V tomto článku sa dozvieme, ako vytvoriť niekoľko jednoduchých obvodov zdvojovača napätia DC na DC pomocou jedného IC 4049 a IC 555 spolu s niekoľkými ďalšími pasívnymi komponentmi.

Ak vás zaujíma, ako je možné použiť jednoduchý IC 555 na výrobu výkonného obvodu zdvojovača napätia, potom vám tento článok pomôže porozumieť podrobnostiam a zostaviť si návrh doma.

Čo je zdvojovač napätia

Zdvojovač napätia je obvod, ktorý používa iba diódy a kondenzátory na zvýšenie vstupného napätia na vyšší napäťový výstup, čo je dvojnásobok veľkosti vstupu.

Ak ste v koncepcii zdvojovačov napätia nováčikom a chcete sa jej podrobne naučiť, máme na tomto webe dobre prepracovaný článok, v ktorom vysvetľujeme rôzne obvody multiplikátora napätia pre vašu informáciu.

Koncept multiplikátora napätia bol prvýkrát objavený a používaný prakticky britskými a írskymi fyzikmi Johnom Douglasom Cockcroftom a Ernestom Thomasom Sintonom Waltonom, preto sa mu hovorí aj Generátor Cockcroft – Walton (CW).

Dobrý príklad návrhu napäťového multiplikátora je možné študovať v tomto článku, ktorý využíva tento koncept pre generovanie ionizovaného vzduchu na čistenie vzduchu v domácnostiach .

Obvod zdvojovača napätia je tiež forma multiplikátora napätia, kde je stupeň diódy / kondenzátora obmedzený iba na niekoľko stupňov, takže výstupu je dovolené produkovať napätie, ktoré môže byť dvojnásobkom napájacieho napätia.

“diagram fázového filtra horného priechodu ”

Pretože všetky obvody multiplikátora napätia nevyhnutne vyžadujú vstup striedavého prúdu alebo pulzujúci vstup, obvod oscilátora sa stáva nevyhnutným na dosiahnutie výsledkov.

Detaily IC 555 Pinout

Detaily pinoutu IC 555, zem, Vcc, reset, prahová hodnota, výboj, riadiace napätie

Schéma zapojenia zdvojovača napätia pomocou IC 555

S odkazom na vyššie uvedený príklad môžeme vidieť obvod IC 555 nakonfigurovaný ako astabilný multivibrátorový stupeň, ktorý je v skutočnosti formou oscilátora a je navrhnutý na produkovanie pulzujúceho jednosmerného prúdu (ON / OFF) na jeho výstupnom kolíku # 3.

Ak si spomínate, diskutovali sme obvod LED horáka na tomto webe, ktorý celkom zhodne využíva obvod zdvojovača napätia, aj keď sekcia oscilátora je vytvorená pomocou hradiel IC 4049.

V zásade môžete vymeniť stupeň IC 555 za akýkoľvek iný obvod oscilátora a stále získať efekt zdvojnásobenia napätia.

Avšak použitie IC 555 má malú výhodu, pretože tento IC je schopný generovať viac prúdu ako ktorýkoľvek iný obvod oscilátora založený na IC bez použitia externého zosilňovača prúdu.

Ako funguje fáza zdvojovača napätia

Ako je možné vidieť na vyššie uvedenom diagrame, skutočné násobenie napätia sa realizuje v stupni D1, D2, C2, C3, ktoré sú konfigurované ako polovodičová dvojstupňová sieť znásobujúca napätie.

Simulácia tejto fázy v reakcii na situáciu s kolíkom č. 3 IC 555 môže byť trochu zložitá a stále sa snažím, aby mi správne fungovala v mozgu.

Podľa mojej simulácie mysle možno činnosť spomínaného stupňa zdvojovača napätia vysvetliť tak, ako je uvedené v nasledujúcich bodoch:

Keď je výstupný pin IC # 3 na nízkej logickej alebo základnej úrovni, D1 je schopný nabíjať C2, pretože je schopný dostať sa dopredu zaujatý cez C2 a záporný potenciál kolíka # 3, tiež súčasne je C3 nabíjaný cez D1 a D2 .
Teraz, v ďalšom okamihu, akonáhle sa pin # 3 dostane na vysokú logiku alebo na pozitívny dodávateľský potenciál, veci budú mierne mätúce.
Tu C2 nie je schopný vybiť sa cez D1, takže máme výstup na úrovni dodávky z D1, z C2 a tiež z C3.
Mnoho ďalších online stránok hovorí, že v tomto okamihu sa má uložené napätie vo vnútri C2 a kladné napätie z D1 kombinovať s výstupom C3 a vytvárať zdvojené napätie, čo však nedáva zmysel.
Pretože keď sa napätia kombinujú paralelne, čisté napätie sa nezvyšuje. Napätia sa musia kombinovať do série, aby spôsobili požadovaný zosilňovací alebo zdvojnásobovací efekt.
Jediné logické vysvetlenie, ktoré je možné odvodiť, je, že keď je pin # 3 vysoký, záporný signál C2 je na kladnej úrovni a jeho kladný koniec je tiež držaný na napájacej úrovni, je nútený produkovať impulz spätného náboja, ktorý sa sčítava s C3 náboj, čo spôsobí okamžitý potenciálny hrot, ktorý má špičkové napätie dvojnásobné oproti úrovni napájania.

