Генератор отрицательного потенциала

Иногда нужен потенциал ниже нуля, т.е. отрицательное напряжение. Такое бывает нужно в аналоговой технике или, например, чтобы запустить LCD индикатор от низкого напряжения. Контроллер дисплея какого нибудь HD44780 часто отлично работает от 3.3 вольт, но на панели ничего не видно по причине низкого контраста, даже выкрутив потенциометр в землю не удается получить яркие символы. Нужно опустить Vss ниже нуля. На некоторых дисплеях даже стоит специальная схема, генерирующая минус. Но не везде. А тем не менее на простейшей конденсаторной схеме можно сделать такой генератор на ровном месте.

Итак, вот такая вот простая схема легко дает небольшой отрицательный потенциал .

На вход ей надо подать прямоугольный сигнал, от нуля до Vcc, а с выхода снимется отрицательный потенциал. Зависящий от частоты, уже от нескольких сот герц там будет -1 вольт, а вообще можно и больше накачать.

Как это работает? Да просто. Чтобы лучше понимать работу конденсатора в динамике вспомним статью для самых маленьких и достанем из нее три упрощения:

1) Когда конденсатор заряжается он ведет себя как резистор у которого сопротивление растет с 0 до бесконечности. Растет по экспоненте, но нам все равно как.

2) Когда конденсатор разряжается он ведет себя подобно батарейке у которой заряд садится, садится тоже по экспоненте, но это все равно пофигу.

3) Конденсатор всегда можно дозарядить, при этом на нем растет напряжение. Идеальный конденсатор можно заряжать бесконечно. Реальный же пробьет.

Вот на этих трех китах мы и все разберем постадийно.

Еще упростим до того, что диоды идеальные и у них нет никаких падений напряжения, а значит их можно тупо выбросить и закоротить для прямого случая и оборвать для обратного, ведь нас интересует процессы в конкретной стадии, а диоды будут только отвлекать.

▌Стадия 1
С1 разряжен
С2 разряжен.

На входе появляется высокий уровень напряжения единичка. Пусть это будет 5 вольт. Через конденсатор С2 через диод D1 в землю течет ток и он начинает заряжаться. Справа показана мгновенная схема с учетом наших допущений.

Конденсатор зарядился, стал источником напряжения, встав в противовес источнику генератора. На генераторе пока +5 еще (верхняя часть меандра). И ток в цепи остановился.

▌Стадия 2
Через какое то время на выходе генератора станет 0 придет время нижней части меандра. И ток из нашего конденсатора потечет в источник, но через что замкнется цепь? Ведь диод D1 не даст протечь через землю? Правильно, через второй конденсатор.Ведь он то у нас пока что разряжен. А поскольку разряженный конденсатор потянет на резистор, то цепь примет вид:

Вот такой путь разряда. А теперь давайте посчитаем чему равен потенциал в точке выхода нашей схемы? Для расчета потенциала надо определиться с системой координат, выбрать обход контура относительно направления которого мы будем считать знак потенциала. Так как тут истинный источник энергии только один генератор, то положительным направлением обхода контура будет считаться ток ИЗ ГЕНЕРАТОРА, тот что заряжал конденсатор в самом начале. Т.е. когда мы из земли идем через генератор, то после прохода источника напряжения генератора, потенциал точки вырастет на величину напряжения генератора ( в данном случае 0, т.к. он в нижней точке меандра). А следующий источник напряжения, конденсатор, будет нам встречно, а значит приращение потенциала будет отрицательным. И после него, вуаля! Мы получим некий отрицательный потенциал относительно земли.

Все здорово, но что будет с нашим конденсатором С1 который сейчас, активно заряжаясь, косит под резистор? Он зарядится отрицательным напряжением, сколько успеет. Потом его сопротивление вырастет, он сам станет источником напряжения (отрицательного), а кондер С2 иссякнет. Конденсатор С1 не сможет разрядиться потому, что на его пути будут стоять аж два диода встречно его разрядному току.

