Negatif Voltaj Nasıl Elde Edilir? Negatif Voltaj Regülatörü

Bu yazımızda, negatif voltaj nasıl elde edilir? Sorusuna cevap veriyoruz. Elektro-teknik dünyasında, dijital sistemler (mikrodenetleyiciler, mantık kapıları, sensörler) tasarlarken genellikle tek yönlü pozitif gerilim beslemeleri ( $+5\text{ V}$ , $+3.3\text{ V}$ ) yeterli olur.

Ancak sistemimize hassas analog sinyal işleme katları dahil olduğunda, özellikle işlemsel yükselteçlerin (op-amp) tam salınımlı (symmetrical swing) çalışabilmesi, AC sinyallerin sıfır geçişlerini ( $0\text{ V}$ ) kırpılmadan ( $clipping$ ) yükseltebilmesi ve grafik LCD (GLCD) gibi donanımların kontrast gerilimlerinin ( $V_{\text{ee}}$ ) ayarlanabilmesi için negatif gerilim beslemesine ihtiyaç duyarız.

Yazı İçeriği

DC-DC İnverting Tasarımında Topoloji ve Bileşen Seçimi

Pozitif bir DC giriş geriliminden ( $V_{\text{in}}$ ) negatif bir DC çıkış gerilimi ( $-V_{\text{out}}$ ) elde etme işlemine Inverting DC-DC Çevrim (Kutup Tersleme) adı verilir. Tasarım aşamasında yükün akım gereksinimi, kabul edilebilir dalgalanma (ripple) gerilimi ve sistemin EMI (Elektromanyetik Girişim) hassasiyetine göre iki ana topoloji seçeneğimiz mevcuttur:

Charge Pump (Kondansatör Anahtarlamalı) Topolojisi: Bobin (endüktör) kullanmayan, sadece anahtarlama elemanları ve kondansatörler vasıtasıyla yük transferi yapan sistemlerdir. Düşük akım ( $I_{\text{out}} < 100\text{ mA}$ ) gerektiren analog katlar (op-amp beslemeleri) için son derece az yer kaplayan, ucuz ve bobinsiz çözümler sunar.
Inverting Buck-Boost (Endüktif Anahtarlamalı) Topolojisi: Enerjiyi manyetik alanda depolamak için bir bobin ve anahtarlama elemanı (MOSFET / Diyot) kullanan topolojidir. Yüksek akım kapasitesi ( $I_{\text{out}} > 500\text{ mA}$ ) ve yüksek güç verimliliği sağlar ancak karmaşıktır ve EMI yayılımı yüksektir.

Fakat işin içine analog hassasiyet girdiğinde, özellikle op-amp‘larda sıfır seviyesinin altındaki sinyallerin bozulmasız işlenmesi için negatif ray ( $negative\ rail$ ) elzemdir. Her ne kadar tek beslemeli ( $single\ supply$ ) veya çıkışı tam salınımlı ( $rail-to-rail$ ) modern op-amp’lar bulunsa da, yüksek frekanslı veya simetrik analog devrelerde gerçek simetrik beslemenin ( $+V_{\text{cc}} \ / \ -V_{\text{ee}}$ ) yerini tutamazlar.

1. Switched-Capacitor (Charge Pump) Yöntemi ve Matematiksel Analizi

Kondansatör anahtarlamalı charge pump devreleri, enerjiyi bir “uçan kondansatör” ( $flying\ capacitor\ - \ C_{\text{fly}}$ ) üzerinde depolar ve fazlar halinde kutuplarını değiştirerek çıkış kondansatörüne ( $C_{\text{out}}$ ) aktarır. Bir charge pump devresinin iki ana anahtarlama fazı vardır:

Şarj Fazı ( $\phi_1$ ): $C_{\text{fly}}$ kondansatörü, anahtarlar vasıtasıyla doğrudan giriş gerilimine paralel bağlanarak $V_{\text{in}}$ değerine şarj edilir ( $Q = C_{\text{fly}} \cdot V_{\text{in}}$ ).
Deşarj / Tersleme Fazı ( $\phi_2$ ): $C_{\text{fly}}$ ‘ın pozitif ucu toprağa (GND) bağlanır. Bu durumda kondansatörün negatif ucundaki gerilim potansiyeli $-V_{\text{in}}$ seviyesine düşer. Bu negatif uç çıkış kondansatörüne ( $C_{\text{out}}$ ) bağlanarak yük transfer edilir.

