¿Puede ofrecer sugerencias para este circuito inversor de voltaje?

Lo siento, pero no creo que este sea un gran circuito para lo que estás tratando de hacer. Dijiste que solo necesitas un poco de poder para cosas como el poder negativo para los amplificadores operacionales. Eso no debería ser más de unos pocos mA a menos que estés haciendo algo inusual.

En particular, no me gusta el hecho de que el controlador de onda cuadrada se levante pasivamente. Eso no le dará mucho impulso y desperdiciará mucha energía, como notó cuando se quemó el dedo.

El oscilador no es excelente, considerando que usa 2 transistores, 4 resistencias y 2 capacitores solo para hacer un ahorro cuadrado básico, y luego a una frecuencia algo impredecible. También va a tomar algo de energía considerando los pull-ups de 470 ohmios. Hay formas más fáciles, más eficientes y más predecibles de hacer una onda cuadrada solo para hacer funcionar una bomba de carga. Sin embargo, en este caso parece que está haciendo su trabajo lo suficientemente bien y este no es su problema.

Alguien más sugirió cambiar Q3/R5 a una unidad de tótem. No estoy de acuerdo con eso, ya que conducir eso será complicado para evitar que ambos transistores estén encendidos al mismo tiempo. Hay formas de hacerlo, pero no lo recomiendo para alguien que viene aquí para hacer preguntas básicas sobre una bomba de carga.

En cambio, sugiero reemplazar Q3 y R5 con un seguidor de emisor complementario. Utilice un par complementario, como 2N4401/4403 o muchos otros. Las dos bases están unidas y accionadas desde la salida del oscilador. Los dos emisores están unidos y son la salida que impulsa a C3. El colector de la NPN va a Vcc y el colector de la PNP a tierra. Eso será básicamente un búfer de impedancia para la salida del oscilador para que pueda generar más potencia. Perderá 2 caídas de voltaje de unión en el proceso, pero si solo desea un suministro de amplificador operacional negativo para que los amplificadores operacionales tengan espacio libre en la salida de tierra, debería ser suficiente. Puede recuperar parte del voltaje perdido cambiando los dos diodos a Schottkeys.

Además, como han dicho otros, aumente la frecuencia de conmutación. La salida de corriente de una bomba de carga es directamente proporcional a la frecuencia de conmutación.

Un truco que he usado varias veces exactamente en esta situación (suministro negativo para el espacio libre del opamp a 0 V) ​​es usar un pin de salida del oscilador del microcontrolador para impulsar el seguidor del emisor directamente. Si tiene un micro en el circuito, esta señal generalmente está disponible de forma gratuita o al costo de usar un solo pin. A veces uso un PIC 10F204 para hacer funcionar una fuente de alimentación. Estos tienen osciladores integrados de 4 MHz y el pin de salida del oscilador funciona a 1 MHz. Eso es perfecto para impulsar el par de seguidores del emisor que luego impulsa la bomba de carga.

Puede ver un ejemplo de esto en la página 3 de mi esquema USBProg http://www.embedinc.com/products/usbprog/eusb3.pdf . El PIC está ejecutando una fuente de alimentación conmutada para generar 17 V, y GP0 está configurado como el oscilador de 1 MHz/4 salidas que impulsa la bomba de carga en la esquina inferior derecha. En este caso utilicé diodos de silicio regulares y obtuve -2.2V. Schottkeys habría producido un poco más, pero -2.2V estaba bien. Tenga en cuenta que las tapas de la bomba de carga eran de cerámica. Realmente no usaría electrolíticos en su caso, especialmente si aumenta la frecuencia de conmutación.

No he modelado esto, pero probaría frecuencias de conmutación más altas. Si no se opone a usar un IC discreto, puede usar un temporizador 555 o similar para permitir un ajuste más fácil de la frecuencia del oscilador. Por otra parte, si no se oponía a los circuitos integrados discretos, asumí que solo estaría usando una bomba de carga inversora o algo similar en primer lugar ...