И на какое то время, пока генератор находится в нуле, процесс остановится.

▌Стадия 1 (снова)
Но вот генератор снова переходит в высокое состояние. B все повторяется как в стадии 1 только С1 заряжен отрицательно. Но это не играет роли, так как току из источника туда мешает идти диод D2, а вот через D1 все прекрасно проходит и конденсатор С2 снова начинает заряжаться, как и в первом состоянии.

Точно также зарядится конденсатор С2 и все повториться, за исключением того, что С1 уже заряжен отрицательно. Часть этого заряда подсядет из-за саморазряда конденсатора С1, часть утечет в схему ради которой мы генерируем отрицательное напряжение. Поэтому оно снизится. Но не беда, когда источник кинется в ноль, то С2 надо будет снова разрядиться и он сделает это через С1, еще сильней просадив напряжение.

▌Моделирование
На пальцах рассказал, теперь можно показать в динамике. Давайте смоделируем эту схему в эмуляторе EasyEDA. Там кроме схемотехнического редактора и трассировщика есть еще SPICE симулятор.

SPICE это достаточно древняя (75 год) и уже давно ставшая промышленным стандартом система моделирования электронных схем. На входе у ней нетлист текстовый список соединений компонентов и описание самих компонентов в виде списка параметров примерно вот такого вида:

.MODEL MPS3866 NPN (IS=40.6F NF=1 BF=130 VAF=98.6 IKF=0.24 ISE=40.3P NE=2 BR=4 NR=1 VAR=14 IKR=0.36 RE=0.129 RB=0.515 RC=51.5M XTB=1.5 CJE=48.4P VJE=1.1 MJE=0.5 CJC=15.6P VJC=0.3 MJC=0.3 TF=318P TR=221N)

В результате по этим данным и нетлисту строится математическая модель из систем уравнений. А на выходе будут графики, значения напряжений которые мы запросим как выходные данные.

За счет того, что сами модели это простые текстовые описания, а сама система опенсорсная с рождения, то она встречается повсеместно.

Открываем редактор EasyEDA:

Чтобы получить колебания нам нужен генератор. Возьмем источник питания и затянем его на лист схемы. Если его выделить, чтобы он стал красным, то справа будут его параметры:

Меняем функцию на PULSE и задаем следующие параметры:

• Vinitial = 0V стартовое значение. Он же ноль.
• Von = 5V значение высокого уровня.
• Tdelay = 0 задержка при запуске.
• Trise = 0.000001 время восходящего фронта.
• Tfall = 0.000001 время спадающего фронта.
• Ton = 0.00005 длительность импульса.
• Tperiod = 0.0001 длительность периода.
• AC Аmplitude = 5 амплитуда сигнала.
• AC Phase = 0 фаза сигнала.

Тем самым мы создадим генератор с частотой 1кГц и скважностью порядка 50%, с амплитудой 5 вольт. Как если бы мы дрыгали ногой контроллера. Осталось добавить землю и наши диоды с конденсаторами.

Выбирая конденсатор можно сразу же там выбрать тип. К сожалению типов пока маловато. Но можно создавать свои библиотеки. Клавиша R вращает компонент. А надписи у компонентов можно утащить куда подальше, чтобы не мешались. Особенно у источника, там такая портянка образовалась, жуть.

Диоды лучше брать Шоттки, у них меньше падения напряжения, а значит отрицательное напряжение можно получить гораздо ближе к -V питания. Т.е. к -5 вольтам. Полные -5 вольт мы, конечно, не получим. Т.к. диод Шоттки свои 0.2 вольта сожрет за милую душу. Но лучше чем 0.7 у обычного диода. А диодов там еще и два, т.е. предельный минус будет где то на пол вольта, а то и меньше чем амплитуда питания.