Boşta (yüksüz) durumda ideal çıkış gerilimi $V_{\text{out}} = -V_{\text{in}}$ olur. Ancak devreden bir $I_{\text{out}}$ akımı çekildiğinde, anahtarların iç dirençleri ( $R_{\text{on}}$ ) ve anahtarlama frekansından ( $f_{\text{sw}}$ ) kaynaklanan kayıplar nedeniyle çıkış geriliminde bir düşüş meydana gelir. Bu düşüş eşdeğer çıkış direnci ( $R_{\text{out}}$ ) ile modellenir:

$V_{\text{out}} = -\left( V_{\text{in}} - I_{\text{out}} \cdot R_{\text{out}} \right)$

$R_{\text{out}} \approx \frac{1}{f_{\text{sw}} \cdot C_{\text{fly}}} + 2 \sum R_{\text{on}} + \text{ESR}_{C_{\text{fly}}}$

Bu formülden görüleceği üzere, çıkış empedansını düşürmek ve gerilim regülasyonunu iyileştirmek için anahtarlama frekansı ( $f_{\text{sw}}$ ) veya uçan kondansatör değeri ( $C_{\text{fly}}$ ) yükseltilmeli, ESR değeri düşük kondansatörler tercih edilmelidir.

ICL7660 / MAX1044 Monolitik Voltaj Dönüştürücüler

Bu topolojinin en popüler ve klasik örnekleri MAX1044 ve ICL7660 entegreleridir. Sadece iki harici kondansatör ( $10\ \mu\text{F}$ ) kullanarak pozitif girişi negatif çıkışa dönüştürürler.

negatif voltaj nasıl elde edilir — MAX1044 Gerilim Kutup Tersleyici Devre Şeması

Aşağıda, en az bileşen sayısı ile $+5\text{ V}$ girişten $-5\text{ V}$ çıkış elde eden pratik devre kurulum şeması yer almaktadır. Entegre içerisindeki dahili osilatör yaklaşık $10\text{ kHz}$ ( $MAX1044$ için Boost pini kullanılarak $80\text{ kHz}$ ‘e çıkarılabilir) frekansta anahtarlama yaparak çıkış üretir:

MAX1044 Minimum Bileşen Bağlantısı — MAX1044 Minimum Donanımla Bağlantı Şeması

2. Inverting Buck-Boost Topolojisi ve Matematiksel Analizi (LM2576 ve MC34063)

Daha yüksek akımların gerektiği ( $I_{\text{out}} > 200\text{ mA}$ ) uygulamalarda, endüktif anahtarlamalı Inverting Buck-Boost topolojisi kullanılır. Normalde düşürücü (buck) regülatör olarak bilinen LM2576 entegresi, bobin ve diyot bağlantıları değiştirilerek bir kutup tersleyiciye dönüştürülebilir. Sistemin çalışma fazları şu şekildedir:

Anahtar ON Durumu ( $T_{\text{on}}$ ): Entegre içindeki güç transistörü iletime geçer. Bobin doğrudan giriş gerilimi ( $V_{\text{in}}$ ) üzerine bağlanır. Bobin akımı lineer olarak artarak enerji depolar. Bu sırada diyot ters kutuplanır ve yük çıkış kondansatörü tarafından beslenir.
$V_L = V_{\text{in}}$
Anahtar OFF Durumu ( $T_{\text{off}}$ ): Transistör kesime gider. Bobin akımı aniden kesilemeyeceğinden, bobin uçlarındaki gerilimin kutbu ters döner. Bobinde biriken enerji diyot üzerinden çıkış kondansatörüne ve yüke aktarılır. Bu fazda bobin toprağa göre negatif bir gerilim üretir.
$V_L = V_{\text{out}}$

Bobin üzerindeki gerilim-zaman dengesi ( $inductor\ volt-second\ balance$ ) kurulduğunda:

$\int_0^T V_L(t) dt = 0 \implies V_{\text{in}} \cdot D \cdot T + V_{\text{out}} \cdot (1 - D) \cdot T = 0$

$V_{\text{out}} = -V_{\text{in}} \left( \frac{D}{1 - D} \right)$

Burada $D$ anahtarlama görev döngüsüdür ( $duty\ cycle$ ). Görüldüğü gibi $D < 0.5$ için çıkış gerilimi girişten küçük, $D > 0.5$ için ise girişten büyük ancak her durumda negatif kutuplu olur.

