[go: up one dir, main page]

RU2465628C1 - Microenergy converter of unipolar voltage into bipolar - Google Patents

Microenergy converter of unipolar voltage into bipolar Download PDF

Info

Publication number
RU2465628C1
RU2465628C1 RU2011144911/08A RU2011144911A RU2465628C1 RU 2465628 C1 RU2465628 C1 RU 2465628C1 RU 2011144911/08 A RU2011144911/08 A RU 2011144911/08A RU 2011144911 A RU2011144911 A RU 2011144911A RU 2465628 C1 RU2465628 C1 RU 2465628C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
output
converter
operational amplifier
inverter
divider
Prior art date
Application number
RU2011144911/08A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Сергей Васильевич Мацыкин (RU)
Сергей Васильевич Мацыкин
Original Assignee
Федеральное государственное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования Военная академия Ракетных войск стратегического назначения имени Петра Великого МО РФ
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования Военная академия Ракетных войск стратегического назначения имени Петра Великого МО РФ filed Critical Федеральное государственное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования Военная академия Ракетных войск стратегического назначения имени Петра Великого МО РФ
Priority to RU2011144911/08A priority Critical patent/RU2465628C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2465628C1 publication Critical patent/RU2465628C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Dc-Dc Converters (AREA)
  • Amplifiers (AREA)

Abstract

FIELD: electricity.
SUBSTANCE: microenergy converter of unipolar voltage into bipolar one is proposed, comprising an input voltage divider from serially connected first and second resistors, an operational amplifier, the inverting input of which is connected with the middle point of the divider, and also with an output of the operational amplifier via the third resistor, and the output of the operational amplifier is connected via an inductor, to the output of the converter, besides, the output of the converter is connected to a non-inverting input of the operational amplifier, and the output of the converter is connected to poles of the input voltage source via the first and second filtering capacitors, at the same time it additionally comprises a logical element-CMOS inverter, at the same time the output of the operational amplifier is connected to the inverter input, and the inverter output is connected to the point of connection of the third resistor and the inductor, at the same time the inverting input of the operational amplifier is connected with the middle point of the divider and the output of the inverter via the third resistor, and the non-inverting input of the operational amplifier is connected to the converter output.
EFFECT: development of a converter of unipolar voltage into bipolar one, which has high efficiency that does not depend on load current, also in microenergy mode of consumption.
2 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в источниках вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры.The invention relates to the field of electrical engineering and can be used in sources of secondary power supply of electronic equipment.

Часто при питании электронных устройств от однополярного источника напряжения возникает необходимость получения двух симметричных относительно общей точки (земли) напряжений. Особенно часто такие случаи возникают, если в качестве источников используются гальванические элементы и аккумуляторы. Симметричное напряжение необходимо для питания операционных усилителей, которые обычно должны усиливать входные сигналы обеих полярностей. Также могут нуждаться в двуполярном питании усилители мощности, усилители постоянного тока, симметричные ключи, интегральные микросхемы аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразователей и другие элементы и устройства электронной аппаратуры. В подобных случаях используются преобразователи однополярного напряжения в двуполярное («искусственные средние точки»).Often when powering electronic devices from a unipolar voltage source, it becomes necessary to obtain two voltages that are symmetrical with respect to a common point (earth). Especially often, such cases arise if galvanic cells and batteries are used as sources. Balanced voltage is needed to power operational amplifiers, which typically should amplify input signals of both polarities. Power amplifiers, DC amplifiers, symmetric keys, integrated circuits of analog-to-digital and digital-to-analog converters, and other elements and devices of electronic equipment may also need bipolar power. In such cases, converters of unipolar voltage to bipolar ("artificial midpoints") are used.

