Биполярное питание что это

10

Биполярное питание что это

Биполярные источники питания уже давно известны на рынке, однако решения, способные корректно работать в моменты падения входного напряжения, в частности, во время холодного пуска, и при этом обеспечивать двунаправленный функционал, на данный момент отсутствуют. В статье представлен пример биполярного источника, невосприимчивого к изменениям входного напряжения при работе в режиме источника и в режиме нагрузки, то есть при протекании тока от выхода к входу.

Введение
Большинство существующих электронных систем работает от цепей питания с положительным или отрицательным напряжением, однако для некоторых приложений требуется наличие устройства, способного выдавать напряжение как той, так и другой полярности. В подобных случаях прибегают к использованию биполярных источников питания, напряжение на выходе которых может плавно регулироваться во всем необходимом диапазоне. Такие решения довольно часто встречаются в автомобильных приложениях или продвинутых аудиосистемах, где к традиционным источникам добавляются блоки питания, способные исполнять роль потребителей тока, то есть работать в режиме нагрузки. Ярким примером могут служить системы рекуперативного торможения, применяемые в некоторых автомобилях.

Схемы биполярного двунаправленного источника питания
На рис. 1 показана схема биполярного двухкаскадного источника питания, в основе которого лежит четырехквадрантный DC/DC-преобразователь LT8714, обозначенный на схеме как U1. Данный преобразователь питается от повышающего преобразователя LTC7804, обозначенного на схеме как U2 и выдающего напряжение промежуточной шины Vinter в диапазоне 12−24 В (если брать максимальные значения) или 12−16 В (если брать номинальные значения), что соответствует диапазону напряжений в стандартной аккумуляторной цепи автомобиля. Напряжение на выходе схемы источника составляет ±10 В при токе нагрузки 3 А и регулируется при помощи вывода CTRL преобразователя U1.

Операционный усилитель

Операционный усилитель (ОУ) англ. Operational Amplifier (OpAmp), в народе – операционник, является усилителем постоянного тока (УПТ) с очень большим коэффициентом усиления. Словосочетание «усилитель постоянного тока» не означает, что операционный усилитель может усиливать только постоянный ток. Имеется ввиду, начиная с частоты в ноль Герц, а это и есть постоянный ток.

Термин «операционный» укрепился давно, так как первые образцы ОУ использовались для различных математических операций типа интегрирования, дифференцирования, суммирования и тд. Коэффициент усиления ОУ зависит от его типа, назначения, структуры и может превышать 1 млн!

Обозначение на схеме операционного усилителя

На схемах операционный усилитель обозначается вот так:

Чаще всего ОУ на схемах обозначаются без выводов питания

Итак, далее по классике, слева два входа, а справа – выход.

Вход со знаком «плюс» называют НЕинвертирующий, а вход со знаком «минус» инвертирующий. Не путайте эти два знака с полярностью питания! Они НЕ говорят о том, что надо в обязательном порядке подавать на инвертирующий вход сигнал с отрицательной полярностью, а на НЕинвертирующий сигнал с положительной полярностью, и далее вы поймете почему.

Питание операционных усилителей

Если выводы питания не указаны, то считается, что на ОУ идет двухполярное питание +E и -E Вольт. Его также помечают как +U и -U, V_CC и V_EE, Vc и V_E. Чаще всего это +15 и -15 Вольт. Двухполярное питание также называют биполярным питанием. Как это понять — двухполярное питание?

Давайте представим себе батарейку

Думаю, все вы в курсе, что у батарейки есть «плюс» и есть «минус». В этом случае «минус» батарейки принимают за ноль, и уже относительно нуля считают напряжение батарейки. В нашем случае напряжение батарейки равняется 1,5 Вольт.

А давайте возьмем еще одну такую батарейку и соединим их последовательно:

Итак, общее напряжение у нас будет 3 Вольта, если брать за ноль минус первой батарейки.

А что если взять на ноль минус второй батарейки и относительно него уже замерять все напряжения?

Вот здесь мы как раз и получили двухполярное питание.

