Как получить отрицательное напряжение

Как получить отрицательное напряжение.

Оказалось, что когда речь заходит об отрицательном напряжении, первый вопрос, который возникает у людей: «Как такое может быть? Как напряжение может быть отрицательным?»
Поэтому хотел бы чуть подробнее остановиться на том, что такое отрицательное напряжение и где оно может пригодиться.

Если меня спросят на каком этаже я живу, то не задумываясь скажу, что на пятом и мой ответ понятен каждому, всё дело в том, что мы привыкли отсчитывать этажи от земли. А для соседа с 10 этажа, если он свой этаж примет за точку отсчёта, я живу на -5 этаже. Так же и в электронике, измеряемое напряжение зависит от точки отсчёта, от точки которую мы приняли за ноль. Обычно такую точку, относительно которой ведётся отсчёт, называют землёй и тогда становится понятно, что раз напряжение — величина относительная, то может быть равна как 5 так и -5 вольтам, всё зависит от точки отсчёта.

Давайте рассмотрим схемы, изображённые ниже.

На схеме изображён делитель напряжения, который запитан от 10 вольт. Если мы будем измерять напряжение относительно отрицательного провода, то в точке B будет 5 вольт, а в точке С будет 10 вольт. А давайте в качестве точки отсчёта выберем точку B(средняя схема), тогда в точке А у нас будет -5 вольт, а в точке С будет 5 вольт. Ну а если примем за точку отсчёта точку С(правая схема), то в точках B и A у нас будет, -5 и -10 вольт соответственно.

Но что интересно,нельзя найти устройство, которое питается отрицательным напряжением, а услышать про отрицательное напряжение можно лишь, когда речь заходит о двухполярном питании. Ну вот только с одним, чуть разобрались и снова, какие-то умные слова. На самом деле ничего хитрого в двухполярном питании нет. Если для работы электронного компонента необходимо положительное и отрицательное напряжение(средняя схема на картинке выше), то говорят, что ему необходимо двухполярное питание.

В каком случае двухполярное питание может пригодиться? Рассмотрим простой пример, если на один из входов ОУ, питающегося положительным напряжением, подать отрицательное напряжение, то ничего не произойдёт, он просто не знает про существование отрицательного напряжения и сделать с ним ничего не может.

Кто-то из читателей, может подумать: «Вон выше схема на резисторах, используешь её и получаешь двухполярное питание, чего тут дальше читать?» А нет, всё не так просто, у схемы на резисторах есть один недостаток — отсутствие стабилизации средней точки, то есть при разной нагрузке в плечах, будет смещаться напряжение общей точки, тогда при подключении разной нагрузки на выходе будет не 5 и -5 вольт, а например, 4 и -6 вольт. Поэтому схема на резисторах — не самый лучший вариант.

Чёт мы я отвлёкся от темы, и так мне надо было организовать двухполярное питание и вопрос возникал в том как получить -5 вольт с током до 20мА. Дабы не усложнять себе жизнь, использовал две последовательно включенные зарядки от телефона. Точку в которой соединялся плюс одной зарядки с минусом другой принял за точку отсчёта(землю), тогда зарядка, у которой остался не подключённым плюсовой вывод, использовалась для получения 5 вольт, та у которой не подключён минусовой вывод для получения -5 вольт.

Прошло немного времени и стало понятно, что таскать две зарядки для одного устройства неудобно и хорошо было найти более простой способ получить отрицательное напряжение. Вариантов было два: первый — это собрать на рассыпухе источник отрицательного напряжения, второй — купить готовую микросхему, которая бы из положительного напряжения сделала отрицательное. Немного поискав в интернете, нашёл LM828, которая при подаче на вход положительного напряжения, на выходе выдавала такое же только отрицательной полярности. Идея использовать такую микросхему, показалась мне очень заманчивой поэтому сразу сделал заказ на али. Когда микросхема пришла, вытравил маленькую платку и монтировал её на основную плату и теперь для пользования устройством нужна только одна зарядка. Хотелось бы отметить, что номинал конденсаторов в обвязке микросхемы по даташиту равен 10uF, но при увеличении нагрузки микросхема начала пищать, поэтому увеличил их значение до 47uF.

