Зарядний контур насоса

Ситуація проста - у вас є низьковольтна лінія живлення, скажімо, 3,3 В, і ви хочете живити щось, що потребує 5 В. Це важкий виклик, особливо якщо задіяні акумулятори. Єдиним очевидним способом є перетворювач режиму перемикання, точніше перетворювач підсилення.

Тут ми натрапили на блокпост - перетворювачі підсилення неефективні при низьких потужностях, оскільки багато енергії витрачається лише на підтримку регулювання в точці та керування вимикачем живлення. Крім того, перетворювачі режиму перемикання цього типу шумні - це проблема, якщо ви маєте справу з чутливою схемою. Ви знаходитесь у незручному положенні надмірно розробленого рішення. Лінійні регулятори не працюють у зворотному напрямку, тому це виключено як недостатньо розроблене.

Отже, де ми проводимо межу між надмірно інженерними та недостатньо інженерними?

Відповіддю на цю проблему є зарядний насос, який сам по собі є свого роду джерелом живлення в режимі перемикання. Як випливає з назви, цей тип перетворювача переміщує дискретні заряди навколо, а компонентом, що зберігає ці дискретні заряди, є конденсатор, тому цей перетворювач також називають перетворювачем літаючих конденсаторів.

Зарядний насос створює дискретні кратні вхідної напруги за допомогою конденсаторів.

Як працює зарядний насос?

Найкращий спосіб зрозуміти це - уявити наступну ситуацію.

Ви заряджаєте конденсатор за допомогою акумулятора 9 В, тому напруга на конденсаторі також становить 9 В. Потім ви берете інший конденсатор і теж заряджаєте його до 9 В. Тепер з'єднайте два конденсатори послідовно і виміряйте напругу на них - 18 В.

Це основний принцип роботи зарядного насоса - візьміть два конденсатори, зарядіть їх окремо, а потім поставте їх послідовно, хоча в реальному зарядному насосі перестановка виконується в електронному вигляді.

Звичайно, це не обмежується лише двома конденсаторами, послідовні каскади можуть бути каскадними для отримання більш високих напруг на виході.

Обмеження зарядних насосів

Перш ніж ми його побудуємо, непогано ознайомитись з обмеженнями зарядних насосів.

1. Доступний вихідний струм - оскільки насосні заряди - це не що інше, як конденсатори, які заряджаються і розряджаються циклами, доступний струм дуже низький - рідко бувають випадки, коли використання правильної мікросхеми може отримати 100 мА, але з низькою ефективністю.

2. Чим більше каскадів ви додасте, це не означає, що вихідна напруга зростає стільки разів - кожен каскад завантажує вихід попереднього каскаду, тому вихід не є ідеальним кратним вхідному. Ця проблема погіршується, чим більше етапів ви додаєте.

Побудова схеми зарядного насоса

Схема, показана тут, призначена для простого триступеневого зарядного насоса, який використовує вічнозелений мікросхемний таймер 555. У певному сенсі ця схема є `` модульною '' - каскади можуть бути каскадними для збільшення вихідної напруги (маючи на увазі обмеження номер два).

Потрібні компоненти

1. Для осцилятора 555

• 555 таймер - біполярний варіант
• Електролітичний конденсатор 10 мкФ (роз'єднання)
• 2x керамічний конденсатор 100 нФ (розв'язка)
• Керамічний конденсатор 100pF (хронометраж)
• 1K резистор (синхронізація)
• 10K резистор (синхронізація)

2. Для зарядного насоса

• 6x діодів IN4148 (також рекомендується UF4007)
• 5x 10uF електролітичні конденсатори
• Електролітичний конденсатор 100 мкФ

Важливо відзначити, що всі конденсатори, що використовуються в зарядному насосі, повинні бути розраховані на кілька вольт більше, ніж очікувана вихідна напруга.

Кругова діаграма

Ось як це виглядає на макеті:

Опис схеми зарядного насоса

1. Таймер 555

Схема, показана тут, являє собою простий осцилятор з таймером 555. Частотні компоненти призводять до частоти близько 500 кГц (що для біполярного 555 є подвигом саме по собі). Ця висока частота гарантує, що конденсатори на зарядному насосі періодично `` оновлюються '', щоб напруга на виході не мала занадто великої пульсації.

2. Зарядний насос

Це найбільш залякує частина всієї схеми. Як і більшість інших речей, це можна зрозуміти, розбивши його на одну одиницю:

Припустимо, що контакт 3, вихід таймера 555, є низьким під час запуску. Це призводить до зарядки конденсатора через діод, оскільки негативна клема тепер заземлена. Коли вихідний сигнал стає високим, негативний висновок також піднімається високим - але оскільки на конденсаторі вже є заряд (який нікуди не може дітися через діод), напруга, що спостерігається на позитивній клемі конденсатора, фактично подвоює вхідну напругу.

Ось позитивний висновок конденсатора:

Кінцевим результатом є те, що ви фактично додаєте зміщення V _CC до виходу таймера 555.

Зараз ця напруга безпосередньо на виході марна, оскільки там 50% пульсацій. Щоб вирішити цю проблему, ми додаємо детектор піків, як показано на малюнку нижче:

Це вихід вищезазначеної схеми:

І ми успішно подвоїли вихідну напругу!

Поради щодо побудови ланцюга

Біполярний 555 відомий стрибками живлення, які він генерує на подаючій рейці, оскільки вихідний двотактний каскад майже стискає подачу під час переходів. Тож розв’язування є обов’язковим.

Я швидко піду в об’їзд, щоб розповісти вам щось про правильну розв’язку.

Ось штифт V _CC генератора без будь-якого роз’єднання:

І ось той самий штифт з належним роз’єднанням:

Ви можете чітко помітити різницю, яку робить трохи роз’єднання.

Керамічні SMD-конденсатори з низькою індуктивністю рекомендуються для каскаду насоса заряду. Діоди Шотткі з низьким прямим падінням напруги також покращують продуктивність.

Використання CMOS 555 з належним вихідним каскадом (можливо, навіть драйвером шлюзу, таким як TC4420) може зменшити (але не усунути) стрибки подачі.

Варіації зарядного насоса

Зарядні насоси не тільки збільшують напругу, вони можуть використовуватися для інвертування полярності напруги.

Ця схема працює так само, як і удвоєтель напруги - коли вихід 555 стає високим, ковпачок заряджається, а коли вихід стає низьким, заряд витягується через другий конденсатор у зворотному напрямку, створюючи негативну напругу на виході.

Де я можу використовувати зарядний насос?

• Біполярність живлення для операційних підсилювачів в ланцюзі, де доступна лише одна напруга. Операційні підсилювачі не споживають багато струму, тому вони ідеально підходять. Приємним у цьому є те, що інвертор і дублер можуть приводитися в рух з одного вихідного сигналу, створюючи, скажімо, живлення ± 12 В від джерела живлення 5 В.
• Драйвери воріт - варіант завантаження - це варіант, але зарядний насос може генерувати більш високу напругу, скажімо, маючи 12В привід затвора від джерела живлення 3,3 В. В цьому випадку завантаження не дасть вам більше 7 В.

Отже, насоси Charge - це прості та ефективні пристрої, що використовуються для створення дискретних кратних вхідних напруг.