Линии связи рисуем инструментом Wire c панели Wiring Tool и только им:

И не забываем землю. Должно получиться что то вот такое:

Теперь добавим пробники для выхода SPICE модели. Это в той же панели Wiring Tools такая закорючка. Воткнем их на выход генератора и туда где у нас формируется отрицательное напряжение:

Сохраним схему и запустим нашу симуляцию. Раньше кнопка симуляции была прям наверху. Но видать по ней было очень много вопросов и ее спрятали подальше от пытливого взора пионеров 🙂 Но я нашел 🙂 Есть еще хоткей Ctrl + R.

Будет такое вот окно:

Жмем Run и получаем в соседней вкладке график:

По нему видно ,как за несколько качков нашего генератора напряжение на С1 упало до хорошего такого минуса. Впрочем, это без утечек на сторону. При подключении к нагрузке процесс будет более пологим.

▌Практика
С теорией закончили. А теперь практическая реализация этой штуки. Данный узел с недавних пор появился на Pinboard II третьей ревизии. Которая вышла в декабре. Что то я как то завертелся и даже не презентовал обновление. Ну так вот.

Одной из проблем платы было то, что стоящий из коробки дисплей имеет 5 вольтовое питание, а сама плата на ряде контроллеров работает на 3.3 вольта. Конечно гибкая схема питания платы позволяет запитать дисплей от 5 вольт, контроллер от 3.3 вольт, а контроллеры имеют 5В толерантные входы.. И как бы проблемы нет. Но ведь демоплата это только отправная точка, потом будет устройство и там придется городить сложное двух уровневое питание. Тогда как известно, что контроллер HD44780 умеет прекрасно работать от 3.3 вольт и даже ниже. Чего не скажешь о системе контраста LCD дисплея. Которой надо для полного счастья хотя бы 3,8 вольт от минимума до максимума, чтобы яркость индикации не падала.

Как падает контраст изображения с понижением напряжения питания

А если у нас питание всего то 3.3 вольта везде, включая контроллер дисплея и его стекляшку, то размаха может не хватить. Вывод управления контрастом можно посадить в ноль, но толку это особо не даст. Что делать? Посадить линию контраста в минус, пробросив ее ниже нуля. Тогда дисплею хватит разницы напряжений на создание нормального контрастного изображения. В некоторых версиях дисплеев на HD44780 есть даже встроенный генератор отрицательного напряжения, чьи выводы вытащены на контакты подсветки ,что черевато тем, что если воткнуть туда подсветку, то генератор или ваш источник питания сгорит. Западло вот такое вот, читайте даташит 🙂

Ну, а мы сделаем генератор сами. Можно, например, дрыгать ногой контроллера вручную. А можно взять любой дрыгающийся сигнал с интерфейса самого дисплея. Например на линии E интерфейса HD44780 идет максимальная движуха, т.к. это стробирующий сигнал и без дрыга им ничего не делается. Им и можно попробовать подрыгать конденсатор.

Лишь бы дергало не слишком активно, в зависимости от модели дисплея накачать надо от -0.3 до -1 вольта. А если дергать будет сильно активно, то будет -2..-3 вольта, что даст переконтраст в виде двух рядов черных прямоугольников. Хотя, всегда можно пропустить через потенциометр на землю и подрегулировать.

Впрочем, я это делать на плате не стал. Там у меня идет напрямую на вывод контраста. А дрыгаю отдельной ногой с частотой около килогерца. Как раз хватает утечки на дисплей, чтобы поддерживать напряжение в районе -0.5 вольта. Дрыгаешь чаще контраст повышается, дрыгаешь реже понижается.

Подключение простое. На плате добавился джампер, позволяющий выбрать откуда брать напряжение контрста. С потенциометра (позитивное) или с генератора минус (негативное), а также появился вывод CPUMP который и надо дергать ножкой контроллера, чтобы на NEG появился отрицательный потенциал.

Подаем на CPUMP меандр с частотой 1Кгц и переключив контраст на NEG получаем четкое изображени даже на 3.3 вольтах. Можно и до 2.5 опуститься, правда частоту надо будет поднять килогерц до трех. А на выходе CONTRAST около -0.6 вольт.

Вот такая вот маленькая полезняшка.