Cómo hacer un suministro dual de +-12V desde un SMPS de 24V

Estoy tratando de alimentar un transmisor de celda de carga hecho en casa usando un solo SMPS de 24V. Necesito hacer +12, 0 y -12 Volts que sean capaces de 50mA. Deseo alimentar múltiples canales de amplificadores operacionales y puentes.

No tengo mucho presupuesto y disponibilidad de componentes en India.

Tengo una idea de usar 1 LM7812 y 1 LM7912 (negativo) reguladores de voltaje lineal y una configuración de divisor de voltaje para hacer esto según el circuito a continuación.

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

¿Funcionaría esto? Lo he modificado a partir de las sugerencias y artículos en otros lugares.

Alguien me sugirió otro circuito, pero me preocupan las capacidades actuales del opamp.

esquemático

simular este circuito

¿Funcionaría esto? En caso afirmativo, sugiera un amplificador operacional adecuado.

¿Existen otras técnicas que harían el trabajo económicamente?

Piense en lo que sucederá si tiene cargas no coincidentes entre los rieles.
@winny Eso es lo que me preocupa.
¿Cuánta corriente necesitas? Hice un artilugio de este tipo para un circuito de audio para evitar un recorte desigual usando un amplificador operacional e incluso un divisor como el suyo, pero transistor + resistencia amortiguada en la salida. Se desperdicia mucha energía y hay soluciones más fáciles. En su caso, optaría por dos convertidores de modo de conmutación o uno aislado.
Usted menciona que necesita poder suministrar 50 mA de corriente. Pero supongo que esto es principalmente a través de los rieles +12 y -12 (por ejemplo, alimentando amplificadores operacionales de suministro dual). ¿Qué es exactamente lo que tiene que suministrar a través del carril de 0V? Si el riel de 0 V simplemente sirve como referencia y solo va a algunas entradas de opamp o resistencias de alto valor, significa que sus necesidades actuales para el riel de 0 V son mucho menores que 50 mA, y la solución n. ° 2 es perfectamente válida.
Por cierto, tanto farnell.in como mouser.in se envían a la India. Encontraría prácticamente cualquier componente en estos (aunque un poco caro). Otra opción es ebay.com, pero estos se envían desde China y tienen tiempos de entrega bastante largos.
Y otra opción es explorar el mercado de suministros electrónicos en tu ciudad. Por ejemplo, en Mumbai, puede encontrar prácticamente cualquier componente en Lamington Road. Por lo general, hay algunas tiendas que venden componentes, con contactos para obtener los que no están disponibles en cada ciudad.

Respuestas (7)

Tu primera idea no funcionará en absoluto.

Su segunda idea funcionará, pero muchos amplificadores operacionales no entregarán más que unos pocos mA en su salida, lo que limita la corriente que su circuito puede extraer de la tierra virtual. Hay Power-OP-Amps disponibles que pueden entregar hasta unos pocos amperios, pero si no puede conseguir uno, puede usar un par de transistores PNP/NPN para aumentar la corriente de salida:

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

El OP-Amp se encargará de estabilizar la salida para que coincida con el voltaje establecido por el divisor de voltaje de entrada. Sin embargo, tenga cuidado con las cargas capacitivas, como señaló Spehro en su respuesta.

¿Puede sugerir un transistor adecuado para 50 o 100 mA?
Tienes que buscar los paquetes. Para 100mA, cada transistor tenía que disipar 100mA*12V=1.2W, ese es el factor limitante. Los transistores de señal pequeña en paquetes TO-92 generalmente están limitados a 500 mW. Hay excepciones como el par SS8050/SS8550 de Fairchild que puede disipar 2W cada uno. Un par mucho más conservador (también mejor disponible) sería BD233/BD234, BD235/BD236 o BD237/BD238. (Use transistores destinados a aplicaciones de audio, están clasificados para operación de región lineal, según sea necesario aquí). Los transistores en paquetes TO220 son excesivos para su aplicación.
Bueno. Voy a echar un vistazo a eso. Gracias por el tiempo.
¿Funcionarían 2n2222 (NPN) y 2N2907 (PNP) para esto? No puedo aprovechar ninguno de los pares anteriores a un costo aceptable o por separado (de lo contrario, tengo que comprar al por mayor). Comprobé que la potencia no superará los 500 mW en ningún caso entre la referencia y los rieles + y -.
El 2N2222 solo puede disipar 500mW, eso es bueno para 41mA@12V. El 2N2907 solo puede disipar 625 mW, bueno para 52 mA a 12 V. En general, los transistores que comienzan con BD son lo que desea (el prefijo 2N... desafortunadamente no da ninguna pista).
Si nos dices a qué distribuidor quieres comprar, podemos ayudarte.
@Ohbhatt Podría usar múltiples 2n2222 y 2n2907 en paralelo con resistencias de emisor pequeñas (2r2 más o menos) para compartir la carga si no puede obtener piezas más grandes.
Encontré el par BD139/BD140 PNP/NPN con mi proveedor a un buen precio. ¿Podrían funcionar?
Sí. Pero tenga cuidado, sin un disipador térmico, el BD139 y el BD140 pueden disipar solo hasta 1,25 W. Una pequeña aleta en cada transistor mejora eso drásticamente.
@Janka Muchas gracias. No solo me resolviste este problema, sino que también me enseñaste mucho.