Идеальная и реальная модель операционного усилителя

Для того, чтобы понять суть работы ОУ, рассмотрим его идеальную и реальную модели.

1) Входное сопротивление идеального ОУ бесконечно большое.

В реальных ОУ значение входного сопротивления зависит от назначения ОУ (универсальный, видео, прецизионный и т.п.) типа используемых транзисторов и схемотехники входного каскада и может составлять от сотен Ом и до десятков МОм. Типовое значение для ОУ общего применения — несколько МОм.

2) Второе правило вытекает из первого правила. Так как входное сопротивление идеального ОУ бесконечно большое, то входной ток будет равняться нулю.

На самом же деле это допущение вполне справедливо для ОУ с полевыми транзисторами на входе, у которых входные токи могут быть меньше пикоампер. Но есть также ОУ с биполярными транзисторами на входе. Здесь уже входной ток может быть десятки микроампер.

3) Выходное сопротивление идеального ОУ равняется нулю.

Это значит, что напряжение на выходе ОУ не будет изменяться при изменении тока нагрузки. В реальных ОУ общего применения выходное сопротивление составляет десятки Ом (обычно 50 Ом).
Кроме того, выходное сопротивление зависит от частоты сигнала.

4) Коэффициент усиления в идеальном ОУ бесконечно большой. В реальности он ограничен внутренней схемотехникой ОУ, а выходное напряжение ограничено напряжением питания.

5) Так как коэффициент усиления бесконечно большой, следовательно, разность напряжений между входами идеального ОУ равняется нулю. Иначе если даже потенциал одного входа будет больше или меньше хотя бы на заряд одного электрона, то на выходе будет бесконечно большой потенциал.

6) Коэффициент усиления в идеальном ОУ не зависит от частоты сигнала и постоянен на всех частотах. В реальных ОУ это условие выполняется только для низких частот до какой-либо частоты среза, которая у каждого ОУ индивидуальна. Обычно за частоту среза принимают падение усиления на 3 дБ или до уровня 0,7 от усиления на нулевой частоте (постоянный ток).

Схема простейшего ОУ на транзисторах выглядит примерно вот так:

Принцип работы операционного усилителя

Давайте рассмотрим, как работает ОУ

Принцип работы ОУ очень прост. Он сравнивает два напряжения и на выходе уже выдает отрицательный, либо положительный потенциал питания. Все зависит от того, на каком входе потенциал больше. Если потенциал на НЕинвертирующем входе U1 больше, чем на инвертирующем U2, то на выходе будет +Uпит, если же на инвертирующем входе U2 потенциал будет больше, чем на НЕинвертирующем U1, то на выходе будет -Uпит. Вот и весь принцип ;-).

Давайте рассмотрим этот принцип в симуляторе Proteus. Для этого выберем самый простой и распространенный операционный усилитель LM358 (аналоги 1040УД1, 1053УД2, 1401УД5) и соберем примитивную схему, показывающую принцип работы

Подадим на НЕинвертирующий вход 2 Вольта, а на инвертирующий вход 1 Вольт. Так как на НЕинвертирующем входе потенциал больше, то следовательно, на выходе мы должны получить +Uпит. Мы получили 13,5 Вольт, что близко к этому значению

Но почему не 15 Вольт? Виновата во всем сама внутренняя схемотехника ОУ. Максимальное значение ОУ не всегда может равняться положительному либо отрицательному напряжению питания. Оно может отклоняться от 0,5 и до 1,5 Вольт в зависимости от типа ОУ.

Но, как говорится, в семье не без уродов, и поэтому на рынке уже давно появились ОУ, которые могут выдавать на выходе допустимое напряжение питания, то есть в нашем случае это значения, близкие к +15 и -15 Вольтам. Такая фишка называется Rail-to-Rail, что в дословном переводе с англ. «от рельса до рельса», а на языке электроники «от одной шины питания и до другой».

Давайте теперь на инвертирующий вход подадим потенциал больше, чем на НЕинвертирущий. На инвертирующий подаем 2 Вольта, а на НЕинвертирующий подаем 1 Вольт:

Как вы видите, в данный момент выход «лег» на -Uпит, так как на инвертирующем входе потенциал был больше, чем на НЕинвертирующем.