LM828 покупал тут.

Как из плюсового напряжения сделать минус

Иногда в схеме нужна шина отрицательного напряжения, но у большинства источников есть только одна, положительная шина питания. Этот проект поможет собрать генератор отрицательного напряжения, работающий от одной плюсовой шины.

Необходимость отрицательного питания

Многие радиолюбители сталкивались со схемой, например, операционного усилителя, в которой используется двухканальное питание. Чтобы обеспечить его можно использовать два источника питания, но часто нет доступа к такому оборудованию, или конструкция должна быть портативной (батареечной), поэтому два отдельных источника питания могут быть не лучшим выходом. Одним из решений является разделение входящего источника питания и создание виртуального заземления между двумя резисторами в делителе потенциала.

Правда у этого решения есть некоторые проблемы. Во-первых, возможности виртуального заземления по тока ограничены, а, во-вторых, максимальное напряжение питания будет разделено на 2 (9 В батарея может стать ±4,5 В, но 4,5 В — максимально достижимое напряжение).

Тогда используя генератор, несколько диодов и конденсаторов, сможем использовать эффект, называемый емкостной связью, благодаря которому может генерироваться отрицательное напряжение, близкое к напряжению источника питания.

Немного теории

Емкостная связь — это эффект, при котором конденсатор «пытается» поддерживать постоянное напряжение на своих выводах. Например, если обе стороны конденсатора находятся под напряжением 0 В, а на пластине 1 оно внезапно доведено до 10 В, напряжение на другой пластине немедленно начнет расти до 10 В. То же самое касается и обратного: если первая пластина переводится с 10 В до 0 В, то другая пластина будет пытаться упасть на 10 В, чтобы поддерживать постоянное напряжение на конденсаторе.

Обратите внимание, как отрицательное изменение дало -10 В, когда левая пластина была заряжена до 10 В, а другая оставалась на уровне 0 В. Это последовательность будет использоваться для генерации отрицательного напряжения.

Но как нам зарядить левую сторону до 10 В, если другая пластина также не заряжается до 10 В? Помните, что когда первая пластина достигает 10 В, другая сторона также будет пытаться получить это напряжение. Вот тут и пригодятся диоды.

Диоды проводят ток только в одном направлении. Но если используем простую (но умную) схему с конденсатором и двумя диодами, то сможем генерировать отрицательное напряжение на пластине конденсатора!

Когда входное напряжение увеличивается с 0 В до 10 В, отрицательная пластина на C1 также будет пытаться совпадать из-за емкостной связи. Но как только она достигает 0,7 В, D1 сразу проводит, и это предотвращает повышение напряжения пластины выше 0,7 В. Теперь с положительной пластиной на 10 В и отрицательной пластиной на 0,7 В разность потенциалов на пластине составляет 10 – 0,7 = 9,3 В. Когда положительная пластина быстро падает с 10 В до 0 В, эта разность потенциалов 9,3 В должна поддерживаться из-за связи. Следовательно, отрицательная пластина падает до -9,3 В. D1 не может проводить ток, так как он смещен в обратном направлении, так что это отрицательное напряжение остается на конденсаторе.

Полезное на сайте:
ПРОСТОЙ САМОДЕЛЬНЫЙ БЛОК ПИТАНИЯ

Теперь D2 проводит, потому что анод (подключенный к отрицательной пластине C2) имеет более высокий потенциал, чем катод (подключенный к -9,3 В). Следовательно, напряжение на отрицательной пластине C2 будет уменьшаться до тех пор, пока D2 не перестанет проводить ток. Диод D2 перестанет проводить, как только падение напряжения на нем станет меньше 0,7 В. Это произойдет когда отрицательная пластина C2 станет -9,3 – -0,7 = -8,6 В.

Но если внешнее устройство попытается использовать отрицательное напряжение, оно будет очень быстро израсходовано, что связано с относительно небольшими размерами C1 и C2, а также с ограничениями по току драйвера схемы. Решение состоит в том, чтобы подключить к входу генератор, чтобы на C1 постоянно генерировалось отрицательное напряжение, которое поддерживает C2.

