RU2465628C1 - Microenergy converter of unipolar voltage into bipolar - Google Patents
Microenergy converter of unipolar voltage into bipolar Download PDFInfo
- 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
Links
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims abstract description 5
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims abstract 2
- 230000005611 electricity Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 3
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 2
- 230000001154 acute effect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000004870 electrical engineering Methods 0.000 description 1
- 230000005669 field effect Effects 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 230000010349 pulsation Effects 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Dc-Dc Converters (AREA)
- Amplifiers (AREA)
Abstract
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)
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)
| 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 |
-
2011
- 2011-11-08 RU RU2011144911/08A patent/RU2465628C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| 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 |