Чтобы не качать лишний раз программный комплекс Proteus, можно в онлайне с помощью программы Falstad сэмулировать работу идеального ОУ. Для этого выбираем вкладку Circuits—Op-Amps—>OpAmp. В результате на вашем экране появится вот такая схемка:

На правой панели управления увидите бегунки для добавления напряжения на входы ОУ и уже можете визуально увидеть, что получится на выходе ОУ при изменении напряжения на входах.

Что будет на выходе ОУ, если на обоих входах будет ноль вольт?

Итак, мы рассмотрели случай, когда напряжение на входах может различаться. Но что будет, если они будут равны? Что нам покажет Proteus в этом случае? Хм, показал +Uпит.

А что покажет Falstad? Ноль Вольт.

Кому верить? Никому! В реале, такое сделать невозможно, чтобы на два входа загнать абсолютно равные напряжения. Поэтому такое состояние ОУ будет неустойчивым и значения на выходе могут принимать значения или -E Вольт, или +E Вольт.

Давайте подадим синусоидальный сигнал амплитудой в 1 Вольт и частотой в 1 килоГерц на НЕинвертирующий вход, а инвертирующий посадим на землю, то есть на ноль.

Смотрим, что имеем на виртуальном осциллографе:

Что можно сказать в этом случае? Когда синусоидальный сигнал находится в отрицательной области, на выходе ОУ у нас -Uпит, а когда синусоидальный сигнал находится в положительной области, то и на выходе имеем +Uпит.

Скорость нарастания выходного напряжения

Также обратите внимание на то, что напряжение на выходе ОУ не может резко менять свое значение. Поэтому, в ОУ есть такой параметр, как скорость нарастания выходного напряжения V_{Uвых .}

Этот параметр показывает насколько быстро может измениться выходное напряжение ОУ при работе в импульсных схемах. Измеряется в Вольт/сек. Ну и как вы поняли, чем больше значение этого параметра, тем лучше ведет себя ОУ в импульсных схемах. Для LM358 этот параметр равен 0,6 В/мкс.

Также смотрите видео «Что такое операционный усилитель (ОУ) и как он работает»

Обзор биполярного DC/DC-преобразователя: был куплен, был протестирован, был хорошим товарищем. И был восстановлен!

В обзоре будет рассмотрен DC-DC преобразователь малой мощности с биполярным симметричным выходом. Двухполярное питание обычно используется в схемах с операционными усилителями, в усилителях для наушников и в некоторых других случаях.

Преобразователь относится к типу понижающе-повышающих и представляет собой одноплатную конструкцию с фиксированными выходными напряжениями ±15 В. Но он входит в серию, где есть преобразователи и на другие выходные напряжения в диапазоне от ±5 В до ±24 В. Теоретически можно сделать из этой платы преобразователь и на более низкие напряжения (примерно до 1.3 — 1.5 В); но это — только при наличии навыков изящной пайки в стиле «левши» Лескова (данные для расчёта переделки есть на странице продавца, ссылка будет в конце обзора).

Содержание

Основные технические характеристики двухполярных DC-DC преобразователей малой мощности Eletechsup

Для протестированной платы с напряжениями выхода ± 15 В допустимая мощность выхода составляет 3 Вт (при входном напряжении 5 В), для других напряжений — указана на странице продавца.

К этому надо добавить, что производитель разрешает использовать плату не только с симметричной нагрузкой, но и с нагрузкой только на одно положительное плечо. А с нагрузкой только на отрицательное плечо производитель использовать преобразователь не разрешает (такова особенность схемотехники). Но и в «запрещённом» варианте работы платы она всё равно будет протестирована (и, забегая вперёд, надо сказать, что окажется более-менее работоспособной).

Конструкция и схемотехника двухполярного DC-DC преобразователя

Преобразователь собран на плате очень небольшого размера. По углам, как положено в соответствии с манерами хорошего тона, расположены 4 крепёжных отверстия:

Элементов на плате — очень мало.

