Suministro de Voltaje de Doble Carril

Los amplificadores operacionales de mayor rendimiento a menudo necesitan una fuente de alimentación dividida con voltajes positivos y negativos conectados a las vías de alimentación del amplificador operacional. En este proyecto, vamos a construir una fuente de alimentación dual positiva/negativa para una sonda de osciloscopio diferencial que estoy diseñando. Estoy haciendo la fuente de alimentación un proyecto separado, ya que una fuente de alimentación dual es bastante útil para tener, y estoy seguro de que encontraré múltiples usos para ella en el futuro.

En el pasado, he hablado en este blog sobre configuraciones de fuente de alimentación dual, sin embargo, en este proyecto vamos a implementar ese consejo y construir un regulador negativo.

Como mi sonda diferencial va a estar conectada a una amplia gama de señales, quiero asegurarme de que la alimentación a los amplificadores operacionales no solo sea muy estable y de bajo ruido, sino también completamente aislada tanto del osciloscopio como del dispositivo bajo prueba. Por lo tanto, esta placa será alimentada por una batería de 9V. Las baterías AA serían buenas, sin embargo, necesitarían un regulador conmutado tanto en la alimentación positiva como en la negativa, y con solo dos baterías AA el tiempo de funcionamiento sería limitado. Más de dos baterías AA son demasiado voluminosas, y estos problemas son peores con las baterías AAA. 

La batería de 9V está disponible fácilmente en una amplia variedad de tiendas a bajo costo, existen opciones recargables y, lo que es importante para mí: no hay restricciones de envío para ellas. Las baterías de iones de litio añadirían una complejidad sustancial al diseño en comparación con el uso de una batería de 9V, con circuitos de carga y monitoreo de batería - además, es increíblemente difícil conseguirlas entregadas donde vivo. Si te gustaría leer un análisis más profundo sobre diferentes tecnologías de baterías y cómo se relacionan con aplicaciones electrónicas, echa un vistazo a mi artículo en Octopart sobre elegir baterías.

Como en todos mis proyectos, puedes encontrar los archivos de Altium Designer de código abierto para este proyecto en mi GitHub, licenciados bajo la permisiva licencia MIT.

Ventajas de Usar una Fuente Dual

Cuando se usa un op amp de fuente única, el voltaje de salida solo puede variar desde cerca del voltaje de entrada hasta cerca del suelo. Qué tan cerca, depende del op amp específico, con amplificadores de riel a riel generando señales de salida casi completamente hasta los rieles de alimentación.

Si estás trabajando con formas de onda que tienen un componente negativo, como la corriente alterna (AC), o necesitas que tu nivel de voltaje de salida sea exactamente 0v, entonces un amplificador operacional de doble fuente te proporcionará la versatilidad que requieres. Algunos de los amplificadores operacionales de más alto rendimiento en el mercado también están diseñados con un requisito de voltaje de fuente doble, por lo tanto, si necesitas superar los límites, un voltaje de fuente doble puede ser obligatorio.

Algunos amplificadores operacionales pueden requerir que los voltajes de entrada máximos/mínimos estén a varios voltios del riel de alimentación. Si estás utilizando una fuente única de 5 voltios en un op-amp con un desplazamiento mínimo de 2 voltios, solo tienes 1 voltio de rango de entrada utilizable. Los amplificadores de riel a riel pueden resolver este problema, al igual que una fuente doble. 

Para mi sonda diferencial, espero estar observando principalmente formas de onda de AC, utilizando algunos op-amps de muy alto rendimiento, lo que hace necesaria la utilización de una fuente dividida para alimentarlos. 

Riel Negativo

En un proyecto anterior, creé una fuente de alimentación negativa para un amplificador operacional usando una bomba de carga, sin embargo, ese proyecto solo requería una corriente de suministro mínima y una calidad de riel de voltaje. Me gustaría que esta fuente dual proporcione energía de muy alta calidad a 80mA o más. Aunque no es mucha corriente, es más de lo que muchas bombas de carga ofrecen, y necesito sustancialmente menos ruido.

La topología para el riel negativo en esta fuente será una fuente de alimentación conmutada para generar una fuente de -5.5V, la cual será purificada por un filtro LC que alimenta a un regulador lineal. 

Regulador Conmutado

Muchos ingenieros hoy en día ven los voltajes negativos como algo casi mítico ya que la mayoría de los dispositivos modernos solo requieren una única fuente positiva para operar. Realmente no hay nada complicado en crear un voltaje negativo, sin embargo, si puedes diseñar un regulador de voltaje reductor, puedes diseñar un regulador negativo - la teoría es exactamente la misma.

