Przetwornica
napięcia
2110
·prosta konstrukcja i Å‚atwość wykonania
·niska cena wynikajÄ…ca z zastosowania popu-
larnych elementów
·duża sprawność przetwarzania
·możliwość zmontowania na pÅ‚ytce uniwersalnej
elementów biernych. Niestety póki co, RS232, lub do zasilania komparatorów
Do czego to służy?
nie każdy hobbysta może takie kostki czy wzmacniaczy operacyjnych współ-
W praktyce elektronika zdarza siÄ™
kupić: są jeszcze za mało popularne, pracujących z układem cyfrowym.
dość często, że na jednej płytce druko-
a przy tym dość drogie. Przedstawiony dalej prosty układ oka-
wanej umieszczone są zarówno układy
Czytelnicy EdW póki co, nie projektu- że się bardzo pożyteczny, gdy potrzeba
analogowe, jak i cyfrowe. Układy cyfro-
ją sprzęgów analogowo-cyfrowych, pra- z pojedynczego napięcia wytworzyć
we najczęściej zasilane są pojedynczym
cujących z rozdzielczością 10...12 bi- napięcia symetryczne o większej war-
napięciem 5V, natomiast analogowe
tów i częstotliwością przetwarzania rzę- tości, a wymagany prąd nie jest więk-
zwykle wymagają napięć symetrycz-
du dziesiątek megaherców. W takich szy niż 5...10mA.
nych, rzędu ą10V lub większych. Po-
precyzyjnych i szybkich układach po-
Jak to działa?
trzebne są więc dwa oddzielne zasila-
miarowych zawierających układy analo-
cze, albo trzeba zastosować odpowied-
gowe i cyfrowe problem zasilania, Schemat ideowy układu pokazany
nią przetwornicę. Na rynku dostępne są
a w szczególności sposób prowadze- jest na rysunku 1. Widać tu w zasadzie
specjalne scalone przetwornice, zaró- nia mas, jest jednym z najważniejszych dwie przetwornice: jedną podwajającą
wno wykorzystujÄ…cej cewkÄ™ indukcyjnÄ…, z inwerterami U1E, U1D i drugÄ… potra-
zadań, jakie stają przed konstruktorem.
jak i pojemnościowe. Niektóre takie jającą z inwerterami U1A, U1B, U1C.
Natomiast Czytelnicy EdW potrzebujÄ…
kostki mają rzeczywiście świetne para- przetwornicy na przykład do zasilania
metry i do wykonania kompletnej prze- wzmacniaczy operacyjnych z baterii lub
twornicy, oprócz układu scalonego, po- akumulatorów, do uzyskania wymaga-
trzebne jest tylko kilka zewnętrznych nych poziomów w łączu szeregowym
µ µ
µ
µ
&!
&!
µ µ µ µ
Rys. 2. Przebiegi napięć w ważniej-
Rys. 1. Schemat ideowy przetwornicy.
szych punktach układu.
43
ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 7/96
Pracą obu przetwornic steruje generator densator). Jeśli przelewalibyśmy wodę
zbudowany na inwerterze U1F. z bardzo dużej do bardzo małej szklan-
Zasada pracy przetwornicy pojem- ki, to poziom wody w dużej szklance
nościowej jest bardzo prosta; dla ułat- niewiele zmieniłby się nawet po napeł-
wienia analizy układu, na rysunku 2 nieniu małej szklanki. Ponieważ w na-
przedstawiono przebiegi napięć w waż- szym układzie wszystkie szklanki (kon-
niejszych punktach układu. densatory C2, C3, C4) mają równe po-
Przy analizie działania dla uproszcze- jemności, trzeba kilkakrotnie powtórzyć
nia założymy, że diody są idealne, i w kie- cykl przelewania, aby uzyskać na wy-
runku przewodzenia nie występuje na jściu potrzebne podwyższone napięcie.
nich żaden spadek napięcia. Na począ- W praktyce pojemność kondensato-
tek przyjmijmy, że przetwornica nie jest rów nie gra większej roli, o ile tylko od-
obciążona, czyli pracuje w stanie jałowym. powiednio duża jest częstotliwość pracy
Gdy na wyjściu bramki U1E występu- przetwornicy. Natomiast nigdy nie uda
je stan niski, kondensator C2 naładuje się uzyskać napięcia dokładnie trzy razy
się przez diodę D1 do napięcia równego większego, niż napięcie zasilające - na-
napięciu zasilania. W następnej fazie pięcie wyjściowe zawsze jest mniejsze.
Rys. 3. Schemat montażowy (płytka
cyklu pracy, na wyjściu bramki U1E poja- Wynika to po pierwsze ze spadku napię-
nie w skali).
wia się stan wysoki, a na wyjściu U1D - cia na diodach (w kierunku przewodze-
więc w przypadku kłopotów sprawdza-
niski. Naładowany kondensator C2 jest nia), a po drugie ze strat w wyjściowej
nie układu należy zacząć od generatora
niejako podniesiony i napięcie na jego rezystancji wewnętrznej bramek. Oczy-
z bramką U1F, którego częstotliwość
dodatniej okładzinie (punkt X) mierzone wiście, napięcie wyjściowe zależy od
powinna wynosić kilkadziesiąt kHz.
w stosunku do masy jest dwa razy prądu obciążenia.