Sería mejor que usaras dos suministros de 12 V, pero si insistes...

#1 no funcionará.

# 2 (dada la información muy limitada que ha proporcionado) podría requerir que el amplificador operacional se disipe hasta 600 mW y la estabilidad probablemente sea un problema con las cargas capacitivas. Hay chips divisores de rieles dedicados que se toman en serio la estabilidad, pero no son partes de gelatina y, por ejemplo, el TLE2426 no puede manejar la disipación o la corriente involucrada.

Sugiero algo más como esto (suponiendo que tenga energía de sobra en su suministro de 12V:

ingrese la descripción de la imagen aquí

Este utiliza un regulador de derivación TL431 omnipresente y lo potencia con un transistor de potencia PNP genérico.

La combinación es como un zener de potencia de precisión. O simplemente use un zener como se muestra a continuación. Establezca Vo = 12V.

Entonces usa este circuito:

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

Tenga en cuenta que si carga excesivamente GND a -V, el voltaje de +V a GND aumentará hasta 24V. Por lo general, eso es aceptable, pero tenga cuidado con la clasificación de voltaje del capacitor, etc. Puede agregar un zener de voltaje más alto (digamos 14 V) a través de R1 como medida preventiva. R1 disipará menos de 1 W, en condiciones normales, pero el zener podría disipar hasta 1,3 W si fluyen 50 mA de +V a GND y no hay una corriente correspondiente de GND a -V.

Podría usar dos zeners de 6.2V 1W en serie, por ejemplo. Mantenga los cables cortos, conéctelos a algún área de PCB y manténgalos separados para que se enfríen.

Tengo que mantener un consumo de energía mínimo y no puedo permitirme ningún cambio en el voltaje. Gracias por la ayuda.
No usaría un enfoque regulador para generar la tierra virtual en absoluto: tendrá problemas para obtener o hundir las corrientes apropiadas.

Dado su deseo de tener la menor potencia posible y mi comprensión de que este problema común rara vez se aborda de esta manera. Se me ocurrió una solución de conmutación autooscilante solo por diversión.

Al igual que con cualquier conmutador, se deben considerar las emisiones/ondulaciones de un solo tono (alrededor de 20 kHz con estos valores). Pero si hay una corriente de tierra significativa, dudo que pueda ser mucho más eficiente (un conmutador más formal con un oscilador separado puede ser más eficiente y podría usar un solo inductor, pero requeriría más partes).

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simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

Es básicamente un oscilador de relajación que modula la corriente promedio a través de L1 para que oscile alrededor de la corriente de tierra requerida. M1 y M2 se encienden y apagan con relativa rapidez (algunos condensadores de aceleración ayudarían con la eficiencia) y C12 proporciona retroalimentación positiva para que el amplificador operacional/comparador se sature al cruzar el umbral (de lo contrario, la carga amortiguaría el oscilador y se convertiría en un regulador lineal). en cambio).

L3, C10 y C11 están ahí para filtrar la ondulación y aislar la oscilación de la carga, para evitar amortiguarla demasiado. C10 y C11 también cumplen una función doble como capacitancia de entrada del regulador. El exceso de energía en L1 y L2 se devolvería al riel requerido y se almacenaría en ellos. Los diodos fuente-drenador M1 y M2 conducen en este diseño.

R3,R4,R5 y R6 se eligen para mantener M1 y M2 por debajo del umbral cuando no hay corriente de tierra. Desafortunadamente, esto también reduce la ganancia general del bucle del oscilador.

No he realizado un análisis muy cuidadoso de todas las implicaciones de este diseño (particularmente debido a que es autooscilante), por lo que las consideraciones generales de estabilidad en los cambios de carga pueden ser un problema.