Para crear la fuente de -5.5V, estoy utilizando el convertidor DC-DC inversor sincrónico de alta eficiencia de 4.5V a 60V, 1A MAX17578 de Maxim/Analog. Los reguladores de conmutación no son excelentes bajo cargas bajas, sin embargo, incluso con una carga de 80mA en este regulador, debería seguir operando con una eficiencia de alrededor del 66%. Esto puede no parecer muy eficiente, sin embargo, es mucho más alto que cualquier otro regulador en stock en el momento del diseño.

Regulador Lineal

La salida final del riel negativo es proporcionada por un regulador lineal de ultra bajo ruido, el ADP7182 de Analog Devices. Para eliminar el ruido de conmutación del regulador de -5.5V, he añadido un filtro LC a la entrada. El regulador debería ser capaz de manejar el ruido de conmutación, sin embargo, siempre es una buena idea ayudar tanto como sea posible cuando se busca un bajo ruido.

El filtro LC puede ser perfectamente capaz de suministrar energía lo suficientemente limpia para algunas aplicaciones, permitiendo que el costoso regulador lineal sea eliminado, por lo que una resistencia de 0 ohmios permite que la entrada y salida del regulador lineal sean cortocircuitadas. Una variante de diseño asegura que esta resistencia no se incluya en el BOM o en la información de ensamblaje cuando no sea necesaria.

Mientras que mi uso inicial para este regulador necesita +/-4.8V, quiero que este diseño sea versátil y aplicable a otros usos. Por lo tanto, he añadido un potenciómetro ajustable al pin de ajuste del regulador, permitiendo que el voltaje se ajuste de -4.2V a -5.2V. Un potenciómetro de múltiples vueltas sería ideal aquí, pero las restricciones mecánicas de cómo imagino que esta placa será utilizada me limitan a un potenciómetro de una sola vuelta.

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Riel Positivo

El riel de poder positivo es mucho más simple que el negativo, con solo un regulador lineal conectado a la batería. Con un bajo consumo de corriente, no hay necesidad de un regulador conmutado. Hacer funcionar el regulador directamente desde la batería asegura el menor ruido en su entrada.

El esquemático para el regulador positivo es muy similar al del regulador negativo ya que el regulador lineal ADP7102 de Analog Devices está en la misma familia que el regulador negativo. De nuevo, el voltaje puede ajustarse de +4.2V a +5.2V usando el mismo modelo de potenciómetro ajustable que el regulador negativo.

El regulador positivo también tiene un divisor de voltaje para el pin de habilitación, donde el regulador lineal en el riel negativo no necesita esta característica ya que el regulador de conmutación proporciona esta función.

Aviso de Batería Baja

Me gusta sobre-dimensionar las cosas, así que para este proyecto tengo un aviso de batería baja excesivo. En lugar de simplemente tener un LED que se enciende cuando la batería está baja, voy a tener un LED de batería baja parpadeante.

Estoy usando un amplificador operacional (IC5) para detectar el nivel bajo de batería, cuya salida alimenta un circuito oscilador de relajación que utiliza otro amplificador operacional (IC6). Otro nombre para un oscilador de relajación es un multivibrador astable. El oscilador de relajación activa un MOSFET que hace parpadear el LED. El amplificador operacional del oscilador tiene un consumo de corriente suficientemente bajo como para alimentarlo directamente desde la salida del amplificador de detección de bajo voltaje.

Un oscilador de relajación genera una salida de onda cuadrada, con este diseñado para una frecuencia de alrededor de 1Hz y un ciclo de trabajo del 50%. Un oscilador de relajación carga un capacitor, C21 en este caso, que está conectado a la entrada inversora del amplificador operacional. La entrada no inversora del amplificador operacional está conectada a un divisor de voltaje. 

Mientras el capacitor está descargado, su voltaje estará por debajo de la entrada no inversora, permitiendo que el capacitor se cargue desde la salida del op amp a través de R29. Una vez que el capacitor está cargado, la entrada inversora tendrá un voltaje más alto que la entrada no inversora, y la salida del opamp cambia permitiendo que el capacitor comience a descargarse.

Diseño de PCB

El PCB para este proyecto es relativamente simple, el tamaño de la placa está determinado por el portapilas, el conector de alimentación y la necesidad de una posición de montaje para un separador entre placas. La placa será de 1mm de espesor, de cuatro capas. Ambos planos internos son conexiones a tierra, con las capas exteriores para el enrutamiento de señales. Esto asegura que las rutas tengan un excelente camino de retorno en una capa adyacente. 