Ak máte lepšie alebo technicky správnejšie vysvetlenie, môžete to vysvetliť prostredníctvom svojich komentárov.

Koľko aktuálne?

Kolík č. 3 integrovaného obvodu je určený na dodanie maximálneho prúdu 200 mA, preto sa dá očakávať, že maximálny špičkový prúd bude na tejto úrovni 200 mA, avšak vrcholy sa zúžia v závislosti na hodnotách C2, C3. Kondenzátory s vyššou hodnotou môžu umožniť plnší prenos prúdu cez výstup, preto sa uistite, že hodnoty C2, C3 sú optimálne vybrané, okolo 100uF / 25V bude stačiť.

Praktická aplikácia

Aj keď obvod zdvojovača napätia môže byť užitočný pre mnoho aplikácií elektronických obvodov, hobby aplikáciou môže byť osvetlenie vysokonapäťovej LED zo zdroja nízkeho napätia, ako je uvedené nižšie:

Vo vyššie uvedenej schéme zapojenia vidíme, ako sa obvod používa na osvetlenie 9V LED žiarovky zo zdroja napájania 5V, čo by za normálnych okolností nebolo možné, ak by bolo na LED priamo aplikovaných 5V.

Vzťah medzi frekvenciou, PWM a úrovňou výstupného napätia

Frekvencia v ľubovoľnom obvode zdvojovača napätia nie je rozhodujúca, ale rýchlejšia frekvencia vám pomôže dosiahnuť lepšie výsledky ako pomalšie frekvencie.

Podobne pre rozsah PWM by mal byť pracovný cyklus zhruba 50%, užšie impulzy spôsobia zníženie prúd na výstupe , zatiaľ čo príliš široké impulzy neumožnia príslušným kondenzátorom optimálne sa vybiť, čo opäť vedie k neúčinnému výstupnému výkonu.

V diskutovanom astabilnom obvode IC 555 môže byť R1 kdekoľvek medzi 10K a 100K, tento odpor spolu s C1 rozhoduje o frekvencii. C1 teda môže byť kdekoľvek medzi 50nF až 0,5uF.

R2 vám zásadne umožní ovládať PWM, preto sa z neho dá urobiť variabilný rezistor cez 100K pot.

Používanie brán IC 4049 NOT

Nasledujúci obvod založený na IC CMOS možno použiť na zdvojnásobenie ľubovoľného zdroja jednosmerného napätia (do 15 V ss). Predložený dizajn zdvojnásobí akékoľvek napätie medzi 4 až 15 V DC a bude schopný prevádzkovať zaťaženie pri prúde nepresahujúcom 30 mA.

Ako je zrejmé z diagramu, tento obvod zdvojovača jednosmerného napätia využíva na dosiahnutie navrhovaného výsledku iba jednu IC 4049.

IC 4049 Pinouts

IC 4049 špecifikácia pinoutového diagramu

Prevádzka obvodu

IC 4049 má celkovo šesť brán, ktoré sú všetky efektívne na generovanie diskutovaných akcií zdvojnásobenia napätia. Dve z brán zo šiestich sú konfigurované ako oscilátor.

Úplne vľavo na diagrame je znázornená časť oscilátora.

100 K rezistor a kondenzátor 0,01 tvoria základné komponenty určujúce frekvenciu.
Frekvencia je nevyhnutne potrebná, ak je potrebné implementovať kroky krokovania napätia, preto aj tu je nevyhnutné zapojenie oscilátora.

Tieto oscilácie sú užitočné na iniciáciu nabíjania a vybíjania sady kondenzátorov na výstupe, čo sa rovná znásobeniu napätia na súprave kondenzátorov takým spôsobom, že výsledkom bude dvojnásobok použitého napájacieho napätia.

Napätie z oscilátora však nemožno výhodne aplikovať priamo na kondenzátory, skôr sa to deje cez skupinu hradiel IC usporiadaných paralelne.

Tieto paralelné hradlá spoločne vytvárajú dobré tlmenie aplikovanej frekvencie z hradiel generátora, takže výsledná frekvencia je silnejšia vzhľadom na prúd a neklesá pri relatívne vyššom zaťažení na výstupoch.

Stále však treba mať na pamäti špecifikácie CMOS IC, takže nemožno očakávať, že kapacita spracovania výstupného prúdu bude väčšia ako 40 mA.

Vyššie zaťaženie bude mať za následok zhoršenie úrovne napätia smerom k úrovni napájania.

Hodnoty výstupného kondenzátora je možné zvýšiť na 100 uF, aby sa z obvodu získala primerane vyššia úroveň účinnosti.

S 12 voltami ako napájacím vstupom do IC možno z tohto obvodu zdvojovača napätia na základe IC 4049 získať výstup približne 22 voltov.