Варианты получения двухполярного питания

Недавно наткнулся на описания микросхемы ICL7107, которая является основой многих мультиметров прошлых лет и не требует значительной обвязки, и решил собрать на её базе миллиомметр. Эта микросхема требует двухполярное питание +5V/-5V и для быстрой проверки я использовал два блока питания на 5V, которые были соединены последовательно, а средняя точка выполняла роль общего провода (земли).

В случае лабораторного блока нет проблем получить -5V от отдельной обмотки трансформатора, но если рассматривать автономный вариант с питанием от батареи или аккумулятора, то всё немного сложнее. Я нашёл несколько вариантов схем для получения двухполярного питания из однополярного и протестировал их.

Средняя точка

Можно просто заменить два отдельных блока на 5V (такой вариант был в первоначальном тесте) двумя батарейками или аккумуляторами 9F22 (Крона) на выход которых подключены стабилизаторы 7805. Если ток до 100mA, то можно использовать 78L05.

Для тестирования использовались два линейных стабилизатора 78L05 и схема выдавала стабилизированные +5V и -5V. Ток холостого хода примерно 2mA и это зависит от применяемого стабилизатора (у L7805 он около 4mA).

 

Осциллограф не регистрировал никаких пульсаций свыше фоновых наводок (около 15mV если схема отключена).

 

При нагрузке в 25mA на каждый из выходов пульсации также не появились - это отличный результат, но есть несколько нюансов:

1. Напряжение разряженной 6F22 около 6V и это меньше чем требуется для стабильной работы L7805/78L05 (им нужно напряжение от 7V).
2. Нужны две батарейки или аккумулятора.
   

Схема "виртуальной земли" с использованием операционного усилителя и двух транзисторов.

Чтобы получить +5V и -5V на выходе, на вход схемы нужно подавать 10V. В случае автономного питания потребуется несколько батарей или аккумуляторов, подключённых последовательно или повышающий преобразователь. В последнем случае нужно ставить дополнительные фильтры или линейный стабилизатор (в этом случае на вход нужно подавать минимум 14V).

Ток холостого хода около 1mA и с пульсациями всё очень хорошо и нет разницы при работе без нагрузки и под нагрузкой.

555 таймер

На 555 таймере можно собрать схему инвертирования напряжения

При питании от 5V на выходе схемы без нагрузки -3.8V, а под нагрузкой в 1mA всего -2.4V. Чтобы на выходе схемы было -5V под нагрузкой питать её нужно от 7.75V. Ток холостого хода около 7mA.

Для измерения пульсаций при питании от 5V первый канал осциллографа подключён к питанию схемы, а второй канал - к выходу. Без нагрузки пульсации на выходе 60mV peak-to-peak, а по питанию - около 125mV peak-to-peak.

Под нагрузкой размах "иголок" уменьшился до 50mV peak-to-peak, но появилась заметная "пила".

Схема очень слаботочная и не даёт стабилизации напряжения, но при этом довольно проста и не требует никаких специфических компонентов.

Летающий конденсатор

Специализированные микросхемы, которые работают по принципу летающего конденсатора (flying capacitor): ICL7660, LMC7660, TC7660, TL7660, MAX1044, TC1044S и прочие.

Я тестировал TC7660 от Microchip и схема выдаёт -5V при входных +5V. Чтобы измерить пульсации подключил первый канал осциллографа к питанию схемы, а второй канал - к выходу. Без нагрузки на выходе присутствуют пульсации около 300mV peak-to-peak и по питанию около 270mV peak-to-peak.

При нагрузке в 1mA пульсации на выходе возрастают до 450mV peak-to-peak, а выходное напряжение снижается до -4.97V. Пульсации по линии питания при этом около 430mV peak-to-peak.

Импульсный преобразователь

Импульсные преобразователи вроде MC34063/MC33063 могут инвертировать напряжение

В даташите для схемы инвертора номинал R1 963Ω для -12V на выходе, чтобы получить -5V нужно заменить R1 на 2.7kΩ. Ток потребления без нагрузки около 16mA и пульсации на выходе около 1.16V и 800mV по питанию

под нагрузкой пульсации немного снизились (около 1V на выходе и 760mV по питанию) и возросла частота импульсов.

Даташит рекомендует дроссель с конденсатором на выходе, но вариант с 7660 выглядит более простым для слаботочных применений.

Выводы

Если требуется обеспечить отсутствие пульсаций по питанию, то нужно брать линейные варианты (две первые схемы со средней точкой).

Если пульсации допустимы и нужно всего несколько миллиампер то вариант с 7660 и дополнительным дросселем по выходу должен дать приемлемый вариант.

Ссылки:

1. https://vpayaem.ru/circuits_bipolar_suppl.html