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

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 (фиг.1) 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 R1 и R2 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 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 преобразователь [1], включающий резистивный делитель напряжения (Д), состоящий из последовательно включенных резисторов R1 и R2, ОУ, неинвертирующий вход которого подключен к средней точке делителя, а выход подключен к базам транзисторов VT1 и VT2 симметричного эмиттерного повторителя, а эмиттеры транзисторов симметричного эмиттерного повторителя, образующие выход преобразователя, подключены к инвертирующему входу операционного усилителя.
Однако такой преобразователь также обладает рядом недостатков, которые являются следствием используемого в нем линейного метода регулирования. К таковым относятся невысокий коэффициент полезного действия (кпд) и его зависимость от симметрии нагрузки, а также существенная мощность, рассеиваемая на транзисторах симметричного эмиттерного повторителя, что приводит к значительным габаритам и массе вследствие необходимости установки транзисторов на теплоотводящие радиаторы.
Целью настоящего изобретения является создание преобразователя однополярного напряжения в двуполярное, который имеет высокий кпд, не зависящий от симметрии нагрузки, а также обладает минимальным тепловыделением и позволяет снизить массу и габариты преобразователя.
Указанная цель достигается тем, что в известной схеме преобразователя однополярного напряжения в двуполярное, включающей делитель входного напряжения из последовательно включенных резисторов R1 и R2, ОУ, неинвертирующий вход которого подключен к средней точке делителя, а выход подключен к базам транзисторов VT1 и VT2 симметричного эмиттерного повторителя, а эмиттеры транзисторов симметричного эмиттерного повторителя, образующие выход преобразователя, подключены к инвертирующему входу операционного усилителя, причем коллекторы n-р-n и р-n-р 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, разорвана связь между точкой соединения эмиттеров транзисторов и выходом преобразователя и в этот разрыв введена новая индуктивность L, а также введен новый резистор R3, включенный между точкой соединения эмиттеров транзисторов и неинвертирующим входом ОУ.
Отличительными признаками предлагаемого устройства является наличие дополнительных индуктивности и резистора, введение которых переводит преобразователь из линейного режима в ключевой, благодаря чему удается существенно повысить кпд, снизить тепловыделение и уменьшить массу и габариты, что говорит о новизне.
Поскольку совокупность введенных элементов и их связей до даты подачи заявки в патентной и научно-технической литературе не обнаружена, то предлагаемое техническое решение соответствует «изобретательскому уровню».
Принцип работы преобразователя рассмотрим по схеме, представленной на фиг.2.
В прототипе ОУ вместе с ЭП образуют линейный повторитель напряжения (усилитель с единичным усилением и очень малым выходным сопротивлением), что позволяет поддерживать постоянство коэффициента деления резистивного делителя на резисторах R1 и R2 вне зависимости от величины нагрузки и ее симметрии. Поэтому транзисторы ЭП можно рассматривать как управляемые сопротивления, включенные параллельно с плечами нагрузки. Поэтому при полностью симметричной нагрузке токи через транзисторы не протекают, мощность на них не рассеивается, и в результате кпд преобразователя получается (без учета потребления делителя и самого ОУ) близким к 100%. Однако по мере роста асимметрии нагрузки один из транзисторов ЭП начинает потреблять ток, причем его величина всегда равна разности токов, потребляемых плечами нагрузки. При этом транзистор рассевает мощность, равную разности потребляемых плечами нагрузки мощностей, что приводит к падению кпд. В предельном случае, когда нагрузка потребляет ток только по одному плечу, теоретическая величина кпд не может превышать 50%, ибо в этом случае для обеспечения симметрии напряжений один из транзисторов «берет на себя» роль отсутствующего плеча нагрузки.
В предлагаемом преобразователе ОУ вместе с ЭП работают в режиме компаратора с гистерезисом, а не в режиме повторителя, как в прототипе. Зона гистерезиса небольшой ширины (порядка нескольких единиц или десятков мВ) создается за счет положительной обратной связи (ПОС), которой охватывается ОУ вместе с ЭП через резистор R3. При этом транзисторы ЭП работают в ключевом режиме, что резко снижает рассеиваемую на них мощность. 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. Частота должна выбираться исходя из скоростных характеристик используемого ОУ.
В результате предлагаемый преобразователь однополярного напряжения в двуполярное позволяет существенно повысить коэффициент полезного действия, снизить тепловыделение, уменьшить габариты и массу.
Источники информации
1. Шустов М.А. Практическая схемотехника. Преобразователи напряжения. Книга 3. М.: ДОДЭКА XXI век, 2007.