Конденсатор C2 используется в качестве развязки для внешних устройств, использующих отрицательное напряжение, чтобы попытаться сохранить значение как можно более постоянным. Для нашего проекта C1 будет конденсатором 10 мкФ, а C2 будет конденсатором 100 мкФ.

Генераторы инверторы

Генератор может быть чем угодно, от таймера 555 до микроконтроллера, но помните, что отрицательное напряжение будет равно максимальному напряжению генератора – минимальному напряжению. В этом проекте рассмотрим использование двух разных генераторов: нестабильного на 555 и генератора на основе триггера Шмитта 74HC14.

Нестабильный генератор на 555:

Генератор на основе триггера Шмитта 74HC14:

Создание схемы очень просто. Начните с генератора, а затем постройте схему конденсаторной накачки. Поскольку генератор 74HC14 имеет только один конденсатор и резистор, значения указаны в спецификации. Таймер 555 использует резистор 5,6 кОм для R1, резистор 47 кОм для R2, конденсатор 10 нФ для C1 и 100 нФ для C2.

Если есть осциллограф, то можете убедиться что генератор работает, проверив выходной сигнал. Если же есть только мультиметр – можете измерить выходное напряжение, используя вольтметр постоянного напряжения. Скорее всего схема колеблется, если показание составляет примерно половину от питания.

Полезное на сайте:
СЕТЕВОЙ БЛОК ПИТАНИЯ ДЛЯ LED СВЕТИЛЬНИКОВ

Например, если питаете схему от источника 9 В, и схема колеблется, то на выходе будет около 4,5 В. Это происходит потому, что вольтметр быстро снимает несколько показаний и выдает среднее значение. Поскольку выход включен в течение одной половины времени и выключен в течение другой, половина среднего значения равна половине максимального.

Полные схемы генераторов

Генератор отрицательного напряжения с 555:

Генератор отрицательного напряжения с 74HC14:

Вот генератор отрицательного напряжения, использующий таймер 555, где выходом является синий провод справа.

Обратите внимание, что напряжение составляет примерно -7,2 В из-за двойного падения напряжения на диоде (1,4 В), а напряжение питания не идеальное 9 В, а ближе к 8,5 В.

Далее описывается конструкция с использованием 74HC14:

Выход здесь составляет -7,95 В и выше, чем у схемы таймера 555, потому что 74HC14 использует лишние вентили для создания. Этот драйвер может подавать и потреблять больший ток, чем выход 555, и, таким образом, создавать большее отрицательное напряжение. Не забудьте подключить все неиспользуемые входы к земле на микросхемах CMOS.

Этот генератор отрицательного напряжения может генерировать только небольшое количество тока. Не ожидайте получить более 5 мА со стабилизатором. Но если не стабилизировать – можете получить до 20 мА, прежде чем выходное напряжение начнет значительно падать. При использовании этого генератора в проектах старайтесь, чтобы потребление тока от устройств было как можно меньше, чтобы отрицательная шина сохраняла заданное значение напряжения.

Схему можно сделать более эффективной, а также увеличить выходное напряжение используя диоды Шоттки вместо обычных кремниевых. Это связано с тем что диоды Шоттки имеют меньшее прямое падение напряжения (до 0,1 В), что приводит к большему отрицательному напряжению.

Ну а области применения тут вполне широкие – аудиотехника, операционные усилители и прочие маломощные устройства. Главное проверить это дело под нагрузкой, прежде чем питать готовые приборы – мало ли что…

Как измерить отрицательное напряжение с помощью АЦП.

Как известно многие современные микроконтроллеры имеют встроенный многоканальный АЦП, как правило, физически АЦП всего один, а многоканальность обеспечивается с помощью мультиплексирования. Диапазон напряжений с которыми может работать АЦП определяют уровни опорных напряжений(+VREF и -VREF), они не должны выходить за диапазон питания микроконтроллера. Диапазон напряжений, питающих микроконтроллер, может быть от 0 до 3.3, либо от 0 до 5 вольт. Отсюда становится понятно что измерять отрицательные напряжения АЦП не может, а это бывает необходимо.