Простейшим и широко используемым аналогом такого преобразователя является резистивный делитель напряжения, средняя точка которого соединена с общей точкой (землей). Схема и принцип работы такого преобразователя тривиальны и многократно описаны в литературе, например в [1]. Общеизвестно, что номиналы обоих входящих в делитель резисторов должны быть одинаковы. Однако такие схемы имеют существенные недостатки, которые происходят из того, что для обеспечения симметрии двух получаемых напряжений требуется точное деление входного напряжения пополам. Для выполнения этого условия необходимо, чтобы ток, отбираемый нагрузкой от делителя, был во много раз меньше тока, протекающего через сам делитель. При этом значительная часть потребляемой от источника питания мощности теряется бесполезно на нагрев резисторов делителя. Особенно остро данный недостаток проявляется при использовании автономных источников питания ограниченной емкости (гальванических элементов и аккумуляторов). Кроме того, стабильность симметрии получаемых напряжений в такой схеме весьма невысока, т.к. для получения высокой стабильности требуется пропускать через делитель очень большой ток, что невозможно. Поэтому на практике точность симметрии напряжений обычно не превышает нескольких процентов, что явно недостаточно, например, при использовании в измерительных приборах.The simplest and most widely used analog of such a converter is a resistive voltage divider, the middle point of which is connected to a common point (ground). The scheme and principle of operation of such a converter are trivial and repeatedly described in the literature, for example, in [1]. It is well known that the values of both resistors included in the divider must be the same. However, such circuits have significant drawbacks that arise from the fact that in order to ensure the symmetry of the two resulting voltages, an exact division of the input voltage in half is required. To fulfill this condition, it is necessary that the current taken by the load from the divider be many times less than the current flowing through the divider itself. In this case, a significant part of the power consumed from the power source is lost uselessly for heating the resistors of the divider. This drawback is especially acute when using autonomous power supplies of limited capacity (galvanic cells and batteries). In addition, the stability of the symmetry of the resulting stresses in such a circuit is very low, because To obtain high stability, it is necessary to pass a very large current through the divider, which is impossible. Therefore, in practice, the accuracy of voltage symmetry usually does not exceed a few percent, which is clearly not enough, for example, when used in measuring instruments.

С целью уменьшения бесполезных потерь мощности на делителе применяют активные делители, содержащие резистивный делитель и повторитель напряжения на основе операционного усилителя (ОУ), выходной ток которого усиливается симметричным эмиттерным повторителем на комплементарной паре транзисторов. В этом случае (учитывая высокое входное сопротивление ОУ) резисторы делителя можно выбирать весьма больших номиналов и потери мощности на них будут незначительны. Собственное потребление мощности современных ОУ также весьма невелико. Точность и стабильность поддержания симметрии выходных напряжений в подобных схемах могут быть весьма высоки.In order to reduce useless power losses on the divider, active dividers are used, containing a resistive divider and a voltage follower based on an operational amplifier (OA), the output current of which is amplified by a symmetric emitter follower on a complementary pair of transistors. In this case (given the high input impedance of the op-amp), the resistors of the divider can choose very large ratings and the power loss on them will be negligible. The own power consumption of modern op-amps is also very small. The accuracy and stability of maintaining the symmetry of the output voltages in such schemes can be very high.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является [2] включающий делитель входного напряжения из последовательно включенных резисторов R1 и R2 операционный усилитель, неинвертирующий вход которого подключен к средней точке делителя и к эмиттерам транзисторов через резистор R3, а выход подключен к базам транзисторов VT1 и VT2 типов n-p-n и p-n-p соответственно, а эмиттеры этих транзисторов через индуктивность подключены к выходу преобразователя, причем выход преобразователя подключен к инвертирующему входу операционного усилителя, а коллекторы n-p-n и p-n-p транзисторов подключены соответственно к положительному и отрицательному полюсам источника входного напряжения, а выход преобразователя подключен к полюсам источника входного напряжения через фильтрующие конденсаторы С1 и С2. Схема данного преобразователя представлена на фигуре 1.Closest to the proposed invention is [2] including an input voltage divider from series-connected resistors R1 and R2, an operational amplifier, the non-inverting input of which is connected to the midpoint of the divider and to the emitters of transistors through resistor R3, and the output is connected to the bases of transistors VT1 and VT2 of types npn and pnp, respectively, and the emitters of these transistors are connected through an inductance to the output of the converter, the output of the converter being connected to the inverting input of the operational amplifier, and the collector ry n-p-n and p-n-p transistors are respectively connected to positive and negative poles of a source of input voltage and the inverter output is connected to the poles of a source of input voltage through C1 and C2 are filter capacitors. The circuit of this converter is shown in figure 1.

Однако такой преобразователь также не лишен недостатков, которые являются следствием использования в нем биполярных транзисторов, требующих определенной мощности для управления, что приводит к снижению коэффициента полезного действия (кпд). Особенно данный недостаток заметен в микромощном режиме, т.е. при малой мощности, отбираемой от преобразователя, в этом случае мощность, затрачиваемая на управление транзисторами, может стать основной составляющей в общем потреблении преобразователя от источника питания.However, such a converter is also not without drawbacks, which are a consequence of the use of bipolar transistors in it, which require a certain power for control, which leads to a decrease in the efficiency (efficiency). This drawback is especially noticeable in micropower mode, i.e. at low power taken from the converter, in this case, the power spent on controlling the transistors can become the main component in the total consumption of the converter from the power source.

