W tym artykule dowiemy się, jak wykonać kilka prostych obwodów podwajających napięcie DC do DC, używając pojedynczego układu IC 4049 i IC 555 wraz z kilkoma innymi elementami pasywnymi.

Jeśli zastanawiasz się, jak prosty układ IC 555 można wykorzystać do wykonania potężnego obwodu podwajacza napięcia, ten artykuł pomoże ci zrozumieć szczegóły i skonstruować projekt w domu.

Co to jest podwajacz napięcia

Podwajacz napięcia to obwód, który wykorzystuje tylko diody i kondensatory do podniesienia napięcia wejściowego do wyższego napięcia wyjściowego, dwukrotnie większego niż napięcie wejściowe.

Jeśli nie znasz koncepcji podwajania napięcia i chcesz dogłębnie poznać tę koncepcję, na tej stronie internetowej mamy dobry, rozbudowany artykuł wyjaśniający różne obwody powielacza napięcia w celach informacyjnych.

Koncepcja mnożnika napięcia została po raz pierwszy odkryta i stosowana praktycznie przez brytyjskich i irlandzkich fizyków Johna Douglasa Cockcrofta i Ernesta Thomasa Sintona Waltona, stąd też jest nazywana Generator Cockcrofta-Waltona (CW).

Dobry przykład konstrukcji mnożnika napięcia można przeanalizować w tym artykule, w którym wykorzystano tę koncepcję generowanie zjonizowanego powietrza do oczyszczania powietrza w domach .

Obwód podwajacza napięcia jest również formą powielacza napięcia, w którym stopień diody / kondensatora jest ograniczony tylko do kilku stopni, tak że wyjście może wytwarzać napięcie, które może być dwukrotnie większe niż napięcie zasilania.

“który z poniższych składników systemu operacyjnego nie jest częścią jądra? ”

Ponieważ wszystkie obwody powielacza napięcia obowiązkowo wymagają wejścia prądu przemiennego lub wejścia pulsacyjnego, obwód oscylatora staje się niezbędny do uzyskania wyników.

Szczegóły wyprowadzeń IC 555

Szczegóły pinów IC 555, masa, Vcc, reset, próg, rozładowanie, napięcie sterujące

Schemat obwodu podwajacza napięcia wykorzystujący układ IC 555

Odnosząc się do powyższego przykładu, możemy zobaczyć obwód IC 555 skonfigurowany jako stabilny stopień multiwibratora, który jest w rzeczywistości formą oscylatora i jest zaprojektowany do wytwarzania pulsującego prądu stałego (ON / OFF) na swoim pinie wyjściowym # 3.

Jeśli pamiętasz, rozmawialiśmy obwód latarki LED na tej stronie internetowej, która całkiem identycznie wykorzystuje obwód podwajacza napięcia, chociaż sekcja oscylatora jest utworzona za pomocą bramek IC 4049.

Zasadniczo można zastąpić stopień IC 555 dowolnym innym obwodem oscylatora i nadal uzyskać efekt podwojenia napięcia.

Jednak użycie IC 555 ma niewielką korzyść, ponieważ ten układ scalony jest w stanie generować większy prąd niż jakikolwiek inny obwód oscylatora oparty na układzie scalonym bez użycia zewnętrznego stopnia wzmacniacza prądu.

Jak działa stopień podwajacza napięcia

Jak widać na powyższym schemacie, rzeczywiste zwielokrotnienie napięcia realizowane jest przez stopnie D1, D2, C2, C3, które są skonfigurowane jako półmostkowa 2-stopniowa sieć powielająca napięcie.

Symulacja tego etapu w odpowiedzi na sytuację z pinem nr 3 w IC 555 może być trochę trudna i nadal staram się, aby działał poprawnie w moim mózgu.

Zgodnie z moją symulacją umysłu, działanie wspomnianego stopnia podwajacza napięcia można wyjaśnić w następujący sposób:

Gdy styk wyjściowy układu scalonego nr 3 znajduje się na niskim poziomie logiki lub masy, D1 jest w stanie naładować C2, ponieważ jest w stanie uzyskać polaryzację do przodu przez potencjał ujemny C2 i pinu # 3, jednocześnie C3 jest ładowany przez D1 i D2 .
Teraz, w następnej chwili, gdy tylko pin # 3 osiągnie wysoki poziom logiczny lub dodatni potencjał zasilania, sytuacja staje się nieco zagmatwana.
Tutaj C2 nie może rozładować się przez D1, więc mamy wyjście poziomu zasilania z D1, z C2, a także z C3.
Wiele innych witryn internetowych twierdzi, że w tym momencie napięcie przechowywane wewnątrz C2 i dodatnie z D1 mają łączyć się z wyjściem C3, aby wytworzyć podwojone napięcie, jednak to nie ma sensu.
Ponieważ, gdy napięcia łączą się równolegle, napięcie netto nie rośnie. Napięcia muszą łączyć się szeregowo, aby spowodować pożądany efekt wzmocnienia lub podwojenia.
Jedynym logicznym wyjaśnieniem, które można wyprowadzić, jest to, że gdy pin # 3 staje się wysoki, ujemny C2 jest na poziomie dodatnim, a jego dodatni koniec również jest na poziomie zasilania, jest zmuszony do wytworzenia impulsu ładowania wstecznego, który sumuje się z C3 ładowanie, powodując natychmiastowy skok potencjału, którego szczytowe napięcie jest dwa razy większe niż poziom zasilania.

