Κύκλωμα αντλίας φόρτισης

Η κατάσταση είναι απλή - έχετε ράγα τροφοδοσίας χαμηλής τάσης, ας πούμε 3.3V και θέλετε να τροφοδοτήσετε κάτι που χρειάζεται 5V. Αυτή είναι μια δύσκολη κλήση, ειδικά εάν πρόκειται για μπαταρίες. Ο μόνος προφανής τρόπος είναι ένας μετατροπέας λειτουργίας διακόπτη, πιο συγκεκριμένα ένας μετατροπέας ενίσχυσης.

Εδώ χτυπάμε ένα οδόφραγμα - οι μετατροπείς ενίσχυσης είναι αναποτελεσματικοί σε χαμηλές δυνάμεις, καθώς καταναλώνεται πολύ ενέργεια μόνο για τη διατήρηση της ρύθμισης στο σημείο και την οδήγηση του διακόπτη ισχύος. Επίσης, οι μετατροπείς λειτουργίας διακόπτη αυτού του τύπου είναι θορυβώδεις - αυτό είναι ένα πρόβλημα εάν αντιμετωπίζετε ευαίσθητα κυκλώματα. Βρίσκεστε στην άβολη θέση μιας υπερ-μηχανικής λύσης. Οι γραμμικοί ρυθμιστές δεν λειτουργούν αντίστροφα, επομένως αυτό αποκλείεται ως υπο-κατασκευασμένο.

Λοιπόν, πού σχεδιάζουμε τη γραμμή μεταξύ υπερ-μηχανικής και υπο-μηχανικής;

Η απάντηση σε αυτό το πρόβλημα είναι η Αντλία φόρτισης - η οποία από μόνη της είναι ένα είδος τροφοδοσίας λειτουργίας διακόπτη. Όπως υποδηλώνει το όνομα, αυτός ο τύπος μετατροπέα μετακινεί διακριτά φορτία και το στοιχείο που αποθηκεύει αυτές τις διακριτές χρεώσεις είναι ο πυκνωτής, έτσι αυτό το είδος μετατροπέα ονομάζεται επίσης Flying Capacitor Converter.

Μια αντλία φόρτισης δημιουργεί διακριτά πολλαπλάσια της τάσης εισόδου χρησιμοποιώντας πυκνωτές.

Πώς λειτουργεί μια αντλία φόρτισης;

Ο καλύτερος τρόπος να το καταλάβετε είναι να φανταστείτε την ακόλουθη κατάσταση.

Φορτίζετε έναν πυκνωτή χρησιμοποιώντας μια μπαταρία 9V, οπότε η τάση στον πυκνωτή είναι επίσης 9V. Στη συνέχεια, παίρνετε έναν άλλο πυκνωτή και το φορτίζετε και στα 9V. Τώρα συνδέστε τους δύο πυκνωτές σε σειρά και μετρήστε την τάση μεταξύ τους - 18V.

Αυτή είναι η βασική αρχή λειτουργίας της αντλίας φόρτισης - πάρτε δύο πυκνωτές, φορτίστε τους ξεχωριστά και μετά βάλτε τους σε σειρά, αν και σε μια αντλία πραγματικής φόρτισης η αναδιάταξη γίνεται ηλεκτρονικά.

Φυσικά αυτό δεν περιορίζεται σε δύο μόνο πυκνωτές, τα διαδοχικά στάδια μπορούν να κλιμακωθούν για να λάβουν υψηλότερες τάσεις στην έξοδο.

Περιορισμοί αντλιών φόρτισης

Πριν δημιουργήσουμε ένα, είναι καλή ιδέα να γνωρίσουμε τους περιορισμούς των αντλιών φόρτισης.

1. Διαθέσιμο ρεύμα εξόδου - δεδομένου ότι οι αντλίες φόρτισης δεν είναι παρά πυκνωτές που φορτίζονται και αποφορτίζονται σε κύκλους, το διαθέσιμο ρεύμα είναι πολύ χαμηλό - υπάρχουν σπάνιες περιπτώσεις όπου η χρήση του σωστού τσιπ μπορεί να σας πάρει 100mA, αλλά σε χαμηλές αποδόσεις.

