Что такое отрицательное напряжение
Понятие отрицательного напряжения иногда менее интуитивно понятно, чем понятие положительного напряжения. Возможно, это связано с тем, что во многих низковольтных электронных системах не используются источники отрицательного напряжения или потому, что «отрицательное» напряжение подразумевает, что источник имеет «меньше нуля» способность пропускать ток через цепь. Хотя многие полезные и даже высокопроизводительные устройства могут быть спроектированы и реализованы без отрицательного напряжения, понимание отрицательного напряжения является ключом к пониманию напряжения в целом, и большинство людей, работающих с электроникой, в конечном итоге столкнутся со схемой, для которой требуется источник питания с отрицательным напряжением, как, например, на следующем изображении.
Слово «напряжение» сейчас настолько распространено как в техническом, так и в повседневном контексте, что полезно время от времени напоминать себе, что такое напряжение на самом деле с научной точки зрения.
Электрический заряд может совершать работу, а работа анализируется и измеряется с помощью научной концепции энергии. Если заряженные частицы движутся по проводам и, например, заставляют вращаться двигатель, они обладают энергией и активно совершают работу. Напряжение – это электрическая энергия, но не активный вид энергии. Напряжение говорит нам о способности заряженных частиц совершать работу при соответствующих обстоятельствах, другими словами, напряжение – это форма потенциальной энергии. Более конкретно, это количество электрической потенциальной энергии (измеряемой в джоулях) на кулон электрического заряда.
Однако это определение все еще является неполным, поскольку напряжение не может существовать изолированно. Когда электрический заряд начинает совершать работу, он перемещается из одного места в другое, и аналогичным образом мы должны измерять напряжение как потенциальную энергию (на единицу заряда) в одном месте по отношению к потенциальной энергии (на единицу заряда) в другом месте. Таким образом, напряжение всегда является дифференциальным измерением. Когда мы говорим, что в какой-то момент цепь «работеат на пяти вольтах», на самом деле мы имеем в виду пять вольт относительно предполагаемой точки отсчета цепи при нулевом напряжении. Чтобы помочь понять концепцию напряжения, на следующем рисунке показан пример схемы электрической цепи и потока заряда, а также полезная аналогия с водой.
Чтобы лучше понять эту концепцию, мы думаем, что здесь будет полезна аналогия с высотой. Предположим, что гора Эверест имеет высоту 8800 метров, но если говорить отдельно, это число на самом деле бессмысленно. На самом деле мы имеем в виду, что пик Эвереста находится на высоте 8800 метров над уровнем моря. Уровень моря определяется как высота, равная нулю, т. е. эталонная высота. Самая низкая высота суши на земле, соответствующая поверхности Мертвого моря, составляет около 426 метров ниже уровня моря, что мы могли бы описать как высоту минус 426 метров.
Разница между положительной и отрицательной высотой – это их положение относительно точки отсчета для нулевых высот, точно так же, как разница между положительным и отрицательным напряжением – это их электрическое «положение» относительно опорного узла с нулевым напряжением. Если бы мы использовали дно Марианской впадины в качестве точки отсчета, и Эверест, и Мертвое море имели бы положительные высоты. Если бы мы использовали верхний край стратосферы в качестве точки отсчета, обе высоты были бы отрицательными. Точно так же мы могли бы «изменить» положительное напряжение на отрицательное или наоборот, создав новое напряжение и используя его в качестве точки отсчета нулевого напряжения.
Сравнение высоты особенно уместно, потому что действие гравитации аналогично действию потенциальной электрической энергии. Мяч на горе Эверест покатится к уровню моря, а мяч на уровне моря покатится к берегу Мертвого моря. Точно так же положительное напряжение вызывает протекание обычного тока от положительного узла к опорному узлу, а отрицательное напряжение вызывает протекание тока от опорного узла к отрицательному узлу.
Элементарные схемы часто начинаются с нестабилизированного источника питания, например, от батареи или настенного трансформатора, напряжение которого снижается до 5 В или 3,3 В с помощью линейного стабилизатора. Мы не можем использовать этот метод для создания отрицательного напряжения – не потому, что отрицательное напряжение принципиально отличается от положительного, а потому, что линейные стабилизаторы работают за счет рассеивания энергии. Чтобы преобразовать положительное напряжение в отрицательное, мы можем использовать схему стабилизатора, которая также накапливает энергию.
Конденсаторы и катушки индуктивности являются основными электронными компонентами, которые могут накапливать энергию, и оба могут использоваться для создания отрицательного напряжения. Генераторы отрицательного напряжения на основе конденсаторов относятся к категории цепей питания «зарядовый насос», а генераторы отрицательного напряжения на основе индуктора относятся к категории «импульсное преобразование». Решения на основе индукторов, которые также называют DC/DC-преобразователями и импульсными источниками питания, встречаются гораздо чаще.
Хотя многие электронные устройства выполняют требуемые функции без отрицательного напряжения питания, некоторые приложения значительно выигрывают от наличия «биполярного» источника питания, то есть источника питания с шинами как положительного, так и отрицательного напряжения. Например, отрицательное напряжение позволяет синусоидальным сигналам распространяться выше и ниже нуля, как это делает теоретическая синусоида, а мощные усилители с биполярным питанием не нуждаются в (потенциально дорогом) блокировочном конденсаторе постоянного тока.
© digitrode.ru