Vážení zákazníci, dovolujeme si Vás upozornit, že na tuto ukázku knihy se vztahují autorská práva, tzv. copyright. To znamená, že ukázka má sloužit výhradnì pro osobní potøebu potenciálního kupujícího (aby ètenáø vidìl, jakým zpùsobem je titul zpracován a mohl se také podle tohoto, jako jednoho z parametrù, rozhodnout, zda titul koupí èi ne). Z toho vyplývá, že není dovoleno tuto ukázku jakýmkoliv zpùsobem dále šíøit, veøejnì èi neveøejnì napø. umis ováním na datová média, na jiné internetové stránky (ani prostøednictvím odkazù) apod. redakce nakladatelství BE technická literatura redakce@ben.cz

6 ZAJÍMAVÉ APLIKACE ÁBOJOVÝCH PUMP Mnohé elektroniky zajímají obvodová øešení jednoduchých úloh, která se objevují v katalogových listech souèástek nebo aplikaèních poznámkách uveøejòovaných jejich výrobci, v èasopisech, knihách vìnujících se elektronice a nyní èasto i na Internetu, protože je èasto inspirují pøi øešení jejich problémù I když je tøeba zachovat ke všem tìmto pramenùm obezøetný pøístup chybovat je lidské a pøed využitím si je ovìøit pokud možno experimentálnì, mohou mnohdy ušetøit èas Proto jsou uvedeny i v této knize 6 1 APLIKAÈÍ ZAPOJEÍ Další kapitoly uvedou øešení mìnièù DC/DC jak s integrovanými obvody pro nábojové pumpy, které byly popsány v pøedchozím textu, tak i s použitím integrovaných obvodù pro jiné úèely i bìžných logických obvodù Ukážeme i nyní již historické, ale stále použitelné zapojení s tranzistory 6 1 1 Zvyšovací mìniè bez indukènosti s regulovaným výstupem má vysokou úèinnost [6] V systémech, u nichž se poèítá s mobilním provozem, se jako zdroj èasto využívají lithiové baterie, které mají jmenovité napìtí 3 V Pokud napájené zaøízení vyžaduje stabilní napìtí 5 V a odebírá do 100 ma, nabízí se využití zvyšovacího mìnièe doplnìného nízkoúbytkovým lineárním regulátorem napìtí IO2 zapojených podle obr 213 Vstupní napìtí pro zdvojovaè vytvoøený pomocí klasického obvodu 7660 z produkce firmy Maxim poskytuje primární lithiová baterie Duracell s jmenovitou kapacitou 1400 mah Schottkyho dioda D1 zajiš uje bezpeèný nábìh funkce spínaného zdroje a poté již jeho funkci neovlivòuje IO2 je lineární regulátor, kterému postaèí pøi zatížení 40 ma úbytek napìtí mezi vstupem a výstupem jen 40 mv Pøi uvedené zátìži nastane pokles výstupního napìtí na 4,5 V po 16 h nepøetržitého provozu Pokud by zátìž byla jen 20 ma, prodloužila by se tato doba na 36 h Klidový napájecí proud celého obvodu je 200 µa Pøi napìtí baterie U I = 3 V a zatížení výstupu 100 ma je úèinnost 81 %, pøi 20 ma asi 84 % Úèinnost s poklesem napìtí baterie roste a pøi U I = 2,7 V a zatížení výstupu 40 ma, dosahuje 90 % Když napìtí baterie klesne asi na 2,5 V, zmenší se napìtí na vstupu LBI IO2 pod 1,22 V hodnotu interního referenèního napìtí IO2 a interní MOSFET, jehož otevøený kolektor je vyveden na vývod LBO, se otevøe To lze využít pro upozornìní na potøebu výmìny baterie A ábojové pumpy funkce, pøehled a použití 143

Lithiová baterie LBO (O C) 150µF IO 1 IO 2 U OUT 5 V/100 ma Obr 213 ábojová pumpa s regulací 6 1 2 ižší pracovní kmitoèet zlepšuje úèinnost napì ové konverze ICL7660 [5] ICL7660 snadno zvládne pøemìnu vstupního napìtí v rozsahu 1,5 až 10 V na záporné napìtí 1,5 až 10 V Úèinnost funkce takového mìnièe závisí na klidovém odbìru ze zdroje, který je ovlivnìn kmitoètem interního oscilátoru f OSC této integrované nábojové pumpy Spínání interních spínaèù probíhá s kmitoètem f S = f OSC /2 tedy 4 až 5 khz Pøi doporuèené hodnotì dávkovacího C1 a støádacího kondenzátoru C2 10 µf má mìniè na obr 214 klidovou vlastní spotøebu 70 µa a je schopen poskytnout na výstupu 20 ma Po pøipojení externího kondenzátoru C OSC z vývodu 7 na zem se sníží jak kmitoèet oscilátoru, tak i odbìr obvodu ze zdroje Minimální hodnoty, nìco nad 10 µa se docílí, jak ukazuje obr 215, pøi kmitoètu 40 Hz Aby však se zvýšením úèinnosti nedošlo ke zvýšení zvlnìní proti výchozímu stavu, je tøeba U+ C OSC C1 U OUT C2 Obr 214 Snížením spínacího kmitoètu lze zvýšit úèinnost nábojové pumpy 144 ábojové pumpy funkce, pøehled a použití A