Debe cargar completamente C3 durante el tiempo alto del oscilador. El valor de R5 también entrará en juego aquí, pero en términos generales, cuanto más rápido pueda cargar y descargar C3, más carga transferirá y más corriente podrá proporcionar.

También puede pasar a diodos con una caída de voltaje directa más baja, lo más probable es que sean diodos Schottky con la clasificación adecuada. Esto reducirá la caída de voltaje, lo que tiene un par de ventajas, como estar más cerca de una verdadera inversión de Vcc y cargar C3 más rápido al aumentar la caída de voltaje cuando el oscilador está alto. En este momento está limitado a -(Vcc-2) para su salida debido a las dos caídas de diodos. Esto podría reducirse a algo más cercano a -(Vcc-1) o más bajo con diodos schottky. Tenga en cuenta que este es un valor teórico máximo, en la práctica hay varias cosas en este circuito que podrían limitar el voltaje de salida real.

Si no le gusta esta topología, puede deshacerse de los diodos por completo e ir con una topología de bomba de carga más común, usando transistores y un reloj para controlar el ciclo de carga/descarga.

Una cosa que he notado es que no le gustan mucho las cargas de baja impedancia: el voltaje de salida a través de la carga cae en una cantidad notable en comparación con una carga de alta impedancia (aunque puede que solo sea yo).

Por supuesto, habrás construido un suministro no regulado. Si necesita un voltaje constante, deberá agregar un regulador después de este inversor. También hay un límite en la cantidad de carga que puede pasar a través de C3, lo que limita su corriente de salida.

EDITAR-Reemplazar R5 con un FET de canal P:

Esto reemplaza a R5 con un FET complementario. Idealmente, Q3/Q4 son pares emparejados o complementarios. Puede obtener paquetes individuales con ambos mosfets en el interior, estos tienen la mejor combinación. Para esta aplicación, probablemente no sea necesario que coincidan perfectamente, a menos que esté planeando realmente aumentar la corriente.

Es posible que aún desee una pequeña resistencia en el lado alto (fuente del fet del canal p) para permitir el control de la constante de tiempo del capacitor. Sin ninguna resistencia, el pico de corriente en Vcc podría ser alto, solo limitado por Rd en el mosfet. Tampoco sé qué tipo de capacitor es C3, pero algunos tipos podrían ser destruidos por los picos de corriente sin una resistencia que lo limite.

Realmente no me gusta el uso de un pull-up pasivo (R5). Sugeriría que debe poner un PFET en serie con R5, activándolo con el mismo voltaje que Q3 (para que cambie en momentos opuestos). El uso de un transistor adicional permitiría que R5 fuera mucho más pequeño, lo que mejoraría enormemente la eficiencia del circuito.

En estado estable, C4 tendrá una corriente promedio cero a través de él, por lo que su corriente de salida está limitada por la cantidad de energía que se puede almacenar en C3 durante su período de carga. Cuando C3 se está cargando, la corriente de salida será suministrada por C4, y en el otro medio período, C3 debe suministrar corriente a la carga y reponer la carga en C4. La mitad de 166 Hz es 83, y la energía almacenada en C3 en la mitad de un período de conmutación es de aproximadamente$\frac{1}{2}C(V-0.6)^2$. Suponiendo que el suministro es de 5 voltios, eso da unos 20 mW, pero la mitad de la energía debe destinarse a reponer C4, por lo que la potencia de salida real disponible sería de unos 10 mW. Más que eso, y el circuito ya no estará en estado estable y el voltaje de salida comenzará a caer. Para obtener más potencia de salida, deberá aumentar el tamaño de los condensadores y aumentar la frecuencia de conmutación. Editar: lo anterior tampoco tiene en cuenta el efecto de la ESR de los condensadores.

Además, R5 es un gran asesino de eficiencia. ¡Está quemando 2,5 vatios cuando el MOSFET está encendido para suministrar milivatios de potencia de salida! Debería considerar reemplazarlo con un MOSFET complementario en su lugar.