Целью настоящего изобретения является создание преобразователя однополярного напряжения в двуполярное, который имеет высокий кпд, не зависящий от тока нагрузки, в том числе и в микромощном режиме потребления.The aim of the present invention is to provide a converter of unipolar voltage to bipolar, which has a high efficiency that does not depend on the load current, including in micropower consumption mode.

Указанная цель достигается тем, что в известной схеме преобразователя однополярного напряжения в двуполярное, включающей делитель входного напряжения из последовательно включенных резисторов R1 и R2, операционный усилитель, неинвертирующий вход которого подключен к средней точке делителя и к эмиттерам транзисторов через резистор R3, а выход подключен к базам транзисторов VT1 и VT2 типов n-p-n и p-n-p соответственно, а эмиттеры этих транзисторов через индуктивность подключены к выходу преобразователя, причем выход преобразователя подключен к инвертирующему входу операционного усилителя, а коллекторы n-p-n и p-n-p транзисторов подключены соответственно к положительному и отрицательному полюсам источника входного напряжения, а выход преобразователя подключен к полюсам источника входного напряжения через фильтрующие конденсаторы С1 и С2, произведена замена биполярных транзисторов VT1 и на один логический элемент-инвертор КМОП DD1, при этом выход операционного усилителя подключен ко входу инвертора, куда ранее были подключены базы транзисторов, а выход инвертора подключен к точке соединения резистора R3 и индуктивности L, куда ранее были подключены эмиттеры транзисторов, а также поменены местами инвертирующий и неинвертирующий входы операционного усилителя. (Цепи питания инвертора DD1 на схеме не показаны: инвертор питается от источника входного напряжения.)This goal is achieved by the fact that in the known circuit of the converter of unipolar voltage to bipolar, including an input voltage divider from series-connected resistors R1 and R2, an operational amplifier, the non-inverting input of which is connected to the midpoint of the divider and to the transistor emitters through resistor R3, and the output is connected to the bases of transistors VT1 and VT2 of types npn and pnp, respectively, and the emitters of these transistors are connected through an inductance to the output of the converter, and the output of the converter is connected to to the operating input of the operational amplifier, and the collectors of npn and pnp transistors are connected respectively to the positive and negative poles of the input voltage source, and the output of the converter is connected to the poles of the input voltage source through filter capacitors C1 and C2, the bipolar transistors VT1 and one logical inverter element are replaced CMOS DD1, while the output of the operational amplifier is connected to the inverter input, where the transistor bases were previously connected, and the inverter output is connected to the connection point ineniya of resistor R3 and inductance L, where transistor emitters had previously been connected, and the inverting and non-inverting inputs of the operational amplifier were interchanged. (The power circuits of the DD1 inverter are not shown in the diagram: the inverter is powered by an input voltage source.)

Отличительным признаком предлагаемого устройства является замена составного эмиттерного повторителя (ЭП) на инвертор КМОП, что позволяет повысить кпд преобразователя в микромощном режиме потребления.A distinctive feature of the proposed device is the replacement of a composite emitter follower (EF) with a CMOS inverter, which allows to increase the efficiency of the converter in micropower consumption mode.

Принцип работы преобразователя рассмотрим по схеме, представленной на фигуре 2.The principle of operation of the Converter consider the scheme shown in figure 2.

