Преобразователь однополярного напряжения в двухполярное

Электросхема
Сборка платы
Что нужно для проекта

В автоматизации современной промышленности есть несколько стандартов передачи аналогового сигнала, например, токовая петля 4-20 мА. Еще один стандарт, получивший широкое распространение : -10В / +10В. Но при его использовании возникает проблема - где взять отрицательное напряжение, ведь, как правило, системы автоматики питаются однополярным напряжением 24 В постоянного тока. И здесь может пригодиться небольшое устройство - преобразователь однополярного напряжения в двухполярное.

Преобразователь напряжения

Данное устройство фактически делит входное напряжение на два, одно из которых имеет положительный знак, а второе отрицательный (например из 24В мы получим -12В и +12В). На приборе имеются клеммы для подключения входного напряжения (два входа "плюс" и "минус") и три выхода ("плюс", "минус" и "земля"). Также есть подстроечный резистор для выравнивания выходных напряжений и светодиод индикации наличия питания.

Данный прибор работает с входным напряжением до 32 вольт и током до 1 ампера. Хотя вы можете повысить рабочие параметры, заменив операционный усилитель, транзисторы и конденсаторы на другие.

За основу устройства взята схема с форума radiokot.ru. В нее добавлен индикатор питания, а также заменены операционный усилитель и транзисторы на имевшиеся в наличии.

Опишем принцип действия устройства. Входное напряжение подается на резистивный делитель (R2-R3) - он делит напряжение на два. Так как используемые в делителе резисторы имеют погрешность 5 процентов, то в него добавлен многооборотный подстроечный резистор (POTI), которым вы можете регулировать напряжения в плечах схемы. С делителя напряжение входит на неинвертирующий вход операционного усилителя LM358, который подключен в режиме повторителя напряжения. ОУ сравнивает это "образцовое" напряжение с напряжением, поступающим на инвертирующий вход с выхода эмиттерного повторителя, состоящего из комплиментарной пары транзисторов BD437 и BD438. Соответственно, корректируется выходной сигнал с ОУ, регулирующий отпирание/запирание этих транзисторов. В схему для фильтрации добавлены два конденсатора.

Электросхема преобразователя

Рассмотрим назначение элементов схемы подробней.

• Напряжение от источника питания подается на клеммы Uin(+) и Uin(-).
• Выходное напряжение снимется с клемм Uout(+) и Uout(-) относительно клеммы GND.
• Если схема собрана правильно, выходные напряжения должны быть по модулю в два раза меньше входного. Разница между Uout(+) и Uout(-) компенсируется подстроечным резистором POTI.
• Конденсаторы С1 и С2 электролитические, соблюдайте полярность. Их емкость 100 мкФ, напряжение 35 вольт. Если на выходе с устройства вы получите неудовлетворяющую вас пульсацию напряжения (проверяется осциллографом), добавьте параллельно конденсаторам С1 и С2 еще по одному, например керамику на 100 нФ.
• Светодиод о наличии питания рассчитан на 3 вольта (при максимальном входном 32 вольта), поэтому резистор ставьте не менее 2,4К мощностью не менее 1 ватта. В любом случае при испытании на макетной плате проверьте пальцами греется он или нет.
• Как говорилось выше, максимальное входное напряжение устройства ограничено 32 вольтами. Это ограничение накладывает микросхема LM358 (32 вольта), у транзисторов BD437 и BD438 - предел 45 вольт, у конденсаторов 35 вольт. По току лимиты устанавливают транзисторы - 4 А. Если нужно поднять параметры, замените эти элементы на другие, с более высокими характеристиками.
• При замене транзисторов на другие помните, что они должны составлять комплиментарную пару. В качестве замены BD437 и BD438 можно использовать BD435--BD436, КТ818Б/В/Г--КТ819Б/В/Г, КТ814--КТ815, BD135/137/139--BD136/138/140, TIP29A--TIP30A.

Схема пайки элементов преобразователя представлена на рисунке ниже. За базу взята макетная плата 70х55 мм. Конечно вы можете расположить элементы по другому и более компактно.

Схема пайки преобразователя на макетной плате

Примечания :

1. Транзисторы BD437 и BD438 соединяется с радиаторами через термопасту. ВНИМАНИЕ!!! Если вы будете ставить оба транзистора на один радиатор, заизолируйте их от него, иначе получите короткое замыкание.
2. Данная схема носит "силовой" характер. Если вы будете ее использовать, как сигнальную (например для питания операционного усилителя), то можно отказаться от радиаторов и взять менее мощные транзисторы. Тем самым уменьшив габариты устройства.
3. Микросхема LM358 монтируется в панельку DIP8.
4. Подсоединения входа и выхода устройства выполнены в трех вариантах : клеммница, штыревой соединитель "папа" и "мама" для проводов Dupont.
5. Конденсаторы C1 и С2 электролитические.
6. Мощность резисторов не менее 0,5 Ватт, а R4 для светодиода не менее 1 ватта.
7. Подстроечный резистор также должен иметь мощность не менее 0,5 Вт.
8. Светодиод 5 мм зеленый, соблюдайте полярность.

Проверка и калибровка преобразователя

• макетная плата под пайку 70х55 мм - 1 шт
• клеммница двойная для входного напряжения - 1 шт
• клеммница тройная для выходного напряжения - 1 шт
• микросхема LM358 (datasheet) - 1 шт
• радиатор 9 см2 - 2 шт
• резистор подстроечный многооборотный типа 3296 (datasheet) на 1К - 1 шт
• резистор 200 Ом (0,5 Вт) - 1 шт
• резистор 510 Ом (0,5 Вт) - 2 шт
• резистор 2,4К (1 Вт) - 1 шт
• резистор 10К (0,5 Вт) - 1 шт
• конденсатор электролитический 100 мкФ (35 вольт) - 2 шт
• биполярный NPN-транзистор BD437 (datasheet) в корпусе TO-126 - 1 шт
• биполярный PNP-транзистор BD438 (datasheet) в корпусе TO-126 - 1 шт
• провод типа AWG - 10 см
• штыревой соединитель - 10 шт
• разъем PBS - 10 шт
• термопаста