2. Τα περισσότερα στάδια που προσθέτετε δεν σημαίνει ότι η έξοδος τάσης αυξάνεται πολλές φορές - κάθε στάδιο φορτώνει την έξοδο του προηγούμενου σταδίου, οπότε η έξοδος δεν είναι ένα τέλειο πολλαπλάσιο της εισόδου. Αυτό το πρόβλημα επιδεινώνεται όσο περισσότερα στάδια προσθέτετε.

Δημιουργία κυκλώματος αντλίας φόρτισης

Το κύκλωμα που εμφανίζεται εδώ είναι για μια απλή αντλία φόρτισης τριών σταδίων που χρησιμοποιεί το αειθαλές χρονοδιακόπτη 555 IC. Κατά μία έννοια, αυτό το κύκλωμα είναι «αρθρωτό» - τα στάδια μπορούν να κλιμακωθούν για να αυξήσουν την τάση εξόδου (έχοντας κατά νου τον περιορισμό νούμερο δύο).

Απαιτούμενα στοιχεία

1. Για τον ταλαντωτή 555

• Χρονοδιακόπτης 555 - διπολική παραλλαγή
• Ηλεκτρολυτικός πυκνωτής 10uF (αποσύνδεση)
• Κεραμικός πυκνωτής 2x 100nF (αποσύνδεση)
• Κεραμικός πυκνωτής 100pF (χρονισμός)
• 1Κ αντίσταση (χρονισμός)
• 10K αντίσταση (χρονισμός)

2. Για την αντλία φόρτισης

• 6x δίοδοι IN4148 (συνιστάται επίσης UF4007)
• Ηλεκτρολυτικοί πυκνωτές 5x 10uF
• Ηλεκτρολυτικός πυκνωτής 100uF

Ένα σημαντικό πράγμα που πρέπει να σημειωθεί είναι ότι όλοι οι πυκνωτές που χρησιμοποιούνται στην αντλία φόρτισης πρέπει να βαθμολογούνται για μερικά βολτ περισσότερο από την αναμενόμενη τάση εξόδου.

Διάγραμμα κυκλώματος

Έτσι φαίνεται στο breadboard:

Περιγραφή κυκλώματος αντλίας φόρτισης

1. Ο χρονοδιακόπτης 555

Το κύκλωμα που εμφανίζεται εδώ είναι ένας απλός ταλαντωτής 555 χρονοδιακόπτη. Τα στοιχεία χρονισμού έχουν ως αποτέλεσμα μια συχνότητα περίπου 500kHz (η οποία για ένα διπολικό 555 είναι από μόνη της ένα επίτευγμα). Αυτή η υψηλή συχνότητα διασφαλίζει ότι οι πυκνωτές στην αντλία φόρτισης ανανεώνονται περιοδικά έτσι ώστε η τάση στην έξοδο να μην έχει υπερβολική κυματισμό.

2. Η αντλία φόρτισης

Αυτό είναι το πιο εκφοβιστικό μέρος ολόκληρου του κυκλώματος. Όπως τα περισσότερα άλλα πράγματα, μπορεί να γίνει κατανοητό με τη διάσπασή του σε μία μονάδα:

Ας υποθέσουμε ότι ο ακροδέκτης 3, η έξοδος του χρονοδιακόπτη 555, είναι χαμηλός κατά την εκκίνηση. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τη φόρτιση του πυκνωτή μέσω της διόδου, καθώς ο αρνητικός ακροδέκτης είναι πλέον γειωμένος. Όταν η έξοδος πηγαίνει υψηλή, η αρνητική ακίδα πηγαίνει επίσης πολύ - αλλά επειδή υπάρχει ήδη μια φόρτιση στον πυκνωτή (που δεν μπορεί να πάει πουθενά λόγω της διόδου), η τάση που φαίνεται στο θετικό τερματικό του πυκνωτή διπλασιάζει αποτελεσματικά την τάση εισόδου.

