преобразователь однополярного напряжения в двуполярное

Электроника, электротехника. Профессионально-любительские решения.

Для работы многих схем с использованием операционных усилителей часто требуется двухполярное питание, или однополярное со средней точкой, что почти одно и то же. Источники двухполярного питания распространены гораздо меньше, чем однополярные. Для питания схем с незначительным потреблением (порядка нескольких миллиампер) можно использовать однополярный источник с созданием средней точки с помощью простого резистивного делителя и фильтрующих конденсаторов, рисунок 1.

Такой вариант создания двуполярного питания из однополярного характеризуется ощутимыми потерями в схеме и низкой стабильностью, поскольку при неравномерной нагрузке плеч, бОльшая нагрузка будет подтягивать среднюю точку к своему плечу. Подобные схемы могут пригодиться при опытах с операционными усилителями. В схеме варианта б) подстроечным резистором R3 можно корректировать уровень напряжения средней точки. Имеет смысл использовать для быстрой сборки тестовых схем и только в том случае, если напряжение выхода однополярного источника будет достаточным, для создания двухполярного питания.

Рисунок 2. Формирование средней точки с помощью операционного усилителя.

Более адаптивную схему к малой, но динамичной нагрузке можно собрать с применением операционного усилителя. Схема получается довольно простой, рисунок 2.

Потенциометром R1 задаётся уровень напряжения средней точки. Это напряжение подаётся на не инвертирующий вход «3». При включении питания схемы конденсаторы C1 и C2 заряжаются приблизительно равномерно, в точке их соединения возникает напряжение, приближённо равное половине напряжения питания относительно нижней шинки питания (0 слева, -Uп/2 справа по схеме). Так формируется средняя точка источника питания («корпус», «земля»). Напряжение средней точки через резистор R2 подаётся на «следящий» инвертирующий вход усилителя «2».

Если напряжение средней точки подаваемое на инвертирующий вход превышает заданное напряжение на не инвертирующем входе, усилитель будет тянуть напряжение выхода «6» к минусовой шинке питания, открывая транзистор VT2 до тех пор, пока напряжение средней точки не поравняется с заданным.

Когда напряжение средней точки проседает к минусу питания, то усилитель наоборот подтягивает выход «6» к плюсу питания, открывая транзистор VT1, который будет поднимать напряжение средней точки до тех пор, пока оно не поравняется с заданным.

При дрейфе средней точки около заданного напряжения часто происходит переключение между транзисторами, а поскольку коэффициент усиления ОУ без обратной связи имеет величину порядка нескольких тысяч единиц, то стабилизирующий эффект получается достаточно точным, и в большей степени зависит от величины асимметрии нагрузки, коэффициента усиления по току транзисторов VT1 и VT2 и их мощности.

При использовании такой схемы следует учесть, что при необходимости привязать среднюю точку к корпусу устройства, первичный источник питания не должен иметь контакта с корпусом.

При переключении транзисторов могут возникнуть коммутационные помехи из-за значительной собственной индуктивности фильтрующих конденсаторов. Для устранения помех конденсаторы C1 и C2 необходимо зашунтировать керамическими конденсаторами ёмкостью 0,1…0,22 мкФ.

Достоинством схемы является то, что напряжение средней точки можно задать практически на любом уровне от минуса до плюса питания, хотя в большинстве устройств это не требуется.

Для получения стабильных выходных напряжений относительно средней точки не требуется применения двухполярного стабилизатора, для этого достаточно использовать стабилизированный первичный (однополярный) источник питания.

Ниже приведены изображения и фото готового проекта такого делителя питания. В проект добавлен резистор (R3, рисунок 3) в цепь выхода для смягчения условий перегрузки усилителя при замыкании одного плеча или значительной асимметрии нагрузки.

Схема цепей смещения в усилителях типа UBbIX = kUBX + b

Схема, реализующая передаточную характеристику вида UBbIX = kUBX + b, представлена на рисунке ниже

Схема усилителя с передаточной характеристикой типа UBbIX = kUBX + b.

Данная схема представляет собой неинвертирующий сумматор и состоит из развязывающих конденсаторов С1 и С2 имеющих ёмкость порядка 0,001 – 0,1 мкФ, резисторов R1, R2, R3 и R4 и самого ОУ DA1 в неинвертирующей схеме. Передаточная характеристика данной схемы описывается следующим выражением

тогда коэффициенты k и b будут определяться следующими выражениями

Расчёт усилителя с характеристикой типа UBbIX = kUBX + b

Для примера рассчитаем элементы усилителя со следующими параметрами: входное напряжение UBX = 0,1…1 В, выходное напряжение UBЫX = 1…5 В, напряжение питания UПИТ = 6 В, в качестве источника смещения используется напряжение питания UCM = UПИТ = 6 В.

