基于555定时器的负电压发生器电路图 负电压发生器的工作原理和应用

一、负电压发生器的定义

负电压发生器，顾名思义，是一种能够产生负电压的电子设备。在电子电路中，电压的极性对于电路的功能和性能具有重要影响。虽然大多数电子设备主要使用正电压，但在某些特定应用中，如运算放大器供电、IGBT或MOSFET的门极驱动、以及通讯接口等，负电压的存在是不可或缺的。负电压发生器通过特定的电路设计和元件选择，实现了将正电压转换为负电压的功能。

二、负电压发生器的工作原理

负电压发生器的工作原理基于多种电路技术和元件的组合应用。以下是几种常见的负电压产生方式及其工作原理：

1、电荷泵（Charge Pump）方式

电荷泵是一种利用电容器充放电原理来产生负电压的电路。其基本思想是通过控制开关的通断，使电容器在输入电压的正半周期充电，在负半周期放电，从而在输出端产生负电压。电荷泵电路简单、成本低廉，但输出电流和电压范围有限，适用于对电压和电流要求不高的场合。

2、开关电源（Switched-Mode Power Supply, SMPS）方式

开关电源利用电感器、电容器等储能元件和开关器件（如MOSFET）的高频开关动作，实现电压的转换和调节。在负电压产生中，开关电源可以通过特定的电路拓扑（如Buck-Boost、Flyback等）将正电压转换为负电压。开关电源具有效率高、输出稳定、调节范围宽等优点，是目前应用最广泛的负电压产生方式之一。

3、稳压器（Regulator）方式

稳压器是一种能够保持输出电压稳定的电子设备。虽然传统的线性稳压器不能直接产生负电压，但通过特定的电路设计（如使用反向连接的稳压二极管或集成负电压稳压器芯片），可以实现负电压的输出。这种方式相对简单，但效率较低，且需要额外的元件来产生负电压。

4、集成负电压发生器芯片

随着集成电路技术的发展，出现了许多专门用于产生负电压的集成芯片。这些芯片内部集成了电荷泵、开关电源或其他负电压产生电路，并提供了稳定的输出电压和电流。使用集成负电压发生器芯片可以简化电路设计、提高可靠性并降低成本。

三、负电压发生器的应用

负电压发生器在电子电路设计中具有广泛的应用，以下是一些典型的应用场景：

1、运算放大器供电

许多运算放大器需要双极性电源供电（即正负电压同时供电）。负电压发生器可以为这些运算放大器提供所需的负电压，从而确保其在整个工作范围内都能正常工作。

2、IGBT或MOSFET的门极驱动

在电力电子领域，IGBT或MOSFET等功率半导体器件的门极驱动电路经常需要负电压来确保器件的可靠关断。负电压发生器可以产生所需的负电压，从而提高电路的可靠性和性能。

3、通讯接口

某些通讯接口（如RS232）需要负电压来表示特定的信号状态。负电压发生器可以为这些接口提供所需的负电压信号，从而确保通讯的正常进行。

4、自毁电路

在某些特殊应用中，如安全控制系统中的自毁电路，负电压发生器可以用来产生足够高的负电压以摧毁目标芯片或电路。这种方式可以在特定条件下保护系统安全或防止信息泄露。

5、其他应用

除了上述应用场景外，负电压发生器还可以用于其他需要负电压供电的场合，如模拟电路中的偏置电压产生、数字电路中的电平转换等。

四、基于555定时器的负电压发生器电路图

1、使用 IC 555 的负电压发生器电路图

我们知道运算放大器、传感器和一些信号调理电路需要负电压作为偏置和参考电压。添加用于获得负电压的硬件会增加电路的尺寸和成本。这是使用 IC 555通过负电压发生器电路获得它的简单易行的方法。

当需要恒定的负电压作为偏置时，可以使用负整流和负线性稳压器或双轨供电电路。在某些情况下，我们需要可变的负电压作为微控制器、传感器或信号调理电路的参考。在这种情况下，您可以使用这种类型的负电压发生器，并且可以通过更改定时器 IC 555 输出频率来根据需要改变输出电压。

使用 IC 555 原型的负电压发生器电路

该电路生成负电压轨并利用单轨电源形成双轨。

该电路的工作分为两部分，一是振荡器，二是通过电容器充电和放电。这里，二极管 D1、D2 (1N4007) 有助于允许和阻止来自电容器的变化电势的流动。

正如您所发现的，该电路在非稳态多谐振荡器模式下使用定时器 IC 555，并根据定时电阻器（R1、R2）和定时电容器 C1 值生成方波脉冲输出。

上述电路中输出脉冲频率f为，

在这里，我们选择了产生 -3.7V（负）输出的元件。更改 R1、R2 和 C1 的值以获得不同的输出范围，记住输出电压仅限于施加到定时器 IC 555 的最大 Vcc。

