Circuitul pompei de încărcare

Situația este simplă - aveți o șină de alimentare de joasă tensiune, să zicem 3,3V, și doriți să alimentați ceva care are nevoie de 5V. Acesta este un apel greu, mai ales dacă sunt implicate baterii. Singurul mod aparent este un convertor de mod de comutare, mai precis un convertor de boost.

Aici am lovit un obstacol - convertoarele boost sunt ineficiente la puteri mici, deoarece se consumă multă energie doar pentru a menține regulamentul în poziție și pentru a conduce comutatorul de alimentare. De asemenea, convertoarele de acest tip sunt zgomotoase - aceasta este o problemă dacă aveți de-a face cu circuite sensibile. Sunteți în poziția incomodă a unei soluții supra-proiectate. Regulatoarele liniare nu funcționează în sens invers, deci este exclus ca fiind sub-proiectat.

Deci, unde trasăm linia dintre supra-proiectat și sub-proiectat?

Răspunsul la această problemă este pompa de încărcare - care în sine este un fel de sursă de alimentare în modul comutator. După cum sugerează și numele, acest tip de convertor mută sarcini discrete și componenta care stochează aceste sarcini discrete este condensatorul, astfel încât acest tip de convertor este numit și convertorul condensatorului zburător.

O pompă de încărcare creează multipli discreți ai tensiunii de intrare folosind condensatori.

Cum funcționează o pompă de încărcare?

Cel mai bun mod de a înțelege acest lucru este să vă imaginați următoarea situație.

Încărcați un condensator folosind o baterie de 9V, astfel încât tensiunea pe condensator este, de asemenea, de 9V. Apoi, luați un alt condensator și îl încărcați până la 9V. Acum conectați cei doi condensatori în serie și măsurați tensiunea pe ei - 18V.

Acesta este principiul de bază al funcționării pompei de încărcare - luați doi condensatori, încărcați-i individual și apoi puneți-i în serie, deși într-o pompă de încărcare reală rearanjarea se face electronic.

Desigur, acest lucru nu se limitează la doar doi condensatori, treptele succesive pot fi în cascadă pentru a obține tensiuni mai mari la ieșire.

Limitări ale pompelor de încărcare

Înainte de a construi una, este o idee bună să cunoaștem limitele pompelor de încărcare.

1. Curent de ieșire disponibil - deoarece pompele de încărcare nu sunt altceva decât condensatori care sunt încărcați și descărcați în cicluri, curentul disponibil este foarte redus - există cazuri rare în care utilizarea cipului potrivit vă poate aduce 100mA, dar cu eficiență redusă.

2. Cu cât adăugați mai multe etape nu înseamnă că ieșirea de tensiune crește de atâtea ori - fiecare etapă încarcă ieșirea etapei anterioare, astfel încât ieșirea nu este un multiplu perfect al intrării. Această problemă se înrăutățește cu cât adăugați mai multe etape.

Construirea unui circuit de pompă de încărcare

Circuitul prezentat aici este pentru o pompă de încărcare simplă în trei trepte, care folosește temporizatorul 555 IC. Într-un sens, acest circuit este „modular” - treptele pot fi în cascadă pentru a crește tensiunea de ieșire (având în vedere numărul de limitare doi).

Componente necesare

1. Pentru oscilatorul 555

• 555 timer - varianta bipolară
• Condensator electrolitic 10uF (decuplare)
• 2x condensator ceramic 100nF (decuplare)
• Condensator ceramic 100pF (sincronizare)
• 1K rezistor (sincronizare)
• Rezistor 10K (sincronizare)

2. Pentru pompa de încărcare

• 6x diode IN4148 (se recomandă și UF4007)
• 5x condensatori electrolitici 10uF
• Condensator electrolitic 100uF

Un lucru important de remarcat este că toți condensatorii utilizați în pompa de încărcare trebuie să fie nominal cu câțiva volți mai mult decât tensiunea de ieșire așteptată.