3URXGYODVWQtVSRW HE\, 4 > $@, 4 DSDFLWD DSDFLWD 26 >S)@ 6StQDFtPLWRþHW>+]@ Obr 215 Závislost spínacího kmitoètu, kapacity C OSC a proudu vlastní spotøeby pro invertor s ICL7660 také úmìrnì zvýšit kapacitu dávkovacího a støádacího kondenzátoru apø k nastavení spínacího kmitoètu na 400 Hz je tøeba mezi vývod 7 a zem pøipojit kondenzátor s kapacitou 100 pf a zvýšit kapacitu kondenzátorù C1 a C2 na 100 µf Proud vlastní spotøeby I Q pak klesne asi na 15 µa Pøi pøipojení kondenzátoru 1000 pf klesne tento proud na 10 µa, pokud se však ponechá C1 = C2 = 100 µf, lze mìniè sice zatížit jen 2 ma, ale úèinnost konverze bude až 98 % 6 1 3 ábojová pumpa s regulovaným výstupem 10 V/50 ma [7] a mìnièi ss napìtí podle obr 216 je zajímavé, že používá øídicí obvod IO1 urèený pro zvyšovací spínané regulátory s indukèností, ale na jejím místì a místì záchytné diody je zapojen ztrojovaè napìtí tvoøený diodami D1 D3, kondenzátory C1 C3 Spínaèe potøebné k jeho funkci jsou obsaženy v IO2 V porovnání s nábojovými pumpami s jednoèinným budièem, umožòuje zde použitá kombinace oddìlovaèe a invertoru v IO2 zatížit zdroj vìtším proudem Interní oscilátor v IO1 poskytuje na vývodu EXT (6) pravoúhlý signál s kmitoètem 50 khz a støídou blízkou 1 : 1, z kterého IO2 vyrobí dva protifázové signály pro spínání ztrojovaèe Výstupní napìtí je regulováno, jeho èást získaná dìlièem z rezistorù R1, R2 se v IO1 porovnává chybovým komparátorem s vnitøním referenèním napìtím 1,31 V a podle výsledku porovnání je uvolnìn èi pøerušen signál EXT Pro výstupní napìtí platí, že pøibližnì do zátìže 50 ma, je U OUT = = (1 + R1/R2) 1,31 a úèinnost je pøibližnì 70 % Výstupní napìtí lze nastavit až na 15 V, ovšem s úmìrnì nižším zatížením a obr 217 je závislost úèinnosti konverze napìtí na velikosti zátìže a místì D1 D3 je tøeba užít Schottkyho diody a kondenzátory A ábojové pumpy funkce, pøehled a použití 145

by mìly mít nízký ekvivalentní sériový odpor V zapojení je nakonec pøece jen indukènost feritový kroužek, kterým prochází výstupní vodiè Jejím úkolem je snížení zvlnìní, které má pøi zátìži 50 ma mezivrcholovou hodnotu asi 20 mv feritový kroužek výstup IO 1 IO 2 U FB Obr 216 Zvyšovací mìniè 5 V/10 V, 50 ma ~þlqqrvw>@, 287 P$ Obr 217 Závislost úèinnosti pumpy zapojené podle obr 216 na zatížení 6 1 4 Regulovaný spínaný zdroj bez indukènosti zvýšuje vstupní napìtí [9] Zapojení na obr 218 a obr 219 jsou variantami obvodu na obr 216 Opìt namísto obvyklé aplikace MAX641 v regulovaném spínaném zdroji s indukèností, v kterém je výstupní napìtí udržováno øízením proudu touto indukèností, øídí IO1 pøi tomto 146 ábojové pumpy funkce, pøehled a použití A

øešení zdroje tentokrát sí vytvoøenou z diod a kondenzátorù s obdobnými parametry pøi malé zátìži Vhodným zapojením této sítì lze získat témìø dvoj-, troji ètyønásobek vstupního napìtí Zapojením na prvém z obrázkù, které využívá jen samotný obvod MAX641, lze tentokrát bez pøevodu na protifázový signál získat ze vstupního napìtí 4,5 až 12 V regulované výstupní 12 V, ovšem jen do zátìže 2 ma Výstupní napìtí se opìt nastavuje dìlièem z rezistorù R1, R2 Pokud se podobnì jako v pøedchozím pøípadì výstup posílí neinvertujícím budièem IO2 podle obr 219, lze zátìž zvýšit až na 20 ma Když není zátìž pøipojena, je odbìr ze zdroje závislý na velikosti napájecího napìtí pøi U I = 4,5 V je to 130 µa, pøi 12 V pak 225 µa Proto je úèinnost nejvyšší pøi nízkém vstupním napìtí a pro zapojení na obr 218 je 74,4 % pøi U I = 4,5 V, ale pøi 12 V jen 36,8 % Pro druhé zapojení jsou tyto hodnoty 72,4 % a 43,9 % K aplikaci IO2 na obr 219 lze krátce uvést, že primárnì jde o dvojitý budiè výkonových tranzistorù MOSFET, jehož vstupy jsou kompatibilní s úrovnìmi TTL a CMOS a výstupy mají výstupní odpor jen 4 W až všechny diody +12 V/2 ma IO1 Obr 218 Tento obvod udrží pøi vstupním napìtí 4,5 až 12 V výstupní napìtí 12 V, ale jen do zatížení 2 ma 4,5 až 12 V všechny diody IO1 IO2 +12 V/20 ma Obr 219 Pøi buzení diodové nábojové pumpy z budièe tranzistorù MOS lze výstup zatìžovat až do 20 ma A ábojové pumpy funkce, pøehled a použití 147