Jeśli masz lepsze lub bardziej poprawne technicznie wyjaśnienie, nie wahaj się wyjaśnić to w swoich komentarzach.

Ile prądu?

Pin # 3 układu scalonego jest przypisany do dostarczania maksymalnego prądu 200 mA, dlatego można oczekiwać, że maksymalny prąd szczytowy będzie na tym poziomie 200 mA, jednak szczyty będą węższe w zależności od wartości C2, C3. Kondensatory o wyższej wartości mogą umożliwić pełniejszy transfer prądu na wyjściu, dlatego upewnij się, że wartości C2, C3 są optymalnie dobrane, wystarczy około 100 uF / 25 V

Praktyczne zastosowanie

Chociaż obwód podwajacza napięcia może być przydatny w wielu zastosowaniach obwodów elektronicznych, aplikacją hobbystyczną może być oświetlenie diody LED wysokiego napięcia ze źródła niskiego napięcia, jak pokazano poniżej:

Układ podwajacza napięcia IC 555 z diodą LED

Na powyższym schemacie obwodu możemy zobaczyć, jak obwód jest używany do oświetlenia żarówki LED 9 V ze źródła zasilania 5 V, co normalnie byłoby niemożliwe, gdyby napięcie 5 V zostało przyłożone bezpośrednio do diody LED.

Zależność między częstotliwością, PWM i poziomem napięcia wyjściowego

Częstotliwość w żadnym obwodzie podwajacza napięcia nie jest kluczowa, jednak wyższa częstotliwość pomoże uzyskać lepsze wyniki niż wolniejsze częstotliwości.

Podobnie dla zakresu PWM, cykl pracy powinien wynosić około 50%, węższe impulsy będą powodować niższe prąd na wyjściu , podczas gdy zbyt szerokie impulsy nie pozwolą na optymalne rozładowanie odpowiednich kondensatorów, co ponownie skutkuje nieefektywną mocą wyjściową.

W omawianym obwodzie astabilnym IC 555 R1 może znajdować się w dowolnym miejscu między 10K a 100K, ten rezystor wraz z C1 decyduje o częstotliwości. W konsekwencji C1 może wynosić od 50 nF do 0,5 uF.

R2 zasadniczo pozwoli ci kontrolować PWM, dlatego można go przekształcić w rezystor zmienny przez potencjometr 100K.

Korzystanie z bramek IC 4049 NOT

Poniższy obwód oparty na układzie scalonym CMOS może być użyty do podwojenia dowolnego napięcia źródła prądu stałego (do 15 V prądu stałego). Prezentowana konstrukcja podwoi napięcie od 4 do 15 V DC i będzie w stanie obsługiwać obciążenia przy prądzie nie większym niż 30 mA.

Jak widać na schemacie, ten obwód podwajacza napięcia prądu stałego wykorzystuje tylko jeden układ scalony 4049 do osiągnięcia proponowanego wyniku.

IC 4049 Pinouty

Działanie obwodu

IC 4049 ma w sumie sześć bramek, z których wszystkie skutecznie generują omówione działania podwajania napięcia. Dwie z sześciu bramek są skonfigurowane jako oscylator.

Skrajna lewa część diagramu przedstawia sekcję oscylatora.

Rezystor 100 K i kondensator 0,01 tworzą podstawowe elementy określające częstotliwość.
Częstotliwość jest bezwzględnie wymagana, jeśli konieczne jest wprowadzenie stopniowania napięcia, dlatego również tutaj konieczne jest zaangażowanie oscylatora.

Oscylacje te stają się przydatne do inicjowania ładowania i rozładowywania zestawu kondensatorów na wyjściu, co sprowadza się do zwielokrotnienia napięcia na zestawie kondensatorów w taki sposób, że uzyskuje się dwukrotność przyłożonego napięcia zasilania.

Jednak napięcie z oscylatora nie może być korzystnie przyłożone bezpośrednio do kondensatorów, a raczej jest to robione przez grupę bramek układu scalonego ułożonych równolegle.

Te równoległe bramki tworzą razem dobre buforowanie do przyłożonej częstotliwości z bramek generatora, tak że wypadkowa częstotliwość jest silniejsza w stosunku do prądu i nie słabnie przy stosunkowo wyższych obciążeniach na wyjściach.

Ale nadal mając na uwadze specyfikacje układu CMOS IC, nie można oczekiwać, że zdolność obsługi prądu wyjściowego będzie większa niż 40 mA.

Wyższe obciążenia niż to spowodują pogorszenie poziomu napięcia w kierunku poziomu zasilania.

Wartości kondensatorów wyjściowych można zwiększyć do 100 uF, aby uzyskać rozsądnie wyższe poziomy wydajności z obwodu.

Przy 12 woltach jako wejściu zasilania do układu scalonego, wyjście około 22 woltów można uzyskać z tego obwodu podwajacza napięcia opartego na układzie IC 4049.