1. Определим тип передаточной характеристики. Определяем коэффициенты k и b

   Решив данную систему, получим k = 4,44 и b = 0,556, тогда передаточная характеристика будет иметь следующий вид

2. Рассчитаем номиналы резисторов R1 и R2, решив следующую систему уравнений относительно (R3 + R4) / R3

   

   Подставив значения коэффициентов k, b и UCM получим следующее уравнение

   

   Величина резистора R1 обычно выбирается в пределах от 1 до 10 кОм, так как резистор R1 определяет входное сопротивление усилителя и его следует увеличивать, чтобы исключить перегрузку источника сигнала.

   Выберем R1 = 10 кОм, тогда R2 = 47,91 * 10 = 479,1 кОм. Примем R2 = 470 кОм.

3. Рассчитаем величины сопротивлений R3 и R4

   Величина резистора, также как и R1 выбирается в пределах 1 … 10 кОм, поэтому примем R3 = 10 кОм, R4 = 10 * 3,53 = 35,3 кОм. Примем R4 = 36 кОм.

Электроника, электротехника. Профессионально-любительские решения.

Для работы многих схем с использованием операционных усилителей часто требуется двухполярное питание, или однополярное со средней точкой, что почти одно и то же. Источники двухполярного питания распространены гораздо меньше, чем однополярные. Для питания схем с незначительным потреблением (порядка нескольких миллиампер) можно использовать однополярный источник с созданием средней точки с помощью простого резистивного делителя и фильтрующих конденсаторов, рисунок 1.

Такой вариант создания двуполярного питания из однополярного характеризуется ощутимыми потерями в схеме и низкой стабильностью, поскольку при неравномерной нагрузке плеч, бОльшая нагрузка будет подтягивать среднюю точку к своему плечу. Подобные схемы могут пригодиться при опытах с операционными усилителями. В схеме варианта б) подстроечным резистором R3 можно корректировать уровень напряжения средней точки. Имеет смысл использовать для быстрой сборки тестовых схем и только в том случае, если напряжение выхода однополярного источника будет достаточным, для создания двухполярного питания.

Рисунок 2. Формирование средней точки с помощью операционного усилителя.

Более адаптивную схему к малой, но динамичной нагрузке можно собрать с применением операционного усилителя. Схема получается довольно простой, рисунок 2.

Потенциометром R1 задаётся уровень напряжения средней точки. Это напряжение подаётся на не инвертирующий вход «3». При включении питания схемы конденсаторы C1 и C2 заряжаются приблизительно равномерно, в точке их соединения возникает напряжение, приближённо равное половине напряжения питания относительно нижней шинки питания (0 слева, -Uп/2 справа по схеме). Так формируется средняя точка источника питания («корпус», «земля»). Напряжение средней точки через резистор R2 подаётся на «следящий» инвертирующий вход усилителя «2».

Если напряжение средней точки подаваемое на инвертирующий вход превышает заданное напряжение на не инвертирующем входе, усилитель будет тянуть напряжение выхода «6» к минусовой шинке питания, открывая транзистор VT2 до тех пор, пока напряжение средней точки не поравняется с заданным.

Когда напряжение средней точки проседает к минусу питания, то усилитель наоборот подтягивает выход «6» к плюсу питания, открывая транзистор VT1, который будет поднимать напряжение средней точки до тех пор, пока оно не поравняется с заданным.

Схема цепей смещения в усилителях типа UBbIX = kUBX – b

Схема усилителя передаточная характеристика, которого имеет вид UBbIX = kUBX – b представлена ниже

Схема усилителя с передаточной характеристикой типа UBbIX = kUBX – b

Передаточная характеристика данной схемы представлена следующим выражением

В данном случае коэффициенты k и b будут определяться следующими выражениями

Расчёт усилителя с характеристикой типа UBbIX = kUBX — b

Для примера рассчитаем усилитель со следующими параметрами: входное напряжение UBX = 0,3…0,7 В, выходное напряжение UBЫX = 1…5 В, напряжение питания UПИТ = 6 В, в качестве источника смещения используется напряжение питания UCM = UПИТ = 6 В.

1. Рассчитаем коэффициенты передаточной характеристики

   Решив данную систему уравнений, получим k = 10 и b = -2.

   Тогда переходная характеристика данного усилителя будет иметь вид

2. Рассчитаем сопротивление резисторов R3 и R В данной схеме сопротивление резистора R3 должно быть значительно больше эквивалентного сопротивления параллельных резисторов R1 || R2. Поэтому коэффициент k можно выразить следующим приближённым выражением

   Примем сопротивление резистора R3 = 10 кОм, тогда R4 = 90 кОм.

3. Рассчитаем сопротивление резисторов и R

   

   Так как R3 >> R1 || R2 примем R2 = 0,75 кОм, тогда R1 = 26*0,75=19,5 кОм. Примет R1 = 20 кОм.

   Таким образом, передаточная характеристика усилителя будет иметь вид UBbIX = 10UBX — 2 при следующих номиналах элементов: R1 = 20 кОм, R2 = 0,75 кОм, R3 = 10 кОм, R4 = 90 кОм.