Для измерения отрицательных напряжений с помощью АЦП существует несколько способов, во всех примерах будем считать что -VREF = 0, а +VREF = 5 вольт.

Необходимо измерять только отрицательные напряжения, например, от -5 до 0.
В таком случае можно применить инвертирующий усилитель, построенный на операционном усилителе(ОУ), с коэффициентом усиления равным -1.

Когда на вход схемы будет приходить -1 вольт, на вход АЦП будет поступать +1 вольт. Если же сигнал, который хотим измерить нужно усилить, достаточно изменить номиналы резисторов R1 и R2.

Необходимо измерять только отрицательные напряжения, например, от -15 до 0.
В таком случае можно применить сумматор построенный на ОУ

Номиналы резисторов R1 и R2 рассчитываются следующим образом, когда Uвх = -15 вольт, суммарное падение напряжение на резисторах R1 и R2 равно 20 вольт. В этом случае на прямом входе ОУ должно быть 0 вольт, отсюда становится понятно, что на R1 упадёт 5 вольт, а на R2 упадёт 15 вольт, из этого следует, что номиналы резисторов должны соотносится как R2/R1 = 3/1. С другой стороны, так как резисторы соединены последовательно и через них течёт один и тот же ток, можно записать формулу.

Идём дальше, так как в схеме присутствует отрицательная обратная связь, напряжение на прямом и инверсном выводе должны быть равны. Когда Uвх = 0 на выходе ОУ будет 5 вольт(в данном случае ноль на входе — максимальное значение, значит на выходе должно быть максимальное значение равное 5 вольтам). В это же время на прямом входе ОУ будет 3.75 вольта, и эти же 3.75 будут на инверсном входе. Так как на выходе ОУ 5 вольт, а на инверсном входе 3.75, легко рассчитать соотношение R3 к R4(обычный делитель напряжения).

Предположив, что R1 и R4 равны 10К, получаем

Необходимо измерить напряжение, которое может изменяться от -10 до 10 вольт.

Сделать это очень просто, для этого надо создать смещение, чтобы при подаче -10 вольт на вход схемы на входе АЦП было 0 вольт, тогда при подаче 10 вольт на входе АЦП будет 5 вольт.

• на резисторах

Номиналы резисторов рассчитываются очень просто, когда мы подаём на левый вход R2 -10 вольт на его правом выводе должно быть 0 вольт, в таком случае ток через R3 не течёт, так как на его концах отсутствует разность потенциалов.

Ток, протекающий через R2, равен

Ток, протекающий через R1, равен

Так как резисторы R1 и R2 соединены последовательно, то и токи, протекающие через них равны.

Предположим R2 равен 10K, тогда R1 равен 5K.

Осталось рассчитать R3, для этого на левый вывод R2 подадим 10 вольт, при этом на правом выводе должно быть 5 вольт, в таком случае ток через R1 не течёт.

Ток через R2 равен току через R3, получаем

Минус схемы на резисторах, это то что R2 ограничивает ток, поступающий на вход АЦП и то что любой шум в цепи питания будет попадать на вход АЦП. Хотелось бы обратить внимание на то, что у АЦП есть такой параметр, как входное сопротивление, которое, как правило, зависит от частоты сэмплирования, ниже изображена таблица в которой показано как зависит сопротивление входа от периода преобразования АЦП для STM32

сопротивление источника сигнала должно быть меньше этого значения, а последовательно включеный резистор R2 явно его не уменьшает. Говоря простыми словами за короткий промежуток времени АЦП должно получить достаточный заряд чтобы работать с ним, а резистор, включённый последовательно с входом, не даёт этого сделать.

• сумматор на операционном усилителе

И снова нам поможет сумматор на операционном усилителе, как рассчитываются номиналы резисторов описано выше, но суть одна, надо взять два крайних значения, поступающего напряжения, при минимальном значении на выходе ОУ должен быть ноль, при максимальном должно быть 5 вольт(не забываем, что -VREF = 0, а +VREF = 5 вольт). Если необходимо измерять положительное и отрицательное напряжение, в качестве смещения удобно использовать половину опорного напряжения, то есть 2.5 вольта.
Вот что получилось в микрокапе, картинку можно увеличить кликнув по ней.