让我们继续讨论工作细节，在方波脉冲输出中将有正脉冲持续时间和“0”或接地脉冲持续时间。

当正脉冲持续时间出现在引脚 3（定时器 IC 555 的输出）上时，电压从 0 上升到半 Vcc，在此期间，电容器 C3 正极板充电，由于电容耦合，负极板也充电，当负极板C3 板达到 0.7V，然后二极管 D1 开始以正向偏置导通。因此，由于二极管 D1，C3 的正极板保持在 Vcc 的一半，负极板保持在 0.7V。

当“0”或接地脉冲出现时，电容器C3正极板突然从Vcc的一半下降到“0”，因此由于两个板的电容耦合，将保持一半Vcc的电势差。然后负极板下降到-Ve Half Vcc，由于反向偏压，二极管 D1 无法导通，但 D2 由于正向偏压而开始导通，C4 获得负电势电荷，平滑输出电压（负），此循环重复进行我们得到恒定的负电压输出。

每个电路都需要完美的偏置电源才能良好运行，有时集成电路或特殊组件或输出执行器需要负电压。主直流电源经过整流和调节后，我们无法立即产生负电源。在这篇原型文章中，负电压发生器电路给出了简化的物料清单，它可以轻松地用于任何电路原理图。

2、使用IC 555的负电压发生器电路图

在进入负电压发生器电路之前，首先我们应该了解负电压以及负电压周期与正弦波的分离。当正弦函数相对于时间移动时，它将有正循环和负循环。当我们使用二极管限幅器时，我们只能得到负周期或只能得到正周期。这里给出了负循环输出的二极管电路示例。

在该电路中，二极管 D1 在正周期期间导通（0.7V 之后）并将信号接地，D2 处于关断状态。负周期时D2二极管导通信号并输出​​，但D1转为截止状态，顺便说一下，每个正周期都接地，只有负周期才输出。

使用定时器IC 555实现非稳态多谐振荡器电路，然后使用二极管限幅器将输出方波脉冲分离为负输出。

该电路中信号振荡器是无稳态多谐振荡器，电压转换器是二极管限幅器。当我们向该电路施加偏压时，IC 555通过pin3给出正负电平的方波输出，当方波脉冲到达二极管限幅器时，正脉冲接地，负脉冲仅传导到输出，如二极管限幅器理论中提到的。

3、采用555定时器IC和二极管的负电压发生器电路图

当涉及低电流应用时，电子应用中通常需要负电压。然而，获得负供给源并不是一个可行的选择。对于许多需要最小功率的电子电路，我们无法使用负电压电源。可以从正电源产生负电压的电路可用于参考或低功耗应用。因此，我们讨论产生负电压的电路。简而言之，在本教程中，我们将制作一个“负电压发生器电路”。

该电路采用555定时器IC和二极管作为主要元件。在深入研究负电压发生器电路的制作之前，了解负电压以及正弦波和负电压周期之间的区别非常重要。当sin函数相对于时间运动时，它既有正循环又有负循环。当我们使用二极管限幅器时，我们可能会获得负周期或仅正周期。

这是基本的负电压发生器电路，可以在 9 伏的输入电压下工作。 555定时器IC用于产生负电压。 IC 通电后将从其输出引脚 3 产生方波。方波将在整个周期中产生正电压和负电压。当正电压施加到IC的输出引脚时，连接到其上的10uF电容器（C4）通过1N4002二极管D1充电，并且不向输出提供正电压。当存在负电压时，该电容器通过另一个二极管 D2 放电，并且 3 C5 电容器充电，从而产生负电压。

4、使用 555 定时器 IC 的负电压发生器电路图

在本教程中，我们将演示使用 555 定时器 IC 的负电压发生器电路。大多数时候，我们需要负电压来满足电子领域的某些应用。当低电流应用需要时，使用负电源并不可靠。有一些商业选项，但它们通常很昂贵，或者在您需要时不容易获得。因此，该电路可用作负电源，适用于所有实际用途。

该电路从正电源产生负电源。这是一个简单的电路，可以轻松适应各种要求。我们使用最流行和最通用的 IC 之一，即 555 定时器 IC 和一些其他组件。

该电路简单，可以在5-15伏的输入电压下工作。 555定时器IC用作负电压发生器。接通电源后，IC 将从其输出引脚（引脚 3）产生方波。方波的这个周期将产生正电压和负电压。当有正电压时，连接在IC输出引脚上的22uF电容器将通过1N4002二极管D1充电，并且没有正电压输出。当存在负电压时，该电容器通过其他二极管 D2 放电，33uF 电容器充电，输出将提供 -3 伏至 -13 伏的负电压。

5、基于555定时器IC的负电压发生器电路图

在本教程中，我们正在开发一个负电压发生器项目，该项目易于制造并且需要一些低成本组件。在电子应用中，我们通常需要负电压。然而，当需要低电流应用时，负电源并不是一个可靠的选择。

对于许多需要低功耗的电子电路，我们不能采用负电压电源。对于参考或低功率用途的应用，人们可能会选择能够从正电压电源产生负电压的电路。

为此，存在各种循环。在这里，构建了一个基本的负电压发生器电路。该电路由555定时器IC电路构成。

上图为负电压发生器电路图。这里的555定时器IC是一个ASTABLE振动器。可以修改电容器，使其为全负电压。选择应该完成。如果不选择该能力，则无法达到输出处的最佳负张力。