W przypadku kostki 74HC14 genero-
większe niż napięcie zasilające układ Druga, dolna część układu - przetwor-
wany przebieg prostokÄ…tny powinien
(Ucc). W tej fazie dioda D1 jest spolary- nica napięcia ujemnego - składa się
mieć mniej więcej jednakowe czasy im-
zowana zaporowo, nie płynie przez nią z inwerterów U1A, U1B i U1C. Pracuje
pulsu i czasy przerwy. Przy kostce
żaden prąd. Prąd płynie natomiast przez ona na identycznej zasadzie, ale ponie-
74HCT14 współczynnik wypełnienia był-
diodę D2 i ładuje kondensator C3. Po- waż potrzebne są napięcia symetryczne
by inny, ponieważ układy te mają inne
nieważ napięcie na wyjściu bramki U1D względem masy, musi zawierać o jeden
poziomy progów logicznych (zgodne
jest równe zeru, kondensator C3 nałado- stopień więcej niż przetwornica napięcia
z poziomami TTL). Dlatego w przy-
wałby się do napięcia dwa razy większe- dodatniego.
padku zastosowania kostek 74HCT14
go niż napięcie zasilania Jeśli pojem- Dla uzyskania najlepszych rezultatów, w
dobrze jest dla uzyskania równych cza-
ność kondensatora C3 byłaby dużo układzie należy zastosować diody Schot-
sów impulsu i przerwy, wlutować rezys-
mniejsza od pojemności C2, to już w tej tky ego, mające niewielki spadek napię-
tor R2 (5,6kW) i diodÄ™ D8 (1N4148). Ale
fazie kondensator C3 naładowałby się cia w kierunku przewodzenia, oraz układy
uwaga! Elementy te nie sÄ… potrzebne,
praktycznie do napięcia, jakie występuje 74HC14 (lub ewentualnie 74HCT14),
jeśli użyta jest kostka 74HC14.
w punkcie X. Ponieważ jednak pojem- mające małą rezystancję wyjściową. Du-
Gdy czasy impulsu i przerwy będą
ność C3 jest równa pojemności C2, kon- żo gorszym rozwiązaniem jest użycie
równe, średnie napięcia na wszystkich
densator naładuje się do takiego napię- zwykłych diod krzemowych i kostki
wyjściach bramek (mierzone woltomie-
cia, dopiero po pewnej liczbie cykli pracy. CMOS 40106, która ma takie same funk-
rzem wskazówkowym) powinny być
W następnej fazie znów zmienią się cje i układ wyprowadzeń, ale znacznie
mniej więcej równe połowie napięcia za-
stany na wyjściach bramek: na wyjściu większą rezystancję wyjściową.
silajÄ…cego.
U1E pojawi się stan niski, a na wyjściu Przy zasilaniu napięciem 5V, na wy-
Cd. na str. 46
U1D - wysoki. Tym razem  podniesiony jściach WYJŚCIE+ i WYJŚCIE- w sta-
zostanie kondensator C3, i na jego do- nie jałowym uzyskuje się napięcia wyno-
datniej okładce (punkt Y) napięcie szące około +14,85V i -14,6V wzglę-
WYKAZ ELEMENTÓW
w stosunku do masy będzie trzykrotnie dem masy. Przy obciążeniu obu wyjść
większe od napięcia zasilającego Ucc. prądem rzędu 5mA napięcia wyjściowe Rezystory
Dioda D2 będzie teraz spolaryzowana wynoszą: +11,9V i -10,7V, a przy ob-
R1: 22kW
zaporowo, natomiast prąd popłynie ciążeniu prądem 10mA: +9,5V i -8,2V.
Kondensatory
przez diodę D3 i naładuje kondensator Kostkę 74HC14 można zasilać napię-
C1: 2,2nF
C4. Znów, jeśli pojemność C4 byłaby du- ciem w zakresie 3...6V, 74HCT14 -
C2, C3, C5, C6, C7: 4,7...22µF/
żo, dużo mniejsza od pojemności C3, 4,5...5,5V.
16V
kondensator wyjściowy C4 od razu nała-
Montaż i uruchomienie
C4, C8, C10: 47...100µF/16V
dowałby się do napięcia trzykrotnie więk-
C9: 100nF ceramiczny
szego niż napięcie Ucc. Montaż układu można wykonać
Wzajemne ładowanie kondensatorów w dowolny sposób. Egzemplarz mode- Półprzewodniki
możemy porównać do przelewania wody lowy pokazany na fotografii zmontowano
D1-D7: diody Schottky 0,1...0,2A
ze szklanki do szklanki. Poziom wody na małej płytce uniwersalnej PU-03. Ry- np. BAT83
w szklance odpowiada napięciu elekt- sunek 3 będzie pomocą w montażu.
