Двухполярное питание из однополярного, или создание средней точки

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.

Рисунок 1. Создание средней точки резистивным делителем.

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.

  

Рисунок 3. Схема делителя напряжения для преобразования однополярного источника питания в двухполярный.
Рисунок 4. Изображение для изготовления печатной платы методом ЛУТ (зеркалить не требуется). Рисунок 5. Печатная плата делителя питания.

 

исунок 6. Монтажная схема делителя напряжения питания.

Рисунок 7. 3D-модель устройства. Рисунок 8. Внешний вид делителя питания.

Печатная плата выполнена на одностороннем фольгированном текстолите. Изображение на странице масштабировано, использовать его в процессе проблематично. Отпечаток платы в масштабе 1:1 находится в PDF файле проекта, который можно скачать в конце статьи, с него и печатайте.

В этом устройстве рекомендую применять многооборотный потенциометр (подстроечный резистор), с ним легче поймать половинку напряжения при настройке с желаемой точностью. Транзисторы можно взять и другие, всё зависит от мощности нагрузки и наличия. Мне требовалось запитать операционный усилитель с нагрузкой по выходу 1,5 мВт, поэтому особо подбором не заморачивался, взял то, чего было больше из старого распая. Правда, при случайном замыкании питания по крайним точкам у меня сгорел транзистор верхнего плеча и микросхема операционного усилителя схемы делителя. Возможно, тут требуются доработки в сторону защиты и усложнения схемы, но я предпочёл быть более осторожным, и просто заменил убитые детали.

Файл проекта можно скачать тут.