La placa tiene muchos vias de conexión para conectar completamente las redes de tierra, con el objetivo de reducir el ruido conducido y radiado. La disposición del regulador de conmutación es simplemente un diseño típico de modo conmutado, con los diseños de los reguladores lineales no siendo excesivamente críticos.

He intentado mantener el regulador de conmutación lo más lejos posible del conector de alimentación, mientras mantengo los reguladores lineales lo más cerca posible de sus pines de salida. 

El vertido de tierra proporciona un excelente camino térmico para el regulador positivo, que será el que disipe más calor.

He colocado puntos de prueba en la placa de manera que las señales más críticas (los rieles de voltaje) puedan ser sondeadas por un osciloscopio con una conexión a tierra de resorte para minimizar la longitud del bucle de tierra. Probar cualquier hardware que contenga un componente de conmutación usando el cable de tierra en la sonda del osciloscopio es una excelente manera de captar ruido de campo cercano además de, o en lugar de, la señal que realmente estás buscando.

Pruebas de Rendimiento

No tiene sentido construir un regulador si no vas a probarlo, así que vamos a conectar el regulador a la fuente de alimentación del laboratorio y conectarlo a mi Carga DC para ver cómo se comporta. Todas las pruebas a continuación se realizaron en la fuente de alimentación del laboratorio, sin embargo, también verifiqué las cargas con el regulador funcionando con una batería, los resultados fueron indistinguibles.

Aunque las pruebas de corriente se están realizando a través de un puente de alambre bastante delgado hacia la placa, al verificar los voltajes a bordo tanto con mi multímetro de banco como con mi multímetro portátil, las lecturas en la Carga DC están a un par de milivoltios de lo que está en la placa.

Riel Negativo

Comenzando las pruebas en el lado de suministro negativo, el voltaje sin carga es de 4.8149V. Probablemente podría ajustarlo un poco mejor, pero estaba impaciente por ver cómo se comportaría bajo carga.

Mi carga de CC solo admite voltajes positivos, así que simplemente usé el riel negativo como referencia de tierra y la tierra del regulador como entrada positiva. En lo que respecta a la carga de CC, esto es un voltaje positivo.

Puedes ignorar la resistencia de carga en la foto a continuación, esto es una fracción de segundo antes de que se aplicara la carga y la Carga de CC estaba midiendo la carga a medida que aumentaba la corriente.

Bajo carga, podemos ver una caída de 24mV en la salida. La hoja de datos afirma una Precisión sobre línea, carga y temperatura de +2% máximo/−3% mínimo. Con una desviación de medio por ciento en voltaje, definitivamente cae dentro de esta afirmación a 80mA.

Dado que el regulador está funcionando bien con su carga de diseño, quería forzarlo al 200% para ver cómo se comportaría. El regulador está calificado para una carga de -200mA, por lo que debería estar absolutamente bien. La tensión cayó 44.2mV bajo la carga aumentada, pero eso es solo una caída del 1%, y está bien dentro de lo que afirma la hoja de datos.

Mirando el regulador conmutado en mi osciloscopio sin una carga aplicada, las cosas parecen estables y está manejando la carga baja muy bien. La única carga en este regulador es cualquier cosa parásita más los 4mA de corriente que alimentan el LED. Algunos reguladores conmutados simplemente no soportan esta pequeña carga, así que es agradable ver que todo está estable. 

Al encender la carga de CC, ajustada para un consumo de corriente de 80mA, la salida del regulador conmutado se parece mucho más a lo que esperarías que pareciera un regulador de modo conmutado. Añadiendo la medición de voltaje RMS a la pantalla, podemos ver que, mientras que el ruido de pico a pico es de alrededor de 26mV, el ruido RMS es de solo aproximadamente 2.2mV.

Al observar la señal después del filtro LC, podemos ver que todo el ruido de conmutación se ha eliminado por completo, sin embargo, la señal es un poco un desastre. Para mi aplicación inicial de esta placa, el regulador lineal definitivamente se quedará en la placa, ya que el regulador lineal limpia este desorden de manera eficiente.

Riel Positivo

En el riel positivo, podemos realizar las mismas pruebas para ver qué tan comparables son los reguladores lineales. Elegí los reguladores para que tuvieran un buen rendimiento comparable, pero siempre es una cuestión de cómo funcionan las cosas en el mundo real en lugar de en el papel.