555 定时器 IC 用作方波发生器并产生方波，如前所述。正方形有一个正峰值，+0 是一个完整的循环。

当输出端的电压峰值为正时，现在将出现电流（红线），如下图所示。此时D1二极管优先选择正向，D2二极管优先选择反向。

因此，如图所示，电容器C1被充满，并且其上产生VCC电压。

如果在正峰值后接地，电流（红线）将继续流动，如上图所示。此时二极管D1反向偏置，二极管D2正向偏置。当 D2 发生故障时，C1 电容器中沉积的负载将有一种流动方式。因此，电容器C1通过D2放电，电容器C2被充电。该图显示了这一点。因此，在整个 0 V 信号期间，C2 电容器中将出现电压。

如果接地受到影响，C2 上的电压将为负。这样对每个回路进行恒定的充电和上传，并通过地输出恒定的负电压。

对于许多需要低功率的电子电路，我们不能使用负电压电源。人们可以使用电路从正电压源产生负电压，用于参考或低功率应用。

五、相关知识

1、电压极性

电压的极性是指电压的正负方向。在电路中，电压的极性对于电路的工作状态和性能具有重要影响。正电压表示电流从高电位流向低电位；而负电压则表示电流从低电位流向高电位。

2、电子元件

负电压发生器的实现离不开各种电子元件的支持。常见的电子元件包括电容器、电感器、二极管、开关器件（如MOSFET）以及集成芯片等。这些元件在电路中扮演着不同的角色，共同实现了负电压的产生和调节。

3、电路拓扑

电路拓扑是指电路中元件之间的连接方式。不同的电路拓扑可以实现不同的电路功能和性能。在负电压发生器中，常见的电路拓扑包括Buck-Boost、Flyback等。这些电路拓扑通过特定的元件连接方式和控制策略，实现了正电压到负电压的转换和调节。

4、能量转换与存储

负电压发生器的核心在于能量的转换与存储。在电荷泵方式中，电容器作为储能元件，在开关的控制下交替充放电，实现能量的转换和负电压的生成。而在开关电源方式中，电感器和电容器共同协作，通过高频开关动作将输入电压的能量转换为所需的负电压输出。这种能量转换过程不仅要求高效，还需要确保输出电压的稳定性和精度。

5、稳定性与纹波

负电压发生器的输出稳定性是衡量其性能的重要指标之一。稳定性包括输出电压的波动范围、温度稳定性以及负载变化时的稳定性等。同时，纹波也是负电压发生器输出中需要关注的一个问题。纹波是指输出电压中叠加的交流成分，它会影响电路的工作性能和稳定性。因此，在设计和选择负电压发生器时，需要综合考虑其稳定性指标和纹波特性。

6、效率与功耗

效率是负电压发生器在工作过程中将输入电能转换为输出电能的有效程度。高效率意味着更少的能量损失和更低的功耗。在开关电源方式中，由于采用了高频开关技术和优化的电路拓扑，可以实现较高的效率。然而，在高效率的追求下，也需要注意到开关动作可能带来的电磁干扰和噪声问题。

7、保护电路

为了保护负电压发生器免受损坏，通常会设计一些保护电路来监测和限制其工作状态。例如，过流保护电路可以在输出电流超过设定值时切断电源；过压保护电路则可以在输出电压过高时自动调整或切断输出；过热保护电路则可以监测元件温度并在必要时采取措施防止过热损坏。这些保护电路对于提高负电压发生器的可靠性和安全性具有重要意义。

六、负电压发生器的设计考虑

在设计负电压发生器时，需要考虑以下几个方面的因素：

应用需求：首先需要明确负电压发生器的应用场景和具体需求，包括输出电压的幅值、电流、稳定性、纹波等参数要求。这将有助于选择合适的电路拓扑和元件。

成本与效益：在设计过程中需要综合考虑成本和效益之间的关系。虽然高性能的负电压发生器可以提供更好的性能表现，但也会带来更高的成本。因此，需要根据实际需求权衡利弊，选择性价比最优的方案。

可靠性与安全性：负电压发生器作为电子设备的一部分，其可靠性和安全性对于整个系统的稳定运行具有重要意义。因此，在设计过程中需要注重元件的选择和电路的布局布线等方面的问题，以确保设备的可靠性和安全性。

可扩展性与升级性：随着技术的不断发展和应用需求的变化，负电压发生器可能需要进行升级或扩展。因此，在设计过程中需要考虑到这一点，为未来的升级和扩展预留一定的空间和接口。

七、结论

负电压发生器作为一种重要的电子设备，在电子电路设计中具有广泛的应用。通过不同的电路技术和元件组合应用，可以实现高效、稳定、可靠的负电压输出。在设计负电压发生器时，需要综合考虑应用需求、成本与效益、可靠性与安全性以及可扩展性与升级性等因素。随着电子技术的不断发展和创新，负电压发生器也将不断更新换代并呈现出更加智能化、多功能化的发展趋势。未来，我们有理由相信负电压发生器将在更多领域发挥其重要作用并为电子技术的发展做出更大的贡献。