Схема цепей смещения в усилителях типа UBbIX = – kUBX – b

Последний, четвёртый случай ОУ с однополярным питанием и переходной характеристикой вида UBbIX = – kUBX – b имеет схему представленную на рисунке ниже

Схема усилителя с передаточной характеристикой вида UBbIX = – kUBX — b

Данная схема представляет собой инвертирующий сумматор и состоит из ОУ DA1, развязывающего конденсатора С1, резисторов R1, R2 и R3. С учётом элементов схемы передаточная характеристика будет иметь вид

Тогда коэффициенты k и b можно представить в следующем виде

Расчёт усилителя с переходной характеристикой вида UBbIX = – kUBX – b

Для примера рассчитаем усилитель реализующий переходную характеристику вида UBbIX = – kUBX — b. В качестве начальных условий примем следующие параметры схемы: диапазон входного напряжения UBX = -0,2 … -0,8 В, диапазон выходного напряжения UBЫX = 1 … 5 В, напряжение смещение берётся от напряжения питания UCM = UПИТ = 6 В.

1. Рассчитаем коэффициенты k и b, для этого решим систему линейных уравнений

   Решив данную систему, получим k = – 6,67 и b = — 0,334. Тогда переходная характеристика будет иметь вид

2. Определим величину сопротивления R1 и R3

   Примем R1 = 10 кОм, тогда R3 = 6,67 * 10 = 66,7 кОм. Примем R3 = 68 кОм.

3. Определим величину сопротивления R2

   

   Примем R2 = 200 кОм.

Чем больше мощность, тем хуже…

Часто радиолюбители стараются сделать свой усилитель как можно мощнее (типа, так круче), да и аудиофилы зачастую оснащают свои системы усилителями с мощностью в разы превышающей необходимую для озвучивания обычной комнаты до нормального уровня громкости, мотивируя тем, что так получается больший динамический диапазон. Такие усилители (большой мощности) порой решают одни проблемы, но создают другие.

Индуктивность проводников питания является основным «слабым звеном» усилителей мощности класса АВ. В таких усилителях выходные транзисторы включаются и выключаются поочередно, соответственно по плюсовой и минусовой шинам питания протекают полуволны зарядных токов.

Если эти импульсы через емкостные и индуктивные связи попадут в звуковой тракт это приводит к ужасному размытому звучанию.

Такое происходит, если какая-то чувствительная дорожка (проводник) проходит рядом с шиной питания. Бифилярная свивка проводов питания эффективно подавляет излучаемые помехи за счёт взаимной компенсации положительной и отрицательной полуволн.

На печатной плате этот метод можно реализовать, если шины питания расположить друг над другом с двухсторон платы (требуется двухсторонняяя печатная плата)

Достойный образец проектирования печатной платы для усилителя мощности — это конструкция Ultra-LD 200W, представленная в одном из номеров журнала «Практическая электроника каждый день». На печатной плате этого усилителя реализованы все рекомендации по монтажу, представленные в данном цикле статей. И во многом за счёт этого удалось получить уровень шумов -122 дБ и уровень нелинейных искажений ниже 0,001%.

Примечание редакции РадиоГазеты: если нашим читателям интересно, пишите в комментариях и мы опубликуем описание этого усилителя.

Заземление одной стороны печатной платы хорошо работает в высокочастотных и слаботочных конструкциях. Для усилителей мощности это не подходит, потому как трудно предсказать протекание токов в зависимости от выбора точек заземления.

В современных ламповых усилителях часто общую шину делают в виде отрезка тостого лужёного провода. Многие гуру проповедуют разводку звездой с единственной точкой подключения. Бывают случаи, когда при таком подходе усилители плохо работают. Сказывает большое количество длинных проводов, которые снижают стабильность конструкции.

Как правило, в хорошем усилителе есть несколько точек заземления.

Как организовать двухполярное питание

Сочетая балансную схему и мостовую, можно получить преобразователь, который будет давать на выходе двухполярное питание с общей (нулевой) точкой. Причем, для одного она будет отрицательной, а для другого – положительной. Такие устройства широко применяются в БП для цифровой радиотехнике.

Схема: пример преобразователя с двухполярным выходом

Однополупериодный преобразователь

Ниже приведена типичная схема подобного устройства с минимумом элементов.

Схема: простейший преобразователь

Обозначения:

• Tr – трансформатор;
• DV- вентиль (диод);
• Cf – емкость (играет роль сглаживающего фильтра);
• Rn – подключенная нагрузка.

Теперь рассмотрим осциллограмму в контрольных точках U1, U2 и Un.

Осциллограмма, снятая в контрольных точках U1, U2 и Un

Пояснение:

• в контрольной точке U1 отображается диаграмма снятая на входе устройства;
• U2 – диаграмма перед емкостным сглаживающим фильтром;
• Un – осциллограмма на нагрузке.

Временная диаграмма наглядно показывает, что после вентиля (диода) выпрямленное напряжение представляется в виде характерных импульсов, состоящих из положительных полупериодов. Когда происходит такой импульс, накапливается заряд емкостного фильтра, который разряжается во время отрицательного полупериода, это позволяет несколько сгладить пульсации.

Недостатки такой схемы очевидны — это низкий КПД, в следствии высокого уровня пульсаций. Но несмотря на это, устройства такого типа находят свое применение в цепях с низким токопотреблением.