U1: 74HC14
rycznemu. Woda może płynąć tylko Układ zwór (połączeń) nie jest krytyczny,
Elementy używane przy
z naczynia gdzie jest wyższy poziom, należy jednak minimalizować długość
zastosowaniu jako U1: 74HCT14
do naczynia gdzie poziom wody jest niż- połączeń.
(nie wchodzą w skład kitu AVT-
szy, a jest jasne, że poziom wody Układ bezbłędnie zmontowany ze
2210)
w szklance (napięcie) zmniejsza się sprawnych elementów nie wymaga uru-
R2: 5,6kW
jeśli woda w niej zawarta przepływa do chomiania. Przy montażu na płytkach
D8: 1N4148
innej szklanki (ładujemy następny kon- uniwersalnych łatwo jednak o pomyłki,
44 ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 7/96
WYKAZ ELEMENTÓW
Rezystory
R1: 33kW
Kondensatory
C1: 220nF
C2: 100µF/16V
C3: 2200µF/25V (lub 2x1000µF/
25V)
C4: 100nF, ceramiczny
Półprzewodniki
Rys. 2. Schemat montażowy.
w tym termiczne, które nie dopuszczą latora. Jeśli jednak miałby być zasilany
Montaż i uruchomienie
do uszkodzenia, gdyby radiator okazał z baterii, pojemność kondensatora C3
Pomocą w montażu układu będzie
się za mały. być może trzeba będzie zwiększyć, żeby
rysunek 2. Do tak prostego układu nie
Jak zwykle przy montażu wzmacnia- zabezpieczyć przed samowzbudzeniem
potrzeba płytki drukowanej - w ogrom-
cza mocy, należy zwrócić uwagę na na niskich częstotliwościach przy częś-
nej większości przypadków warto zasto-
przebieg połączenia masy do z
ródła za- ciowo wyczerpanych bateriach, gdy ich
sować montaż przestrzenny.
silania i do ewentualnego przedwzmac- rezystancja wewnętrzna wzrośnie.
Do budowy modelu użyto niewielkie-
niacza. Połączenie to powinno być moż- Układ zmontowany ze sprawnych ele-
go radiatora z blachy aluminiowej.
liwie krótkie i wykonane grubym prze- mentów nie wymaga uruchomiania i od
Prawdopodobnie okaże się on za mały
wodem. W modelu w roli C3 zastoso- razu pracuje poprawnie.
dla uzyskania pełnej mocy 24W przy
wano dwa kondensatory o pojemności
Piotr Górecki
pracy ciągłej, bowiem wtedy moc strat
po 1000µF. JeÅ›li ukÅ‚ad zasilany byÅ‚by
wynosi około 15W. Jednak do urządzeń,
z zasilacza posiadającego duże kon-
gdzie rzadko będzie wykorzystywana
densatory filtrujÄ…ce, kondensatora C3
Komplet podzespołów z płytką
cała moc wzmacniacza, taki radiator
nie trzeba stosować. Podobnie nie jest
jest dostępny w sieci handlowej
z powodzeniem wystarczy. Oczywiście
on potrzebny, jeśli wzmacniacz zasilany
AVT jako "kit szkolny" AVT-2111.
kostka ma wbudowane zabezpieczenia, byłby z blisko umieszczonego akumu-
Rys. 4. Przetwornica odwracająca. Rys. 5. Zwiększanie stopnia powielenia.
Cd. ze str. 44
Przy praktycznym stosowaniu opisy-
wanego modułu należy zwrócić uwagę
na zakłócenia impulsowe, jakie mogą
przedostawać się z przetwornicy do in-
nych części urządzenia. Aby je zminima-
lizować, w niektórych układach trzeba
będzie oprócz kondensatorów C9 i C10
Rys. 6. Zwiększanie liczby stopni.
zastosować dławik o indukcyjności od
kilkudziesięciu do kilkuset mikrohenrów,
włączony szeregowo w obwód szyny układ z rysunku 4. Z uwagi na równo- nicy według rysunku 6. Należy jednak
zasilającej +5V. ległe połączenie bramek, może on do- pamiętać, że zmniejsza się wtedy wy-
starczyć prądu znacznie większego niż dajność prądowa.
Uwagi końcowe
podana wcześniej przetwornica napięć
Piotr Górecki
Układ pokazany na rysunku 1 jest symetrycznych. Podobnie układ potraja-
przetwornicą dostarczającą napięć sy- cza napięcia z rysunku 5.
Komplet podzespołów z płytką
metrycznych. W wielu wypadkach po- Tak samo, jeśli potrzebne byłoby na-
jest dostępny w sieci handlowej
trzebne jest tylko wytworzenie napięcia pięcie dodatnie wyższe niż 12...14V,
AVT jako "kit szkolny" AVT-2110.
ujemnego. Wtedy można wykorzystać można zwiększyć liczbę stopni przetwor-
46 ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 7/96