Bobin üzerindeki akım dalgalanma (ripple) miktarı ise şu formülle belirlenir:

$\Delta I_L = \frac{V_{\text{in}} \cdot D}{f_{\text{sw}} \cdot L}$

LM2576 ile Negatif Voltaj Elde Etme — LM2576 ile Negatif Regülatör Kurulum Devresi

Benzer şekilde, piyasada çok yaygın ve ucuz olarak bulunan MC34063 entegresi ile de feedback dirençlerinin polaritesi ters bağlanarak inverting modda yüksek verimli negatif kaynaklar tasarlanabilir.

3. 555 Zamanlayıcı ile Deneysel Charge Pump Tasarımı

Mikroamper düzeyinde analog polarizasyon gerilimleri veya kontrast ayarı için popüler 555 zamanlayıcı entegresi harika bir kare dalga osilatörü olarak kullanılabilir. Ürettiği kare dalga çıkışı, harici bir diyot-kondansatör kaskadına (gerilim katlayıcı/tersleyici ağ) beslenerek negatif DC gerilim elde edilir.

555 astable modda çalışırken çıkış frekansı harici dirençler ( $R_1, R_2$ ) ve kondansatör ( $C$ ) ile belirlenir:

$f = \frac{1.44}{(R_1 + 2 R_2) \cdot C}$

555 Negatif Voltaj Devresi — 555 Zamanlayıcı Tabanlı Negatif Voltaj Üretici Devresi

Eğer devrenizde halihazırda bir mikrodenetleyici (Arduino, STM32, PIC vb.) bulunuyorsa, 555 entegresine dahi ihtiyaç duyulmaz. Donanımsal bir PWM pini aktif edilerek yaklaşık $20\text{ - }50\text{ kHz}$ aralığında üretilen kare dalga sinyali doğrudan diyot-kondansatör charge pump devresine beslenerek mikrokontrolcü bacağından negatif gerilim elde edilebilir.

4. Donanımsal Entegre İçerisindeki Charge Pump: MAX232

Son olarak, endüstride mikrodenetleyicilerin TTL UART haberleşmesini bilgisayarların RS-232 seri port gerilim seviyelerine dönüştürmek için yaygın olarak kullanılan MAX232 entegresine bakalım. RS-232 standardı, gürültü bağışıklığı sağlamak amacıyla mantıksal 1 için $-3\text{ V ile }-15\text{ V}$ , mantıksal 0 için ise $+3\text{ V ile }+15\text{ V}$ arasında çift kutuplu gerilimler kullanır.

Tek bir $+5\text{ V}$ beslemeyle çalışan MAX232, içerisinde iki kademeli dahili charge pump devresi barındırır. Birinci kademe gerilimi ikiye katlayarak yaklaşık $+10\text{ V}$ üretirken, ikinci kademe bu gerilimi tersleyerek yaklaşık $-10\text{ V}$ polaritesine çeker.

MAX232 Dahili Yapısı — MAX232 Entegresi İçerisindeki Charge Pump Blokları

Bu dahili charge pump çıkış bacakları (Pin 2: $V+$ , Pin 6: $V-$ ) harici devreleri beslemek için de kullanılabilir. Örneğin, kart üzerinde yer kaplamasını istemediğiniz küçük bir op-amp katının negatif beslemesi, MAX232’nin Pin 6’sından ( $V-$ ) çekilebilir. Dönüştürücülerin detaylı verimlilik grafikleri ve akım sınırlamaları için MAX232 Datasheet veritabanını inceleyebilirsiniz.

Analog devre tasarımlarında simetrik beslemenin önemini anladıktan sonra, bu gerilimlerin grafik ekranlardaki pratik kullanımlarına bakmak için Arduino ve LCD ile Menü Yapımı başlıklı kılavuzumuzu inceleyebilirsiniz.

Yorum yapma özelliği, forum tarafından gelen istek sebebiyle kapatılmıştır. Lütfen tartışmalar ve sorularınız için topluluk forumumuza katılın.

DC-DC İnverting Tasarımında Topoloji ve Bileşen Seçimi

1. Switched-Capacitor (Charge Pump) Yöntemi ve Matematiksel Analizi

ICL7660 / MAX1044 Monolitik Voltaj Dönüştürücüler

2. Inverting Buck-Boost Topolojisi ve Matematiksel Analizi (LM2576 ve MC34063)

3. 555 Zamanlayıcı ile Deneysel Charge Pump Tasarımı

4. Donanımsal Entegre İçerisindeki Charge Pump: MAX232

İlgili Yazılar

ATtiny Model Karşılaştırması

ARM Nedir?

Akım Kaynağı

PN Bağlantılı Diyot / PN Junction

Güç Diyotları ve Doğrultucular(Redresör)