Diagrama circuitului

Așa arată pe panou:

Descrierea circuitului pompei de încărcare

1. Cronometrul 555

Circuitul prezentat aici este un oscilator de 555 cu temporizator simplu. Componentele de sincronizare au ca rezultat o frecvență de aproximativ 500kHz (ceea ce pentru un 555 bipolar este o faptă în sine). Această frecvență ridicată asigură faptul că condensatorii de pe pompa de încărcare sunt „reîmprospătați” periodic, astfel încât tensiunea de la ieșire să nu aibă o ondulație prea mare.

2. Pompa de încărcare

Aceasta este cea mai intimidantă parte a întregului circuit. La fel ca majoritatea celorlalte lucruri, poate fi înțeles prin descompunerea sa într-o singură unitate:

Să presupunem că pinul 3, ieșirea temporizatorului 555, este scăzut în timpul pornirii. Acest lucru duce la încărcarea condensatorului prin diodă, deoarece terminalul negativ este acum împământat. Când ieșirea crește, pinul negativ crește și - dar din moment ce există deja o încărcare pe condensator (care nu poate merge nicăieri din cauza diodei), tensiunea văzută la terminalul pozitiv al condensatorului este efectiv dublă față de tensiunea de intrare.

Iată terminalul pozitiv al condensatorului:

Rezultatul final este că adăugați efectiv un offset de V _CC la ieșirea temporizatorului 555.

Acum, această tensiune direct ca ieșire este inutilă, deoarece există o ondulare masivă de 50%. Pentru a rezolva acest lucru, adăugăm un detector de vârf așa cum se arată în figura de mai jos:

Aceasta este ieșirea circuitului de mai sus:

Și am dublat cu succes puterea de tensiune!

Sfaturi pentru construcția circuitului

Bipolarul 555 este cunoscut pentru vârfurile de alimentare pe care le generează pe șina de alimentare, deoarece etapa de împingere a ieșirii aproape scurtează alimentarea în timpul tranzițiilor. Deci decuplarea este obligatorie.

Voi face un ocol rapid pentru a vă spune ceva despre decuplarea corectă.

Iată pinul V _CC al oscilatorului fără nici o decuplare:

Și iată același pin cu decuplare adecvată:

Puteți vedea clar diferența pe care o face un pic de decuplare.

Condensatoarele SMD ceramice cu inductanță scăzută sunt recomandate pentru etapa pompei de încărcare. Diodele Schottky cu o cădere redusă de tensiune înainte îmbunătățesc, de asemenea, performanța.

Utilizarea unui CMOS 555 cu o etapă de ieșire adecvată (poate chiar și un driver de poartă precum TC4420) poate reduce (dar nu elimina) vârfurile de alimentare.

Variații ale pompei de încărcare

Pompele de încărcare nu numai că măresc tensiunea, ci pot fi utilizate pentru a inversa polaritatea tensiunii.

Acest circuit funcționează la fel ca dublatorul de tensiune - când ieșirea 555 crește, capacul se încarcă, iar când ieșirea scade este încărcată prin al doilea condensator în direcția inversă, creând o tensiune negativă la ieșire.

Unde folosesc o pompă de încărcare?

• Alimentare bipolaritate pentru amplificatoare op într-un circuit în care este disponibilă doar o singură tensiune. Amplificatoarele de operare nu consumă mult curent, deci este o potrivire perfectă. Lucrul frumos la acest lucru este că un invertor și un dublu pot fi acționate de la aceeași ieșire, creând, să zicem, o sursă de ± 12V dintr-o sursă de 5V.
• Drivere de poartă - bootstrapping-ul este o opțiune, dar o pompă de încărcare are potențialul de a genera o tensiune mai mare, să zicem, având o unitate de poartă de 12V dintr-o sursă de 3.3V. Bootstrapping-ul nu vă va oferi mai mult de 7V în acest caz.

Deci pompele de încărcare sunt dispozitive simple și eficiente utilizate pentru a crea multipli discreți ai tensiunii de intrare.