4.4. Перетворювачі напруги на комутаційних конденсаторах (зарядовий насос).

Перетворювачі напруги на комутаційних конденсаторах здатні створювати вихідну постійну напругу, більшу ніж вхідну або навіть протилежної полярності.

На рис. 4.7 показана спрощена схема КМОН IC 7662 фірми Intersil з розширеною вторинною частиною (обв’язкою). Вона має внутрішній генератор і декілька ключів КМОН; для її роботи необхідні два зовнішніх конденсатора. Якщо вхідна пара ключів замкнена (в провідному стані) С₁, заряджається до U_вх; після цього під час другого напівциклу С₁, відмикається від входу і під’єднується в перевернутому стані до виходу. Таким чином, він передає свій заряд на С₂ (і навантаження), забезпечуючи на виході напругу, рівну приблизно -U_вх. З іншого боку, ви можете використати 7662 для формування напруги 2 U_вх, організувавши схему таким чином, що С₁ буде заряджуватись так, як і раніше, але після цього на другій половині циклу буде вмикатись послідовно з U_вх.

Рисунок 4.7. Інвертор напруги з КК Рисунок 4.8. Вихідна напруга

С₁ і С₂ зовнішні танталові конденсатори інвертора з КК під навантаженням

ємністю 10 мкФ значно зменшується

Такий спосіб побудови простий і ефективний; для його реалізації необхідно усього декілька компонентів (індуктивності не потрібні). Однак вихід схеми не стабілізований і істотно падає при струмах навантаження більше декількох міліампер (рис. 4.8). Крім того, більшість таких КМОН-приладів мають обмежений діапазон напруг живлення; для 7662 U_вх може мінятися в діапазоні тільки від 4.5 до 20 В. Нарешті, на відміну від індуктивних і інвертуючих схем, що можуть генерувати будь-яку напругу, перетворювач напруги на комутаційних конденсаторах може формувати напруги кратні U_вх.

Незважаючи на ці недоліки, перетворювачі на конденсаторах за певних умов дуже зручні, наприклад, для того щоб забезпечити живлення біполярних операційних підсилювачів або послідовного порта на схемній платі, що має живлення тільки +5 В.

Існують ще декілька цікавих ІС на комутаційних конденсаторах. МАХ680 фірми Maxim-це подвійне джерело, що виробляє ±10 В ((до 10 мА) від +5 В (рис. 4.9). Схожа схема LT1026 фірми LTC формує вихід 20 В ((до 20 мА) і використовує менші ємності (1 мкФ замість 20 мкФ). Схема LT1054 фірми LTC поєднує перетворювач на комутаційних конденсаторах з лінійним стабілізатором і виробляє достатньо потужний стабілізований вихід з струмами навантаження 100 мА (при більш низькому КПД, зрозуміло). Схеми серії МАХ232 і схема LT1080 об'єднують джерело на комутаційних конденсаторах ±10 В і цифровий послідовний порт RS-232C; деякі ІС з серії МАХ232 містять навіть вбудовані конденсатори.

Рисунок 4.9. Подвійне джерело напруги з комутаційними конденсаторами

( Ом, ємність конденсаторів 1 мкФ).

4.5. ГЕНЕРАТОРИ НА КОМУТАЦІЙНИХ КОНДЕНСАТОРАХ.

Завдяки ефекту імітації опору можна побудувати велику кількість схем генераторів на комутаційних конденсаторах на основі класичних RC-схем. Наведемо спочатку схему простого генератора прямокутного сигналу, який є модифікацією відомої схеми типу тригера Шмідта. Блок-схема такого генератора наведена на рис. 4.10.

Рисунок 4.10. Генератор типу інтегратор-компаратор на комутаційних конденсаторах

Генератор складається з інтегратора з конденсаторами, що перемикаються, побудованого на основі ОП з конденсатором С₂, який не перемикається, і комутованого конденсатора С₁,та компаратора, побудованого на ОП2. Ключ S₃ забезпечує гістерезис компаратора, причому ширина петлі гістерезису складає 2U_о. Ключ S₁ перемикається вхідним сигналом з частотою f₁, а ключі S₂, S₃ керуються вихідним сигналом компаратора. Будемо вважати, що ємності C₁ і C₂ задовольняють умові C₂ >> C₁.

Коли на вході компаратора низький рівень, ключі S₂ і S₃ знаходяться в непарному стані (о). Протягом кожного періоду Т₁=1/f₁ вхідного сигналу комутований конденсатор С₁ передає конденсатору C₂ заряд q = – С₁U_о. Напруга и’ на виході інтегратора зростає східчасто, причому ці східці рівно відстоять в часі на період T₁ і мають однакову висоту (рис. 4.11)

U = U_oC1/C2

Рисунок 4.11. Часова діаграма сигналів, яка пояснює роботу схеми, наведеної на рис. 4.10.

Коли и’ стає більше +U_o, компаратор перемикає ключі S₂, S₃ в стан е. Тепер протягом кожного періоду T1 вхідного сигналу на конденсатор C2 буде надходити заряд q = C₁·U_o. Напруга и’ дискретно зменшується до величини - U_о, після чого компаратор перемикає ключі в стан о і цикл повторюється. Із рис. 4.11 і співвідношення для U

T₂/T₁ = f₁/f₂ = 2C₂/C₁

Схему, таким чином, можна розглядати як подільник частоти з коефіцієнтом

p = f₁/f₂ = 2C₂/C₁

Недоліком генераторів на комутованих конденсаторах являється флуктуація фази. Цей ефект проявляється в зміні часу утворення окремих одиничних періодів вихідного сигналу Т₂.

На рис. 4.12 наведено генератор з мостом Віна, у якого резистивна гілка мосту утворена комутаційними конденсаторами. У колі від’ємного зворотного зв’язку ОП використана класична схема, в якій завдяки використанню конденсаторів, що перемикаються, замість резистора, постійна часу змінюється синхронно зі зміною періоду вихідного сигнала генератора.

Рисунок 4.12. Генератор з мостом Віна на комутаційних конденсаторах

Усі ключі перемикаються сигналом f_c = f_m. Частота f_o вихідного синусоїдального сигналу визначається з класичної формули:

f_o = 1/2RC_p = f_cC_R/2C_p ,

де R = 1/ f_cC_R – опір, який імітується комутованими конденсаторами.