МИКРОМОЩНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ОДНОПОЛЯРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ДВУПОЛЯРНОЕ Российский патент 2012 года по МПК G05F1/585 

Описание патента на изобретение RU2465628C1

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.

Похожие патенты RU2465628C1

название год авторы номер документа
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ОДНОПОЛЯРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ДВУПОЛЯРНОЕ 2008
  • Мацыкин Сергей Васильевич
  • Зайцев Михаил Алексеевич
  • Сухов Андрей Владимирович
RU2368938C1
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ШИРИНУ ИМПУЛЬСОВ НАПРЯЖЕНИЯ 2016
  • Иванов Юрий Борисович
  • Казачкин Антон Владимирович
RU2627196C1
Устройство для программного управления 1984
  • Шикунов Анатолий Михайлович
SU1229730A1
Стабилизированный преобразователь постоянного напряжения 1990
  • Скачко Валериан Николаевич
SU1728950A1
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ АНАЛОГОВОГО ДАТЧИКА В ЧАСТОТУ ИЛИ СКВАЖНОСТЬ 2020
  • Гутников Анатолий Иванович
  • Пикаева Лариса Анатольевна
RU2757852C1
ПИКОВЫЙ ДЕТЕКТОР 2009
  • Гутников Анатолий Иванович
  • Пикаева Лариса Анатольевна
  • Давлетчин Дмитрий Зуфарович
RU2409818C1
Трехканальный мажоритарный элемент 1987
  • Чухриенко Клавдия Петровна
  • Дощенко Анатолий Александрович
  • Лукаш Сергей Григорьевич
  • Кучер Борис Николаевич
SU1584101A1
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СОПРОТИВЛЕНИЯ И ТЕРМО-ЭДС В НАПРЯЖЕНИЕ 2015
  • Гутников Анатолий Иванович
  • Анашкин Андрей Сергеевич
RU2612200C1
Устройство для контроля разряда источников питания постоянного тока 1988
  • Шихарев Александр Семенович
SU1629864A1
Преобразователь постоянного напряжения в переменное 1990
  • Скачко Валериан Николаевич
SU1734178A1

Иллюстрации к изобретению RU 2 465 628 C1

Реферат патента 2012 года МИКРОМОЩНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ОДНОПОЛЯРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ДВУПОЛЯРНОЕ

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в источниках вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры. Технический результат заключается в создании преобразователя однополярного напряжения в двуполярное, который имеет высокой кпд, не зависящий от тока нагрузки, в том числе и в микромощном режиме потребления. Он достигается тем, что предложен микромощный преобразователь однополярного напряжения в двуполярное, включающий делитель входного напряжения из последовательно включенных первого и второго резисторов, операционный усилитель, инвертирующий вход которого соединен со средней точкой делителя, а также с выходом операционного усилителя через третий резистор, а выход операционного усилителя подключен через индуктивность к выходу преобразователя, причем выход преобразователя подключен к неинвертирующему входу операционного усилителя, а выход преобразователя подключен к полюсам источника входного напряжения через первый и второй фильтрующие конденсаторы, при этом в него дополнительно введен логический элемент-инвертор КМОП, при этом выход операционного усилителя подключен к входу инвертора, а выход инвертора подключен к точке соединения третьего резистора и индуктивности, при этом инвертирующий вход операционного усилителя соединен со средней точкой делителя и выходом инвертора через третий резистор, а неинвертирующий вход операционного усилителя подключен к выходу преобразователя. 2 ил.

Формула изобретения RU 2 465 628 C1

Микромощный преобразователь однополярного напряжения в двуполярное, включающий делитель входного напряжения из последовательно включенных первого и второго резисторов, операционный усилитель, инвертирующий вход которого соединен со средней точкой делителя, а также с выходом операционного усилителя через третий резистор, а выход операционного усилителя подключен через индуктивность, к выходу преобразователя, причем выход преобразователя подключен к неинвертирующему входу операционного усилителя, а выход преобразователя подключен к полюсам источника входного напряжения через первый и второй фильтрующие конденсаторы, отличающийся тем, что в него дополнительно введен логический элемент-инвертор КМОП, при этом выход операционного усилителя подключен к входу инвертора, а выход инвертора подключен к точке соединения третьего резистора и индуктивности, при этом инвертирующий вход операционного усилителя соединен со средней точкой делителя и выходом инвертора через третий резистор, а неинвертирующий вход операционного усилителя подключен к выходу преобразователя.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2012 года RU2465628C1

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ОДНОПОЛЯРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ДВУПОЛЯРНОЕ 2008
  • Мацыкин Сергей Васильевич
  • Зайцев Михаил Алексеевич
  • Сухов Андрей Владимирович
RU2368938C1
RU 86755 U1, 10.09.2009
Аналого-цифровой преобразователь 1984
  • Грошев Владимир Яковлевич
SU1267619A1
US 7414371 B1, 19.08.2008.

RU 2 465 628 C1

Авторы

Мацыкин Сергей Васильевич

Даты

2012-10-27Публикация

2011-11-08Подача