В прототипе ОУ вместе с ЭП работают в режиме компаратора с гистерезисом. Зона гистерезиса небольшой ширины (порядка нескольких единиц или десятков мВ) создается за счет положительной обратной связи, которой охватывается ОУ вместе с ЭП через резистор R3. При этом транзисторы ЭП работают в ключевом режиме. Средняя величина импульсного напряжения на выходе ЭП будет равна напряжению на выходе резистивного делителя, т.е. половине напряжения входного источника. Индуктивность L совместно с конденсаторами С1 и С2 образуют фильтр, сглаживающий пульсации импульсного напряжения, в результате чего напряжение на средней точке преобразователя будет пульсировать относительно половины напряжения входного источника с полным размахом, равным ширине зоны гистерезиса, т.е. весьма незначительно. Частота генерации зависит от ширины зоны гистерезиса и от параметров фильтра, т.е. от величин L, С1, С2, а также от тока нагрузки. При использовании в такой схеме современного ОУ с высоким входным сопротивлением и малым собственным потреблением основная мощность, потребляемая преобразователем на холостом ходу и при микромощной нагрузке, будет состоять из затрат мощности на управление транзисторами ЭП.In the prototype op-amps, together with the EF, they operate in the comparator mode with hysteresis. The hysteresis zone of small width (of the order of several units or tens of mV) is created due to the positive feedback, which covers the op-amp together with the electromotive force through resistor R3. In this case, the transistors of the EP work in key mode. The average value of the pulse voltage at the output of the EM will be equal to the voltage at the output of the resistive divider half the voltage of the input source. The inductance L together with the capacitors C1 and C2 form a filter that smooths out the pulsation of the pulse voltage, as a result of which the voltage at the midpoint of the converter will pulsate relative to half the voltage of the input source with a full amplitude equal to the width of the hysteresis zone, i.e. very slightly. The generation frequency depends on the width of the hysteresis zone and on the filter parameters, i.e. from the values of L, C1, C2, as well as from the load current. When using a modern op-amp with such a high input impedance and low intrinsic consumption in such a circuit, the main power consumed by the converter at idle and at micropower load will consist of the cost of power for controlling the transistors of the electric power.

В предлагаемой схеме вместо составного ЭП на комплементарной паре биполярных транзисторов, выполняющего функцию усилителя тока ОУ, применен инвертор КМОП-логики (например, из состава интегральных микросхем 561 или 564 серии). Данный инвертор содержит в себе комплементарные полевые транзисторы с изолированным затвором (МОП-транзисторы), которые практически не требуют затрат мощности на управление. По этой причине собственное потребление такого инвертора весьма невелико и существенно меньше, чем у ЭП на биполярных транзисторах. Поскольку логический элемент DD1 инвертирует выходной сигнал ОУ, т.е. по сути меняет местами назначение инвертирующего и неинвертирующего входов ОУ, то для сохранения работоспособности преобразователя указанные входы ОУ поменены местами по отношению к прототипу.In the proposed circuit, instead of a composite electromotive force on a complementary pair of bipolar transistors, which performs the function of an op amp current amplifier, a CMOS logic inverter is used (for example, from 561 or 564 series integrated circuits). This inverter contains complementary insulated gate field effect transistors (MOS transistors), which practically do not require power consumption for control. For this reason, the intrinsic consumption of such an inverter is very small and significantly less than that of the electronic devices on bipolar transistors. Since the logic element DD1 inverts the output signal of the op-amp, i.e. essentially interchanges the purpose of the inverting and non-inverting inputs of the op-amp, then to preserve the operability of the converter, the specified inputs of the op-amp are interchanged with respect to the prototype.

В результате предлагаемый микромощный преобразователь однополярного напряжения в двуполярное позволяет существенно повысить коэффициент полезного действия, а также уменьшить габариты и массу преобразователя за счет замены двух транзисторов на один интегральный логический элемент.As a result, the proposed micropower converter of unipolar voltage to bipolar can significantly increase the efficiency, as well as reduce the size and weight of the converter by replacing two transistors with one integrated logic element.

Источники информацииInformation sources

1. Шустов М.А. Практическая схемотехника. Преобразователи напряжения. Книга 3. М.: ДОДЭКА XXI век, 2007.1. Shustov M.A. Practical circuitry. Voltage converters. Book 3. M.: DODEKA XXI century, 2007.

2. Зайцев М.А., Мацыкин С. В., Сухов А.В. Преобразователь однополярного напряжения в двуполярное. Патент №2850217, 2008.2. Zaitsev M.A., Matsykin S.V., Sukhov A.V. Unipolar to bipolar voltage converter. Patent No. 2850217, 2008.

Claims (1)

