Napolnite vezje črpalke

Situacija je preprosta - imate nizkonapetostno tirnico, recimo 3,3 V, in želite napajati nekaj, kar potrebuje 5 V. To je težaven klic, še posebej, če gre za baterije. Edini očiten način je pretvornik preklopnega načina, natančneje pretvornik povečanja.

Tu smo dosegli oviro - pretvorniki za povečanje so pri nizkih močeh neučinkoviti, saj se veliko energije porabi samo za to, da regulacija ostane na mestu in poganja stikalo za vklop. Tudi pretvorniki načina preklopnega načina so hrupni - to je težava, če imate opravka z občutljivimi vezji. Ste v neprijetnem položaju preveč zasnovane rešitve. Linearni regulatorji ne delujejo obratno, zato je to izključeno kot premalo izdelano.

Kje torej potegnemo mejo med preveč inženirji in premalo inženirji?

Odgovor na to težavo je črpalka za polnjenje - ki je sama po sebi nekakšen vir napajanja v stikalnem načinu. Kot že ime pove, tovrstni pretvornik premika diskretne naboje in komponenta, ki shranjuje te diskretne naboje, je kondenzator, zato se takšen pretvornik imenuje tudi leteči kondenzatorski pretvornik.

Polnilna črpalka s pomočjo kondenzatorjev ustvari diskretne večkratnike vhodne napetosti.

Kako deluje črpalka za polnjenje?

Najboljši način, da to razumemo, je, da si predstavljamo naslednjo situacijo.

Kondenzator polnite z 9V baterijo, tako da je napetost na kondenzatorju tudi 9V. Nato vzamete še en kondenzator in ga napolnite do 9V. Zdaj zaporedno povežite dva kondenzatorja in izmerite napetost na njih - 18V.

To je osnovno načelo delovanja polnilne črpalke - vzemite dva kondenzatorja, jih napolnite posamično in nato postavite v serijo, čeprav se v pravi polnilni črpalki prerazporeditev izvede elektronsko.

Seveda to ni omejeno le na dva kondenzatorja, zaporedne stopnje lahko kaskadno dosežemo, da dobimo večje napetosti na izhodu.

Omejitve polnilnih črpalk

Preden ga izdelamo, je dobro spoznati omejitve polnilnih črpalk.

1. Razpoložljivi izhodni tok - ker polnilne črpalke niso nič drugega kot kondenzatorji, ki se polnijo in praznijo v ciklih, je razpoložljivi tok zelo nizek - v redkih primerih lahko z uporabo pravega čipa dobite 100 mA, vendar z nizkim izkoristkom.

2. Več stopenj, ki jih dodate, ne pomeni, da se izhodna napetost tolikokrat poveča - vsaka stopnja naloži izhod prejšnje stopnje, zato izhod ni popoln večkratnik vhoda. Ta težava se poslabša z več fazami, ki jih dodate.

Izdelava vezja polnilne črpalke

Tu prikazano vezje je za preprosto tristopenjsko polnilno črpalko, ki uporablja zimzeleno IC 555 časovnika. V nekem smislu je to vezje "modularno" - stopnje se lahko kaskadirajo za povečanje izhodne napetosti (pri čemer je treba upoštevati omejitev številka dve).

Potrebne komponente

1. Za oscilator 555

555 timer - bipolarna različica
10uF elektrolitski kondenzator (ločitev)
2x 100nF keramični kondenzator (ločevanje)
100pF keramični kondenzator (čas)
1K upor (čas)
10K upor (čas)

2. Za polnilno črpalko

6x diode IN4148 (priporočen tudi UF4007)
5x 10uF elektrolitski kondenzatorji
100uF elektrolitski kondenzator

Pomembno je omeniti, da morajo biti vsi kondenzatorji, ki se uporabljajo v polnilni črpalki, ocenjeni za nekaj voltov več od pričakovane izhodne napetosti.

Shema vezja

Takole izgleda na plošči:

Opis vezja črpalke za polnjenje

1. Časovnik 555

Tu prikazano vezje je enostaven oscilator 555 s časovnikom. Rezultat časovnih komponent je približno 500 kHz (kar je za bipolarne 555 že samo po sebi podvig). Ta visoka frekvenca zagotavlja, da se kondenzatorji na polnilni črpalki občasno 'osvežujejo', tako da napetost na izhodu nima prevelikega valovanja.

2. Črpalka za polnjenje

To je najbolj zastrašujoč del celotnega kroga. Tako kot večino drugih stvari je tudi to mogoče razumeti tako, da se razdeli na eno samo enoto:

Predpostavimo, da je pin 3, izhod časovnika 555, med zagonom majhen. Posledica tega je, da se kondenzator polni skozi diodo, saj je negativni terminal ozemljen. Ko gre izhod visoko, gre tudi negativni zatič visoko - ker pa je na kondenzatorju že naboj (ki zaradi diode ne more nikamor), je napetost na pozitivnem priključku kondenzatorja dejansko podvojena vhodna napetost.

Tu je pozitivni terminal kondenzatorja:

Končni rezultat je, da učinkovito dodate odmik V _CC na izhod časovnika 555.

Zdaj je ta napetost neposredno kot izhod neuporabna, saj gre za ogromno 50-odstotno valovanje. Da bi to rešili, dodamo detektor vrha, kot je prikazano na spodnji sliki:

To je izhod zgornjega vezja:

In uspešno smo podvojili izhodno napetost!

Nasveti za gradnjo vezij

Bipolar 555 je znan po dovodnih konicah, ki jih ustvarja na dovodni tirnici, saj izhodna potisna stopnja med prehodi skorajda skrajša dovod. Torej je ločevanje obvezno.

Na hiter ovinek vam povem nekaj o pravilnem ločevanju.

Tu je V _CC oscilator brez kakršnega koli ločevanja:

In tu je isti čep z ustreznim ločevanjem:

Jasno lahko vidite razliko, ki jo ima malo ločevanja.

Za stopnjo polnilne črpalke so priporočljivi keramični SMD kondenzatorji z nizko induktivnostjo. Schottkyjeve diode z nizkim padcem napetosti naprej tudi izboljšajo delovanje.

Uporaba CMOS 555 z ustrezno izhodno stopnjo (morda celo gonilnik vrat, kot je TC4420) lahko zmanjša (ne pa tudi odpravi) konice dobave.

Različice polnilne črpalke

Črpalke za polnjenje ne samo povečajo napetost, temveč jih je mogoče uporabiti za obračanje polarnosti napetosti.

To vezje deluje enako kot dvojnik napetosti - ko izhod 555 postane visok, se pokrovček napolni in ko izhod pade nizko, se potegne skozi drugi kondenzator v obratni smeri in ustvari negativno napetost na izhodu.

Kje lahko uporabim črpalko za polnjenje?

Napajanje bipolarnosti za op-ojačevalnike v vezju, kjer je na voljo samo ena napetost. Op-ojačevalniki ne porabijo veliko toka, zato je to popolnoma primerno. Lepo pri tem je, da se pretvornik in podvojnik lahko poganjata iz istega izhoda, kar ustvari recimo napajanje ± 12V iz napajanja 5V.
Gonilniki vrat - možnost zagona je možna, toda polnilna črpalka lahko ustvari višjo napetost, recimo z 12-voltnim pogonom iz napajanja 3,3 V. Bootstrapping vam v tem primeru ne bi dal več kot 7V.

Tako so črpalke za polnjenje preproste in učinkovite naprave, ki se uporabljajo za ustvarjanje diskretnih večkratnikov vhodne napetosti.