Журнал РАДИОЛОЦМАН, август 2015
Petre Petrov
Electronic Design
Чтобы сделать выбор центрального элемента безындкутивного DC/DC преобразователя между двумя общедоступными и предлагаемыми многими изготовителями микросхемами – таймера NE555 и аудио усилителя LM386 – требуется рассмотреть их основные характеристики и поведение в типовых схемах
Биполярная микросхема таймера NE555 широко используется в безындуктивных DC/DC преобразователях, чаще всего в схемах с удвоением или инвертированием напряжения. Однако имеется еще одна весьма популярная микросхема – аудио усилитель LM386, которая для такого приложения может быть даже лучшим решением. Заметим, что результаты сравнения зависят от конкретного изготовителя этих микросхем, предлагаемых многими компаниями, а также от качества дополнительных компонентов. (Для минимизации потерь напряжения мы будем использовать только диоды Шоттки).
Сравнение основных параметров микросхем NE555 и LM386
Полный диапазон напряжений питания NE555 составляет 4.5 … 16 В, но при использовании микросхемы вблизи максимального питающего напряжения при наибольшем допустимом токе 200 мА на высоких рабочих частотах могут возникнуть проблемы. У LM386N1 этот диапазон чуть уже – от 4 до 15 В (при рабочем диапазоне 4 … 12 В), а для LM386N4 он определен как 4 … 22 В (рабочий диапазон 5 … 18 В). Таким образом, усилитель LM386N4 имеет преимущество перед таймером NE555, поскольку может работать при более высоких напряжениях питания. Собственный типовой ток потребления NE555 обычно равен 3 мА (максимальный – 6 мА), а у LM386 – 4 мА (не более 8 мА), что дает NE555 небольшое преимущество.
Указанный в документации максимальный выходной ток NE555 равен 200 мА, но падение напряжения на выходных транзисторах уже при токе ±100 мА достигает примерно 2 В, что ставит под вопрос возможность использования этой микросхемы при бóльших токах. Максимальный выходной ток LM386 не специфицирован, но он намного выше, чем у таймера NE555, поскольку типовая выходная мощность, отдаваемая LM386N1 в нагрузку 8 Ом при питании напряжением VCC = 9 В равна 0.7 Вт, а LM386N4 – 1 Вт при напряжении питания 16 В и сопротивлении нагрузки 32 Ом. (Эти результаты основаны на классических формулах для усилителей класса АВ, в которых используются полный размах выходного напряжения и пиковое значение выходного тока).
Максимальная мощность, рассеиваемая микросхемой NE555 в корпусе DIP8, равна всего 600 мВт, в то время как тот же параметр для LM386 составляет 1.25 Вт, что значительно больше по сравнению с таймером. Максимальная температура перехода NE555 в справочных данных явно не указана, а для LM386 этот параметр составляет 150 °C. Тепловое сопротивление переход-корпус для LM386 равно 37 °C/Вт, а по таймеру NE555 информация отсутствует.
В наших тестах мы будем использовать напряжение питания 10 В. В связи с тем, что анализ этих микросхем при использовании в качестве DC/DC преобразователей будет производиться на частоте около 25 кГц (Т = 40 мкс), которая значительно ниже максимально возможной рабочей частоты, нет необходимости сравнения скоростей переключения, времени нарастания и других параметров, связанных с частотой. Как правило, эти микросхемы лучше использовать на частотах, не превышающих 50 кГц (Т = 20 мс).
Точки А и В на схемах с усилителем LM386 могут использоваться для остановки генерации элементами с открытыми коллекторами или открытыми стоками. Для микросхемы NE555 эту же функцию выполняет вход /RES. Для измерения выходного тока последовательно с выходами микросхем должен быть включен резистор 1 Ом. Это позволит наблюдать форму тока на экране осциллографа. Номинальная мощность всех резисторов в схемах равна 0.25 Вт, а точность – ±5%; все конденсаторы керамические с рабочим напряжением 30 В и допустимыми отклонениями емкости ±10%.
Сравнение различных топологий преобразователей
Удвоение положительного напряжения питания
На Рисунке 1а представлен преобразователь-удвоитель, в котором используется простой генератор с триггером Шмитта. Частота зависит, прежде всего, от выбора номиналов элементов R1 и С1, и слегка зависит от нагрузки. Здесь очень важно обеспечить по возможности одинаковые длительности полупериодов генерируемого таймером сигнала. (Имеется немало других схем генераторов, использующих NE555, но от выбора варианта схемы выходные напряжения преобразователя зависят незначительно). Преобразователь на основе LM386 изображен на Рисунке 1б.
|
|||||
| Рисунок 1. | В удвоителях положительного напряжения на основе NE555 (а) и LM386 (б) используется практически одинаковое количество однотипных пассивных компонентов. |
||||
В Таблице 1 сравниваются выходные напряжения преобразователей при различных сопротивлениях нагрузки. Преобразователь с микросхемой LM386 отдает бóльшие напряжения при бóльших токах нагрузки. Это ожидаемый результат, поскольку выходной каскад LM386 рассчитан на бóльший ток и имеет меньшее падение напряжения на транзисторах.
| Таблица 1. | Сравнение выходных напряжений преобразователей. |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| *NE555 начинает перегреваться, и измерение температуры становится невозможным; в то время как LM386 не перегревается. |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Здесь, и в следующей таблице:
+VOUT – выходное напряжение,
RLOAD – сопротивление нагрузки,
ILOAD – ток нагрузки.
Инвертирование положительного питающего напряжения
|
|||||
| Рисунок 2. | Микросхемы NE555 (а) и LM386 (б) при небольших изменениях в схемах могут использоваться для инвертирования напряжения положительной шины. |
||||
В Таблице 2 при различных сопротивлениях нагрузки сопоставляются выходные напряжения двух схем, инвертирующих положительное напряжение питания, – на основе NE555 (Рисунок 2а) и LM386 (Рисунок 2б). И вновь преобразователь с аудио усилителем LM386 может отдать в нагрузку больше энергии, что является следствием лучших нагрузочных характеристик его выходного каскада.
| Таблица 2. | Сравнение преобразователей, инвертирующих положительное напряжение питания. |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| *NE555 начинает перегреваться, и измерение температуры становится невозможным; в то время как LM386 не перегревается. |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Удвоение и инвертирование положительного напряжения питания
Мы можем объединить две предыдущие схемы преобразователей в одну, вырабатывающую два выходных напряжения: одно положительное с более высоким уровнем, чем напряжение питания VCC, а второе – отрицательное. На Рисунке 3а показан такой DC/DC преобразователь на основе NE555, а на Рисунке 3б – на основе LM386. Схема с таймером NE555 отдает в нагрузку меньший ток и меньшую мощность, чем схема, использующая LM386.
|
|||||
| Рисунок 3. | Основанные на NE555 (а) или LM386 (б) схемы удвоителей и инверторов можно объединить, чтобы получить схемы, выполняющие сразу обе функции. |
||||
Подводя итог, можно сказать, что обе популярные биполярные 8-выводные микросхемы таймера NE555 и маломощного аудио усилителя LM386 могут использоваться в качестве основы безындуктивных DC/DC преобразователей. LM386 имеет некоторые преимущества перед NE555, но окончательный выбор может зависеть от факторов, которые здесь не исследовались.
Материалы по теме
Перевод: Алексей Ревенко по заказу РадиоЛоцман
Купить NE555 на РадиоЛоцман.Цены
