистора R3 и индуктивности L, куда ранее были подключены эмиттеры транзисторов, а также поменены местами инвертирующий и неинвертирующий входы операционного усилителя. (Цепи питания инвертора DD1 на схеме не показаны: инвертор питается от источника входного напряжения.)
Отличительным признаком предлагаемого устройства является замена составного эмиттерного повторителя (ЭП) на инвертор КМОП, что позволяет повысить кпд преобразователя в микромощном режиме потребления.
Принцип работы преобразователя рассмотрим по схеме, представленной на фигуре 2.
В прототипе ОУ вместе с ЭП работают в режиме компаратора с гистерезисом. Зона гистерезиса небольшой ширины (порядка нескольких единиц или десятков мВ) создается за счет положительной обратной связи, которой охватывается ОУ вместе с ЭП через резистор R3. При этом транзисторы ЭП работают в ключевом режиме. Средняя величина импульсного напряжения на выходе ЭП будет равна напряжению на выходе резистивного делителя, т.е. половине напряжения входного источника. Индуктивность L совместно с конденсаторами С1 и С2 образуют фильтр, сглаживающий пульсации импульсного напряжения, в результате чего напряжение на средней точке преобразователя будет пульсировать относительно половины напряжения входного источника с полным размахом, равным ширине зоны гистерезиса, т.е. весьма незначительно. Частота генерации зависит от ширины зоны гистерезиса и от параметров фильтра, т.е. от величин L, С1, С2, а также от тока нагрузки. При использовании в такой схеме современного ОУ с высоким входным сопротивлением и малым собственным потреблением основная мощность, потребляемая преобразователем на холостом ходу и при микромощной нагрузке, будет состоять из затрат мощности на управление транзисторами ЭП.
В предлагаемой схеме вместо составного ЭП на комплементарной паре биполярных транзисторов, выполняющего функцию усилителя тока ОУ, применен инвертор КМОП-логики (например, из состава интегральных микросхем 561 или 564 серии). Данный инвертор содержит в себе комплементарные полевые транзисторы с изолированным затвором (МОП-транзисторы), которые практически не требуют затрат мощности на управление. По этой причине собственное потребление такого инвертора весьма невелико и существенно меньше, чем у ЭП на биполярных транзисторах. Поскольку логический элемент DD1 инвертирует выходной сигнал ОУ, т.е. по сути меняет местами назначение инвертирующего и неинвертирующего входов ОУ, то для сохранения работоспособности преобразователя указанные входы ОУ поменены местами по отношению к прототипу.
В результате предлагаемый микромощный преобразователь однополярного напряжения в двуполярное позволяет существенно повысить коэффициент полезного действия, а также уменьшить габариты и массу преобразователя за счет замены двух транзисторов на один интегральный логический элемент.
Источники информации
1. Шустов М.А. Практическая схемотехника. Преобразователи напряжения. Книга 3. М.: ДОДЭКА XXI век, 2007.
2. Зайцев М.А., Мацыкин С. В., Сухов А.В. Преобразователь однополярного напряжения в двуполярное. Патент №2850217, 2008.