Analisando uma bomba de carga de tensão negativa no LTspice - fonte e resistência de carga

Anteriormente, escrevi um artigo que explicava os princípios básicos da tensão negativa e continuei esse tema com um laboratório LTspice que usava simulações para elucidar a tensão negativa como algo que ocorre e é produzido por circuitos elétricos. Como parte deste laboratório LTspice, também apresentarei uma topologia de circuito que pode produzir uma tensão negativa estável e capaz de fornecer corrente a outros componentes.

Nesta nova série de artigos, gostaria de dar uma olhada mais detalhada na funcionalidade deste circuito de tensão negativa, com o objetivo de melhorar nossa compreensão de como uma fonte de alimentação de capacitor chaveado real e fontes de alimentação, em geral, pode ser otimizado.

Antes de nos aprofundarmos, vejamos a Figura 1, que mostra o circuito da bomba de carga que apresentei anteriormente no último artigo sobre tensão negativa.

No esquema do circuito, V1 produz a tensão de entrada e V2 gera uma onda quadrada de 500 kHz que controla todas as quatro chaves. Devido aos diferentes valores de resistência atribuídos aos estados ligado e desligado nos modelos SW1 e SW2, S1 e S3 estão ligados quando S2 e S3 estão desligados e vice-versa. A tensão da fonte carrega o capacitor C1 quando S1 e S3 permitem o fluxo de corrente, então todos os quatro interruptores mudam de estado, de forma que C1 descarrega no lado direito do circuito.

Em seguida, C2 adquire uma diferença de potencial igual à tensão da fonte V1, mas como o terminal de tensão mais alta de C2 está aterrado, o terminal de tensão mais baixa deve se deslocar para a região de tensão negativa. Assim, a tensão no nó INVERTED é igual a V(FONTE) negativo. Em outras palavras, VOUT = –VIN.

O gráfico abaixo (Figura 2) mostra a tensão de saída diminuindo e permanecendo em –VIN.

Talvez você esteja se perguntando se o circuito do capacitor comutado é bom demais para ser verdade. Apenas dois capacitores, quatro interruptores e uma onda quadrada? Isso é tudo o que precisamos para gerar um trilho de alimentação de tensão negativa bem regulado? Bem, não exatamente; este circuito não é realmente um regulador de tensão.

Não é um regulador de tensão porque falta algo que é fundamental para a operação de reguladores lineares e reguladores de modo de comutação: um subsistema de realimentação. Os reguladores mantêm tensões de alimentação estáveis ​​e previsíveis, monitorando a saída e compensando as variações de carga por meio de feedback negativo.

Nossa bomba de carga de capacitor chaveado não possui nenhum tipo de sistema de controle de feedback negativo e, consequentemente, uma diminuição na resistência de carga causará uma diminuição correspondente na tensão de saída. Isso ocorre porque a rede de saída é essencialmente um divisor de tensão. Com isso em mente, temos o –VIN completo na saída quando RLOAD = 100 kΩ apenas porque 100 kΩ é muito maior que a resistência da fonte (ROUT) da bomba de carga. À medida que RLOAD diminui em direção a ROUT, a tensão é dividida mais igualmente entre essas duas resistências e, portanto, a tensão de saída (ou seja, a tensão em RLOAD) diminui.

Você também pode pensar nisso em termos de corrente de carga. Digamos que a operação do circuito de carga mude de forma que a fonte deva fornecer mais corrente (isso é eletricamente equivalente a uma redução em RLOAD). Quando isso ocorre, mais corrente flui por ROUT, mais tensão cai em ROUT e uma proporção menor da diferença de potencial de entrada está disponível no nó de saída.

Podemos usar um comando de texto .step, colocado diretamente no esquema LTspice, para avaliar visualmente o efeito da variação do RLOAD:

Esta instrução fará com que a simulação seja executada uma vez para cada valor na lista anexada à variável LOAD. Queremos atribuir esses valores ao componente RLOAD e conseguimos isso usando {LOAD} (não se esqueça das chaves) no campo de valor do componente (mostrado na Figura 3):

O resultado pode ser visto na Figura 4 abaixo.

Os três valores de resistência mais altos (100 kΩ, 10 kΩ, 1 kΩ) levam a um desempenho semelhante, e os traços correspondentes a esses três valores são quase indistinguíveis. No entanto, em 100 Ω (o traço bege), começamos a notar uma diminuição na tensão de saída e em 10 Ω (o traço verde), a diminuição é bastante acentuada.