Con ninguna carga, tengo el voltaje ajustado un poco más alto que el regulador negativo, a 4.8492V.

Bajo la carga diseñada de 80mA, podemos ver que el voltaje ha caído un poco menos que el regulador negativo, con una pérdida de solo 18.6mV. Esto es un poco menos del 0.4 por ciento del voltaje original. Aunque esto es más preciso que el regulador negativo, tiene sentido ya que la hoja de datos del regulador positivo también afirma mayor precisión con Precisión sobre línea, carga y temperatura de −2%, +1%. 

Aumentando la carga al 200%, el voltaje disminuye en 30mV, o el 0.6% del voltaje original establecido. De nuevo, esto sigue siendo mejor que el regulador negativo, pero me sorprende un poco ya que el regulador positivo tiene una calificación de corriente de 300mA, en lugar de los 200mA del regulador de voltaje negativo. Sin embargo, la caída de voltaje todavía está bien dentro de las especificaciones de la hoja de datos.

Voltaje Combinado

Probar cada riel de voltaje es interesante para ver el rendimiento de cada regulador, sin embargo, es algo sin sentido más allá de verificar que los reguladores están funcionando como se espera. En el mundo real, mis amplificadores operacionales recibirán el voltaje de suministro dual, cargando los reguladores por igual.

Tengo el regulador positivo conectado a la entrada positiva de mi carga de CC, y el suministro negativo conectado a la entrada de tierra para mi carga de CC. Esto muestra un voltaje de 9.6574V a la carga de CC sin ninguna carga en el suministro.

Añadiendo la carga de diseño de 80mA al regulador, vemos una caída de 22.1mV, o solo el 0.2% del voltaje original. Estoy muy satisfecho con este resultado, sabiendo que mis amplificadores operacionales recibirán un voltaje muy estable incluso cuando su carga pueda cambiar durante el uso. Esto debería asegurar que tenga salidas muy consistentes.

Aumentando la corriente al 200%, ahora tenemos una caída de voltaje total de 32mV, o justo más del 3 por ciento del voltaje sin carga.

Usando mi osciloscopio para observar la salida de la placa reguladora, mientras está bajo carga, es algo poco revelador. Aunque parece que hay mucho ruido y acción ocurriendo, con el osciloscopio midiendo 242 microvoltios de ruido RMS, esto no es la placa reguladora que estamos viendo. La captura de pantalla a continuación tiene 2 segundos de persistencia habilitada, y está clasificada por colores para mostrar las señales que ocurren con más frecuencia.

Entonces, ¿a qué me refiero con que esto no es la placa reguladora que estamos viendo? Desafortunadamente, el piso de ruido de mi osciloscopio es simplemente demasiado alto. Mi osciloscopio Rigol MSO5354 mide 450 microvoltios de ruido RMS al medir una resistencia axial de 47 ohmios a través del agujero con la sonda (una pata envuelta alrededor de la banda de tierra, la otra pata alrededor de la punta de la sonda). Así que no hay forma de que pueda medir directamente los 15-18 microvoltios de ruido que las hojas de datos me dicen que espere de estos reguladores lineales. Aunque es decepcionante, me resulta divertido que el ruido medido de mi placa reguladora sea menor que el ruido medido de una resistencia.

También probé este test con el regulador funcionando con una batería y cargado con una resistencia de 100 ohmios para ver si el rendimiento del ruido era diferente, descartando mi equipo de prueba como fuente de ruido. Aparte de que la resistencia se calentó mucho y olía bastante mal, no hubo ninguna diferencia discernible en el osciloscopio entre los dos métodos de voltaje de entrada/carga.

Pensamientos Finales

Aunque desearía que mi configuración de prueba me permitiera observar más de cerca el nivel de ruido en las salidas, todavía estoy contento con el resultado de este diseño de regulador. Siempre es agradable llevar al límite el equipo de prueba con proyectos. 

Además de las pruebas anteriores, la placa también ha pasado más de un día a 200% de carga sin ningún signo de fallo o estrés. El regulador lineal positivo fue el componente más caliente en la placa, alcanzando alrededor de 65 grados Celsius (149°F) mientras que la temperatura de mi laboratorio alcanzó un pico sofocante de verano escocés de 22.5°C (72°F).

En mi próximo proyecto, pondré esta placa en acción alimentando tres amplificadores operacionales de alto rendimiento mientras construyo una sonda de osciloscopio diferencial que llevará al límite mi equipo de prueba aún más.

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