Большие электролитические конденсаторы (220 мкФ 35 В) установлены по питанию (на входе и выходе).

Параллельно каждому большому электролиту установлено по керамическому конденсатору.

Два малых электролита (в центре платы, 47 мкФ 50 В) работают в схеме формирования выходных напряжений, в ней же работают и три индуктивности.

Вид платы сверху:

Наименования полупроводниковых элементов (микросхемы и диодов) не видны, но не потому, что затёрты; а потому, что нанесены слишком бледной маркировкой.

С помощью увеличительного стекла и усиленного освещения их можно прочесть: чип — XL6007E1, диоды — SS34.

Производитель чипа — компания XLSEMI, datasheet чипа можно найти в Интернете. Самое основное: максимально-допустимое входное напряжение — 24 В, максимально-допустимый выходной ток — 2 А. Заявлена защита от перегрева и перегрузки по току (но с этим возникнут некоторые проблемы).

Применённые SS34 — диоды Шоттки, 3 А, 40 В. Диоды Шоттки — это очень хорошо (малое прямое падение напряжения).

Два SMD-резистора внизу посередине образуют делитель в цепи обратной связи, который и задаёт напряжение на выходе.

Этот делитель берёт напряжение с положительного плеча, т.е. стабилизируется именно положительное напряжение. По этой причине производитель и запрещает использовать преобразователь с нагрузкой только на отрицательное плечо: его стабилизация будет слабой (проверим).

Нижняя сторона платы:

К плюсам разводки платы надо отнести, что максимальная площадь занята проводником земли.

Тест двухполярного DC-DC преобразователя

Исходя из допустимой мощности для преобразователя при напряжении 5 В на входе и ±15 В на выходе допускается максимальный ток 100 мА, т.е. мощность 3 Вт.

А, поскольку использовать какие-либо устройства на уровне 100% от предельно-допустимых параметров является манерой плохого тона, нагрузка была задана не 100, а 75 мА, т.е. было установлено по резистору 200 Ом в каждое плечо. Мощность рассеяния на каждом резисторе получается 1.125 Вт (без учета отклонений выходных напряжений от 15 В).

Ток холостого хода (без нагрузки) составил 5.9 мА при входном напряжении 5 В.

Далее в таблице — результаты замера выходных напряжений и других параметров при входном напряжении 5 В и четырёх вариантах нагрузок: без нагрузки; 200 Ом на обоих плечах; 200 Ом только на положительном плече; 200 Ом только на отрицательном плече.

Выводы из этой таблицы полностью подтверждают теорию:

1. В зависимости от наличия или отсутствия нагрузки напряжение на положительном плече держится очень стабильным, а на отрицательном — заметно «плавает». Оптимальна — симметричная нагрузка.

2. Чем ниже нагрузка, тем выше КПД; хотя он высокий во всех случаях.

В режиме с нагрузкой на оба плеча был сделан теплоснимок платы в установившемся режиме:

Максимальный нагрев был в микросхеме преобразователя, он составил около +58 градусов, что не представляет никакой угрозы для его жизни и здоровья.

Также заметный нагрев был у индуктивности слева от микросхемы, к которой непосредственно был подключен выход микросхемы.

В этом же режиме были сняты осциллограммы импульсов на выходе микросхемы и пульсаций на положительном и отрицательном плечах преобразователя.

Осциллограмма выхода микросхемы преобразователя (ноль смещен на одно деление вниз, чтобы осциллограмма поместилась по высоте):

Пульсации на положительном выходе (вход осциллографа — закрытый):

Пульсации на отрицательном выходе:

Пульсации — весьма существенные (по плюсу — до 80 мВ), но, если надо, то их можно подавить дополнительными электролитами на выходе.

Следующий эксперимент — проверка потребления DC-DC преобразователя в зависимости от входного напряжения при фиксированной нагрузке (200 Ом в каждом плече).

Результаты — тоже ожидаемые. С повышением входного напряжения КПД тоже немного повышается; а при входном напряжении ниже 5 В резко падает. При входном напряжении ниже 4 В теряется работоспособность преобразователя с данной нагрузкой.