Схема на ОУ обладает низким выходным сопротивлением, то есть может отдавать большой ток и может быть пересчитана для измерения других напряжений, например, ±2.5 вольта.
В следующей статье мы рассмотрим ещё несколько способов измерения отрицательного напряжения с помощью АЦП.

Как измерить отрицательное напряжение с помощью АЦП, продолжение.

В прошлой статье мы рассмотрели несколько способов измерения отрицательного напряжения с помощью АЦП, в этой предлагаю рассмотреть ещё несколько способов, которые заслуживают внимания. Один из них можно увидеть в популярном сейчас конструкторе DSO138.

Как видно, в этой схеме не используется сумматор, но принцип работы схемы тот же, что описан в прошлой статье. Давайте вспомним его, необходимо задать смещение, равное половине динамического диапазона АЦП(в данном случае от 0 до 3.2), то есть когда на вход ОУ приходит 0 вольт, на выходе должно быть 1.6 вольта(это можно увидеть на схеме, пометка с двумя звёздочками). Дальше разработчики сделали так, по крайней мере, похоже на то, когда на вход ОУ приходит -0.8 вольта на выходе 0,07 вольта, а когда приходит 0.8 вольта, на выходе 3.27 вольта. В таком случае динамический диапазон АЦП составляет 3.2 вольта и видно, что напряжение 1.6 вольта не является его серединой, но для нас это не принципиально, нас больше интересует данный способ измерения.

Предлагаю смоделировать ситуацию, в которую попали инженеры, у них была схема, но не было номиналов резисторов(подобную схему встречал и в других моделях осциллографов, иногда она модернизирована и отрицательное напряжение получают с помощью шима и ОУ).

Пусть на прямой вход приходит 0 вольт, тогда на инвертирующем должно быть столько же, на выходе ОУ будет 1.6 вольта. В таком случае ток через R11 не течёт, нет разности потенциалов. Получается, что ноль на инвертирующем входе формирует делитель напряжения образованный R9 и R10.

На схеме видно, что падение напряжения на R10 в 3.125 раза больше чем падение на R9, так как резисторы соединены последовательно, следовательно их сопротивления относятся примерно как R10/R9 = 3/1. Предположим, что R9 = 1K, а R10 = 3K.

Пусть на прямой вход ОУ приходит 0,8 вольта, на инверсном будет столько же, а на выходе ОУ будет 3.27 вольта. На R9 в такой ситуации будет падать 2.47 вольта и протекать ток равный 2.47mA.

Дальше этот ток разделится и потечёт через R10 и R11.

Давайте рассмотрим какой ток будет протекать через R10.

I10 = (0.8 — (-5))/3000 = 1.93mA

Ток протекающий через R11 равен разности токов через R9 и R10.

I11 = 2.47 — 1.93 = 0.54mA

Разделим 0.8 вольта на 0.54mA и получим номинал R11

R11 = 0.8/0.54 = 1.48K

Смотрим на схему и видим, что полученное значение немного отличается от действительного(1.5K), одна из причин этому то, что мы не учитывали напряжение смещения ОУ.

Давайте промоделируем схему в микрокапе при разных входных напряжениях.

Картинки выше подтверждают расчёты, единственной загадкой остаётся, почему в схеме пишут, что при подаче 0 вольт на вход ОУ, на его выходе будет 1.6 вольта.

P.S По ходу вычислений было сделано два приближения, первое — то что R10/R9 = 3, хотя у нас получилось 3.125, второе — то что при расчётах не было учтено напряжение смещения ОУ. В общем такой результат нельзя назвать положительным, поэтому попросил знакомого, у которого есть DSO138 , что бы он измерил напряжение на выходе ОУ в режиме GND(ну не может быть там 1.6 вольта думал я). И действительно, в режиме GND на выходе ОУ оказалось 1.67 вольта и это всё ставит на свои места. Исправлять расчёты в статье не буду, но каждый желающий может сделать это самостоятельно, так как теперь знает методику расчёта.