No creo que haya circuitos integrados para este tipo de configuración, lo que aumenta innecesariamente el número de piezas y las restricciones de diseño. Los únicos que conozco son los reguladores de voltaje de terminación de memoria DDR, pero están destinados a funcionar con voltajes muy bajos.

+1, esto es ingenioso. Pero creo que la razón por la que no es demasiado común es que los circuitos que necesitan tierra dividida son la mayoría de las veces para aplicaciones de audio y ciertamente escucharíamos el timbre.
Es posible hacer un conmutador de 400kHz-1MHz. ¡No escucharías eso en absoluto! Y después de todo, la tierra es la referencia, serán los rieles los que se muevan... Normalmente trato con aplicaciones en las que incluso 1 µV de ruido en trazas de alta impedancia es un problema, usamos conmutadores por todas partes. Incluyendo la conducción de líneas eléctricas analógicas variables que se ejecutan bajo esos rastros de alta impedancia. Todo lo que necesita es un buen filtrado, nuestros únicos problemas han surgido cuando los algoritmos de control del mezclador saltan latidos y producen componentes de baja frecuencia.
Sí, exactamente esto último era mi preocupación. ¿Qué sucede cuando la corriente de tierra cambia de dirección?
@Janka concedido, en la mayoría de las aplicaciones es una exageración. Particularmente en audio, no necesita grandes corrientes de tierra desequilibradas. En la memoria DDR, donde se utilizan estas arquitecturas, los controladores pueden manejar hasta 10 A de desequilibrio.
@Janka En esta arquitectura, suponiendo que sea completamente estable, no sucederá nada importante. El exceso de corriente simplemente se dirigirá a través de un diodo MOSFET al riel que lo está suministrando. Idealmente cero desperdicio de energía.
@Janka Ah, y con respecto a los tonos, el problema solo ocurrió cuando, durante una modificación de diseño para una versión actualizada del producto, alguien no prestó demasiada atención a un rastro e hizo un bucle largo con él, que interactuaba con bucles en el alto -Trazas de impedancia. Incluso entonces, el ruido estaba apenas por encima de la detección en el rango de 2 µV. Lo solucionamos mejorando el algoritmo de control. En esta arquitectura, el conmutador nunca tiene que quedarse en silencio, pequeños pulsos alternos en ambas direcciones pueden asegurar eso. Con este diseño, eso podría ser problemático de lograr, pero un oscilador separado lo solucionaría.
Muchas gracias por su tiempo, pero es posible que no pueda implementar este circuito en mi diseño.
@Ohbhatt Estaba al tanto de eso. Pero fue difícil pasar este divertido ejercicio. Mi objetivo era minimizar la cantidad de componentes a un nivel aceptable manteniendo la eficiencia y mejorando la confiabilidad, todavía es demasiado grande para mi gusto.
+1 Esto es bueno. La salida obtendrá una referencia de punto medio firme. Las fluctuaciones de suministro aparecerán en la mitad de la magnitud y polaridad opuesta en los dos rieles. Sin pérdida de tensión de alimentación total.

Los reguladores no funcionarán. Tiene cero caídas asignadas a ellos y su impedancia de tierra es excesiva.

El amplificador operacional es una mejor opción, pero todo depende de la cantidad de corriente que pase por tierra. Si la corriente es lo suficientemente baja, puede usar un divisor de resistencia con un par de condensadores en paralelo; si es alta, necesitaría un amplificador operacional fuerte.

Tienes un par de opciones más:

  1. Podría usar dos zeners con resistencias en serie para reducir la impedancia de tierra
  2. Podría armar un seguidor de fuente de clase AB con algunas resistencias y dos transistores (básicamente lo que está haciendo el amplificador operacional pero con mayor impedancia)
  3. Si su corriente de tierra tiene una dirección bien definida y consistente, puede usar un regulador de 12 V positivo o negativo o incluso un transistor fuera de uno de los rieles (asegurándose de colocar un diodo de derivación).

Pero independientemente de lo que haga, cualquier corriente de tierra dará como resultado un desperdicio de energía (a menos que descubra cómo diseñar un regulador de conmutación de tierra, por supuesto).

Si su 24 V está bien regulado, puede usar un 7812 para crear un punto medio y llamarlo su riel de 0 voltios.

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simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

Esto solo funcionará si los 24 V son independientes de lo que esté alimentando y, según el comentario de Edgar Brown, los reguladores lineales positivos como el 7812 no pueden absorber corriente.