6 1 5 Symetrické rozdìlení napìtí zdroje pomocí IO pro inverzi [10] ábojové pumpy jsou èasto užívány pro øešení potøeby zdroje symetrických napìtí tam, kde je k dispozici jediný napájecí zdroj Jedná se pøedevším o zapojení s jediným nebo nìkolika málo operaèními zesilovaèi Výhodné je, že symetrizátor, který vytvoøí taková napìtí pomocí nábojové pumpy potøebuje na desce plošných spojù rozhodnì menší plochu, než druhá baterie Možné zapojení je na obr 220 Po pøipojení napájecího napìtí je dávkovací kondenzátor C2 pøipojován støídavì k akumulaèním kondenzátorovým dvojicím C3/C4 a C5/C6 Tím je na nich udržováno stejné napìtí, které tedy musí být U I /2 Je-li zatížení mezi U I U OUT a U OUT 0 V stejné, odebírá IO1 asi 36 µa proudu vlastní spotøeby Aby bylo U OUT udrženo na U I /2 musí dávkovací kondenzátor dodávat jen rozdílový proud zpùsobený nesymetrií zátìže Pokud je zátìž vìtší než 1 ma, je úèinnost pøes 90 %, zároveò však roste nesymetrie, pøi 1 ma je ale stále ještì jen asi 10 mv Pøi menší zátìži je naopak symetrie velmi dobrá, ovšem úèinnost dosti rychle klesá, pøi zatížení 0,1 ma je již jen asi 55 % 287,2,1 0$; ± *1' 8 287 a 9 9 Obr 220 Rozdìlení napìtí zdroje na dvì poloviny 6 1 6 Pøemìna 3 V na 5 V [11] Základní zapojení nábojové pumpy, jak již víme, nepotøebují ke své èinnosti cívky a mohou vstupní napìtí jednoduše invertovat nebo zdvojnásobit, neumožòují však nastavit a udržovat velikost výstupního napìtí pod tìmito hodnotami I když u moderních IO pro nábojové pumpy je taková funkce èasto již obsažena, lze ji dosáhnout i u tìch jednodušších V pøípadì zapojení na obr 221 k tomu postaèí pøidat 148 ábojové pumpy funkce, pøehled a použití A

ke zdvojovaèi s MAX660 (IO2) obvod MAX921, který obsahuje komparátor a referenèní zdroj a tranzistor T1 Pøenos náboje z C1 na C2 je øízen interním oscilátorem v IO1, který kmitá na 45 khz Když napìtí na vývodu (3) IO2 pøevýší napìtí interního referenèního zdroje 1,18 V, pøeklopí jeho výstup (8) do stavu log 1 a následné sepnutí tranzistoru T1 pøeruší funkci oscilátoru Po poklesu napìtí komparátor pøeklopí zpìt a k zvýšení napìtí nad pøeklápìcí úroveò postaèí dva cykly oscilátoru Tak ostatnì probíhá stabilizace výstupního napìtí u nìkterých regulovaných nábojových pump Zvlnìní výstupního napìtí závisí na velikosti vstupního napìtí a proudovém zatížení tak, jak uvádí tab 38 Tab 38 Zvlnìní nábojové pumpy z obr 221 2GSRU]iW åh>w@ 9êVWXSQtQDS Wt>9@ =YOQ QtSS>P9@ 9 9 9 a úkor úèinnosti lze zvlnìní snížit zapojením rezistoru s odporem asi 1 W do série s C1 Zvlnìní klesne i po snížení kapacity C1, protože pøenos menšího náboje má za následek menší napì ové skoky v U OUT A ábojové pumpy funkce, pøehled a použití 149

) 8 9 9,2 $3 26 0$; *1' /9 $3± 287 7 1 8 '' 5(),2 +<67 0$;,1± 287 8 66 *1' Obr 221 ábojová pumpa s MAX660 doplnìná o regulaci výstupního napìtí 6 1 7 Mìniè 5 V/15 V [12] Je-li v systému s napájením 5 V zapotøebí ještì napìtí 15 V, napø pro napájení operaèních zesilovaèù, LCD displeje nebo jiných obvodù s odbìrem do 30 ma, je možné uvažovat o jednoduchém zapojení na obr 222, kde je integrovaný zdvojovaè 287 ±8 ' ±,2 0$; 036+6 ',1 *1' Obr 222 Ztrojovaè napìtí s MAX1683 150 ábojové pumpy funkce, pøehled a použití A