Микромощный преобразователь однополярного напряжения в двуполярное, включающий делитель входного напряжения из последовательно включенных первого и второго резисторов, операционный усилитель, инвертирующий вход которого соединен со средней точкой делителя, а также с выходом операционного усилителя через третий резистор, а выход операционного усилителя подключен через индуктивность, к выходу преобразователя, причем выход преобразователя подключен к неинвертирующему входу операционного усилителя, а выход преобразователя подключен к полюсам источника входного напряжения через первый и второй фильтрующие конденсаторы, отличающийся тем, что в него дополнительно введен логический элемент-инвертор КМОП, при этом выход операционного усилителя подключен к входу инвертора, а выход инвертора подключен к точке соединения третьего резистора и индуктивности, при этом инвертирующий вход операционного усилителя соединен со средней точкой делителя и выходом инвертора через третий резистор, а неинвертирующий вход операционного усилителя подключен к выходу преобразователя. A micropower converter of unipolar to bipolar voltage, including an input voltage divider from series-connected first and second resistors, an operational amplifier whose inverting input is connected to the midpoint of the divider, as well as to the output of the operational amplifier through a third resistor, and the output of the operational amplifier is connected through inductance, to the output of the converter, and the output of the converter is connected to a non-inverting input of the operational amplifier, and the output of the converter is connected to the poles of the input voltage source through the first and second filtering capacitors, characterized in that it additionally contains a CMOS inverter logic element, while the output of the operational amplifier is connected to the inverter input, and the inverter output is connected to the connection point of the third resistor and inductance, while the inverting input of the operational amplifier is connected to the midpoint of the divider and the inverter output through a third resistor, and the non-inverting input of the operational amplifier is connected to the output of the converter.
RU2011144911/08A 2011-11-08 2011-11-08 Microenergy converter of unipolar voltage into bipolar RU2465628C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011144911/08A RU2465628C1 (en) 2011-11-08 2011-11-08 Microenergy converter of unipolar voltage into bipolar

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011144911/08A RU2465628C1 (en) 2011-11-08 2011-11-08 Microenergy converter of unipolar voltage into bipolar

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2465628C1 true RU2465628C1 (en) 2012-10-27

Family

ID=47147594

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2011144911/08A RU2465628C1 (en) 2011-11-08 2011-11-08 Microenergy converter of unipolar voltage into bipolar

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2465628C1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1267619A1 (en) * 1984-07-02 1986-10-30 Научно-исследовательский институт электронной интроскопии при Томском политехническом институте им.С.М.Кирова Analog-to-digital converter
US7414371B1 (en) * 2005-11-21 2008-08-19 Microsemi Corporation Voltage regulation loop with variable gain control for inverter circuit
RU86755U1 (en) * 2009-03-24 2009-09-10 Открытое Акционерное Общество "Александровский научно-исследовательский институт телевизионной техники "РЕКОРД" RMS CONVERTER
RU2368938C1 (en) * 2008-07-15 2009-09-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Военная академия Ракетных войск стратегического назначения имени Петра Великого Converter of unipolar voltage into bipolar voltage

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1267619A1 (en) * 1984-07-02 1986-10-30 Научно-исследовательский институт электронной интроскопии при Томском политехническом институте им.С.М.Кирова Analog-to-digital converter
US7414371B1 (en) * 2005-11-21 2008-08-19 Microsemi Corporation Voltage regulation loop with variable gain control for inverter circuit
RU2368938C1 (en) * 2008-07-15 2009-09-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Военная академия Ракетных войск стратегического назначения имени Петра Великого Converter of unipolar voltage into bipolar voltage
RU86755U1 (en) * 2009-03-24 2009-09-10 Открытое Акционерное Общество "Александровский научно-исследовательский институт телевизионной техники "РЕКОРД" RMS CONVERTER

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TWI451112B (en) Battery management system
US8760169B2 (en) Operational amplifier with different power supply voltages
TW200511700A (en) Switching power supply
US20080284403A1 (en) High-side current sense circuit with common-mode voltage reduction
CN102594136B (en) DC to DC converter
US8866339B2 (en) Power management circuit
WO2016036644A1 (en) Asymmetric h-bridge in a class d power amplifier
RU2368938C1 (en) Converter of unipolar voltage into bipolar voltage
KR20140034949A (en) Circuit for measuring integral value
RU2465628C1 (en) Microenergy converter of unipolar voltage into bipolar
CN112202231B (en) Wireless charging demodulation circuit
JP6868492B2 (en) Pulse generation circuit
US20140050335A1 (en) Very High Fidelity Audio Amplifier
CN208401817U (en) signal control circuit
JP2015503176A (en) Circuit for small appliance with accumulator and method for measuring charging current
JP5510846B2 (en) Resonant type DCDC converter
WO2012039209A1 (en) Rechargeable electric apparatus
CN215116473U (en) Current detection circuit, car machine and vehicle
RU2538301C1 (en) Half bridge galvanic isolated pulse-power amplifier
RU2206166C2 (en) Storage battery charging device
Sekiya et al. Operation of class DE amplifier outside optimum condition
Lu et al. A sub-1V voltage-mode DC-DC buck converter using PWM control technique
CN109560781B (en) Signal amplifying circuit and battery management system
CN217590583U (en) Isolated power output sampling circuit
Christoforou A chopper-based CMOS current sense instrumentation amplifier [for GSM]

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20131109