Esa es una solución fantástica. No tengo que invertir en piezas caras. Pero todavía tengo que probar este circuito para verificar.
Esto solo funcionará si su corriente de tierra es positiva (sale del regulador) los reguladores normales no hunden la corriente.
Ese es un punto muy válido, gracias, @EdgarBrown, edité la respuesta.
No tengo voltajes inferiores a -12V en mi sistema. Eso eliminaría cualquier posibilidad de corriente de tierra negativa. ¿Ojalá? y consulte la modificación en la primera solución. Eso podría resultar aún mejor.
¿Qué sucedería si también agregara un 7912 con su INP conectado al riel de -12 V, su pin GND conectado al riel de +12 V y su SALIDA conectada al 7812 OUT (versión de adentro hacia afuera del circuito OP #1)?
@EdgarBrown En lugar de un confiable 7812, puede usar un regulador de conmutación integrado que generalmente tolerará la "corriente inversa", son un poco más de dinero, pero la misma implementación simple. He usado esto en un diseño, dado que en mi caso la mayor parte del sistema se ejecutaba en el riel de 24 V, con solo un pequeño subconjunto de componentes que se ejecutaban fuera del terreno virtual. En cualquier caso, esto se convierte en una cuestión de selección de componentes, y se pueden encontrar reguladores de conmutación de 1/2/3 A con capacidad de corriente bidireccional, el diseño es sólido, pero la lista de materiales puede ser difícil de encontrar o costosa.
@Ohbhatt No, eso no elimina ningún cambio. Imagínese si conectara una resistencia entre +12 V y 0 V, el regulador no manejaría eso porque la corriente intentaría entrar al regulador. Pero una resistencia entre 0V y -12V estaría bien. Es por eso que depende del diseño de su circuito.
Una cosa más a tener en cuenta: tener U1que bajar el 50% del voltaje de la fuente es una señal de alerta en términos de sobrecalentamiento. Tan pronto como consume 50 mA, está bien disipar menos de 1 vatio por el paquete de chips. Cualquier aumento de la corriente aumentaría rápidamente el volumen de disipación.

Creo que NJM4556A funcionaría

puede extraer corriente de los rieles negativos y positivos, pero hay una diferencia para no exceder la corriente de salida del amplificador operacional.

Nota: no tengo experiencia, te sugiero que leas el siguiente post

EEVBLOG - mi-carril-de-voltaje-negativo-no-funciona

Eso es una buena idea. Lo tomaré en cuenta.

Hay muchos métodos de bajo costo. Pero el método de cambio puede ayudarlo con un componente mínimo que esté disponible en todas partes.

puede usar un convertidor flyback con un circuito mínimo:

Editado : El circuito principal: circuito de mezclaRef: una combinación de dos enlaces ( http://uzzors2k.4hv.org/index.phppage=flybacktransformerdrivers , https://wiki.analog.com/university/courses/electronics/text/chapter- 6 )

Lista de componentes:

  • diodo Zener

  • 555 CI

  • Mosfet

  • Un toroide, el transformador se puede hacer con alambre y un núcleo de toroide

  • Diodo en salida

  • algún condensador

  • alguna resistencia

  • un poco de alambre

Beneficios:

  • puede generar cualquier voltaje en la salida incluso más grande que su primer voltaje

  • estos componentes están disponibles en todas partes

  • puede generar cualquier voltaje, incluso voltaje aislado

  • puede aumentar su potencia cambiando el Mosfet y seleccionando un toroide más grande.

Las principales referencias:

http://uzzors2k.4hv.org/index.php?page=flybacktransformerdrivers ingrese la descripción de la imagen aquí

Además, necesita un diodo Zener para 12-15 voltios y un IC 555 (su bobina se alimenta con 24 voltios, pero para 555, debe generar una potencia de 12 voltios con un diodo Zener).

en la salida, necesita un diodo con un condensador. enlace: https://wiki.analog.com/university/courses/electronics/text/chapter-6 ingrese la descripción de la imagen aquí

Es un rectificador de onda completa de doble polaridad que utiliza un transformador de derivación central y 4 diodos

¿Su versión editada elimina la conexión entre el voltaje zener y el suministro?
@Hasanalattar No, el circuito principal (flyback de Eirik) funciona con 12-16 voltios. Agregué un Zener como regulador para este caso, para convertir 24V a 12V. Solo mezclo 3 circuitos. un regulador y bobina flyback y de salida para doble tensión en salida.
¡lo que quise decir es que el circuito principal cortocircuita 12-16 a 15-30 voltios del transformador!, y ne555 excede su vcc nominal
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