Использование двух однополярных источников постоянного тока во встречно-последовательном включении – это еще один подход к формированию непрерываемого двуполярного напряжения.
В 2012 году я написал для Electronic Design две статьи, в которых обсуждались несколько методов создания источника мощного сигнала, напряжение которого может быть как положительным, так и отрицательным, с использованием реле переключения полярности [1] и с использованием биполярных источников питания [2]. В этой статье я представляю третий метод формирования мощного сигнала, основанный на использовании двух источников питания постоянного тока.
Краткий обзор предыдущих методов
Проще и дешевлю всего можно решить эту задачу с помощью 1-квадрантного однополярного источника питания постоянного тока (Рисунок 1а), дополненного реле переключения полярности. Однако использование реле имеет три основных недостатка: прерывание питания во время срабатывания реле, невозможность обеспечить малые положительные и отрицательные напряжения и увеличенная продолжительность теста из-за времени, которое требуется для переключения реле. Кроме того, если приложению требуется большой ток, поиск подходящего реле коммутации полярности может стать проблемой.
Другой способ заключается в использовании биполярного источника питания (Рисунок 1б). Его основная характеристика заключается в том, что одна пара клемм источника может обеспечивать как положительное, так и отрицательное напряжение. Поскольку реле переключения полярности теперь нет, биполярный источник питания может плавно переходить от положительного напряжения через ноль к отрицательному. Он также может стабилизировать ноль вольт или иные очень малые напряжения.
 |
|
| Рисунок 1. | Источники питания могут быть сконфигурированы как 1-квадрантный однополярный, 2-квадрантный однополярный и 4-квадрантный двуполярный, чтобы вырабатывать положительное и отрицательное напряжение. |
Однако из-за сложности конструкции биполярные источники питания, как правило, значительно дороже, чем их однополярные аналоги. Поскольку для большинства приложений достаточно стандартного однополярного источника питания постоянного тока, большинство производителей не предлагают широкого выбора биполярных источников.
Встречно-последовательное включение для положительного и отрицательного напряжений
Есть еще одна альтернатива. Можно использовать два однополярных источника питания постоянного тока во встречно-последовательном включении (Рисунок 2).
 |
|
| Рисунок 2. | Эта встречно-последовательная конфигурация позволяет получать на клеммах двигателя напряжения от +20 до –20 В. |
В такой конфигурации основной источник питания должен быть рассчитан на удвоенное максимальное напряжение. Если напряжение должно регулироваться от +20 В до –20 В, основной источник должен быть рассчитан на +40 В. В этой встречно-последовательной конфигурации вторичный источник питания подключен «наоборот» и обеспечивает постоянное отрицательное максимальное напряжение. Следовательно, в данном случае он должен выдавать –20 В.
Вторичный источник должен быть плавающим, чтобы его можно было подключить «задом наперед» как источник отрицательного напряжения. Также обратите внимание, что через вторичный источник питания ток будет течь в обратном направлении. Таким образом, этот источник должен быть плавающим 2-квадрантным однополярным источником постоянного тока (Рисунок 1в), поддерживающим положительный и отрицательный ток, таким как Keysight N6782A или семейство источников APS.
Как можно видеть из Таблицы 1, всю работу выполняет основной источник питания. Напряжение вторичного источника питания оставалось фиксированным на постоянном уровне +20 В, но источника вырабатывал –20 В, потому был подключен встречно-последовательно. Для получения на выходных клеммах изменяющегося сигнала положительной и отрицательной полярности требуется управлять только основным источником питания, что упрощает программирование. Используя быстродействующий источник постоянного тока в качестве основного, можно генерировать мощные сигналы частотой до нескольких килогерц.
| Таблица 1. | Установки основного и вторичного источников питания, необходимые для получения положительных и отрицательных напряжений |
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|||||||||||||||||||||||||||||||
Это решение может применяться для питания любых устройств, которые потребляют положительную мощность (т. е. само устройство не является источником питания), но нуждаются в положительном и отрицательном напряжении. Например, мне нужно было запитать двигатель, используемый в приложении тактильной обратной связи для игровой приставки, где двигатель был подключен к рулевому колесу в автомобильном тренажере. При подаче +20 В двигатель вращался по часовой стрелке. При подаче –20 В двигатель вращался против часовой стрелки. Таким образом, быстро изменяя управляющее напряжение двигателя от +20 до –20 В, мы могли поворачивать руль и обеспечивать игроку обратную связь, такую как сопротивление повороту руля или неровностям дороги.
Несмотря на то, что общая стоимость оборудования для этой встречно-последовательной конфигурации вдвое превышает стоимость одиночного источника питания, такое решение все же будет дешевле, чем одиночный биполярный источник той же номинальной мощности. В отличие от источника питания с реле переключения полярности, встречно-последовательная конфигурация не будет прерывать питание при переключении сигнала с положительного на отрицательный.