Был хорошим товарищем.

Природное любопытство заставило меня провести эксперимент с перегрузкой преобразователя, т.е. подключить на выходы вместо резисторов 200 Ом резисторы 68 Ом.

Я наивно полагал, что ничем не рискую: для чипа в datasheet-е были заявлены термозащита и защита от перегрузки по току.

Но мир — не прост!

После подачи питания ток потребления резко скакнул до 3 А, в микросхеме что-то зашипело и от неё откололся кусочек корпуса. Преобразователь скоропостижно скончался.

В принципе, для его восстановления можно было заказать точно такую же микросхему, но я решил заказать более мощную микросхему того же производителя: XL6019E1. Она совпадает с погибшей микросхемой по назначению выводов и внутреннему опорному напряжению, но она более мощная и у неё совсем другой корпус.

В общем, пришлось её припаять на проволочках. Получилось весьма оригинально (просьба сильно не ругать):

Несмотря не некоторую странность конструкции, всё успешно завелось и заработало; причем выходные напряжения практически не изменились.

Ток холостого хода тоже почти не изменился и составил 6.1 мА.

Теплоснимок платы с той же симметричной нагрузкой не показал ничего плохого:

После этого я решил ещё раз наступить на те же грабли и снова включил преобразователь с превышением допустимой нагрузки.

Преобразователь положенные напряжения выдать не смог, ток потребления скакнул до 4 А; но в этот раз ничего не сгорело (микросхема — значительно мощнее предшественницы).

Этот эксперимент уже позволяет сделать выводы, почему сгорел первоначальный вариант преобразователя.

Вероятнее всего, при перегрузке преобразователя токи в индуктивностях стали настолько большие, что сердечник переходит в насыщение. То есть, по своим магнитным свойствам он становится «деревяшкой». В этом случае должна была сработать защита по току, но не сработала. 🙁

На этом переходим к заключительной части.

Двухполярный симметричный DC-DC преобразователь — итоги и выводы

В целом протестированный преобразователь показал себя вполне работоспособным и качественным изделием, за исключением защиты от перегрузки по току. Перегружать преобразователь — крайне не желательно. И коротких замыканий тоже лучше не допускать.

Точность формирования выходных напряжений оказалась высокой.

Оптимальное применение преобразователя — с симметричной нагрузкой по положительному и отрицательному выходам.

С несимметричной нагрузкой тоже можно применять, но при этом надо иметь в виду, что отрицательное напряжение станет менее стабильным (может быть выше или ниже номинала в зависимости от направления перекоса в нагрузках на разные плечи).

При применении преобразователя следует помнить о том, что предельно-допустимая нагрузка зависит от соотношения между напряжениями на входе и выходе. Чем выше входное напряжение, тем преобразователю работать легче и выше допустимая нагрузка.

Что касается пульсаций, то, при необходимости их снижения, достаточно добавить на выход электролитических конденсаторов «по вкусу».

Купить протестированный преобразователь можно на Алиэкспресс, например, у этого продавца. Цена на дату обзора — $4.4 с учётом доставки (впоследствии может меняться).

Описанная доработка с заменой микросхемы на более мощную — это просто эксперимент и к внедрению не рекомендуется.

Если же всё-таки нужен более мощный биполярный DC-DC преобразователь, то его можно найти у того же продавца.

Для чего нужно двухполярное питание и в чем его смысл

Даже не знаю где его применить, кроме усилителей звуковых частот. Для усилителей работающих в режимах класса Б или АБ они применимы, а вот для класса А, нет. Класс А, даже один транзистор в полной мере справляется при однополярном питании. А смысл в том что в усилителях используется два плеча выходного каскада и на каждое плечё должно поступать своё зеркальное напряжение. Нужен трансформатор с выводом во вторичной обмотки точно по середине, ну и два диодовых моста. Соединяем плюс с первого моста с минусом второго моста и вот это соединение можно подключать как на схеме после Rн4, это и есть смысл усилителей класса Б и АБ