Εδώ είναι το θετικό τερματικό του πυκνωτή:

Το τελικό αποτέλεσμα είναι ότι προσθέτετε αποτελεσματικά μια μετατόπιση του V _CC στην έξοδο του χρονοδιακόπτη 555.

Τώρα αυτή η τάση απευθείας ως έξοδος είναι άχρηστη, καθώς υπάρχει τεράστιος κυματισμός 50%. Για να το λύσουμε, προσθέτουμε έναν ανιχνευτή κορυφής όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα:

Αυτή είναι η έξοδος του παραπάνω κυκλώματος:

Και διπλασιάσαμε με επιτυχία την έξοδο τάσης!

Συμβουλές κατασκευής κυκλώματος

Το διπολικό 555 είναι γνωστό για τις αιχμές τροφοδοσίας που δημιουργεί στη ράγα τροφοδοσίας, καθώς το στάδιο ώθησης-τραβήγματος εξόδου μειώνει σχεδόν την τροφοδοσία κατά τη διάρκεια μεταβάσεων. Επομένως, η αποσύνδεση είναι υποχρεωτική.

Θα κάνω μια γρήγορη παράκαμψη για να σας πω κάτι για τη σωστή αποσύνδεση.

Εδώ είναι ο πείρος V _CC του ταλαντωτή χωρίς καμία αποσύνδεση:

Και εδώ είναι ο ίδιος πείρος με σωστή αποσύνδεση:

Μπορείτε να δείτε ξεκάθαρα τη διαφορά που κάνει λίγη αποσύνδεση.

Οι κεραμικοί πυκνωτές SMD χαμηλής επαγωγής συνιστώνται για το στάδιο της αντλίας φόρτισης. Οι δίοδοι Schottky με πτώση τάσης προς τα εμπρός βελτιώνουν επίσης την απόδοση.

Η χρήση ενός CMOS 555 με ένα κατάλληλο στάδιο εξόδου (ίσως ακόμη και ένα πρόγραμμα οδήγησης πύλης όπως το TC4420) μπορεί να μειώσει (αλλά όχι να εξαλείψει) τις αιχμές τροφοδοσίας.

Παραλλαγές αντλίας φόρτισης

Οι αντλίες φόρτισης όχι μόνο αυξάνουν την τάση, αλλά μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την αντιστροφή της πολικότητας τάσης.

Αυτό το κύκλωμα λειτουργεί με τον ίδιο τρόπο όπως ο διπλασιαστής τάσης - όταν η έξοδος 555 πηγαίνει ψηλά, το καπάκι φορτίζεται και όταν η έξοδος πηγαίνει χαμηλή φόρτιση τραβιέται μέσω του δεύτερου πυκνωτή στην αντίστροφη κατεύθυνση, δημιουργώντας μια αρνητική τάση στην έξοδο.

Πού χρησιμοποιώ μια αντλία φόρτισης;

• Παροχή διπολικότητας για op-amp σε κύκλωμα όπου υπάρχει μόνο μία τάση. Τα Op-amp δεν καταναλώνουν πολύ ρεύμα, οπότε είναι τέλεια εφαρμογή. Το ωραίο είναι ότι ένας μετατροπέας και ένας διπλασιαστής μπορούν να οδηγηθούν από την ίδια έξοδο, δημιουργώντας, για παράδειγμα, παροχή ± 12V από τροφοδοσία 5V.
• Προγράμματα οδήγησης πύλης - το bootstrapping είναι μια επιλογή, αλλά μια αντλία φόρτισης έχει τη δυνατότητα να παράγει υψηλότερη τάση, ας πούμε, έχοντας μια κίνηση 12V πύλης από παροχή 3.3V. Το Bootstrapping δεν θα σας έδινε περισσότερα από 7V σε αυτήν την περίπτωση.

Έτσι, οι αντλίες φόρτισης είναι απλές και αποδοτικές συσκευές που χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία διακριτών πολλαπλών τάσεων εισόδου.