Neste artigo aprendemos como fazer um par de circuitos duplos de tensão DC para DC simples usando um único IC 4049 e IC 555 juntamente com alguns outros componentes passivos.
Se você está se perguntando como um simples IC 555 pode ser usado para fazer um poderoso circuito duplicador de voltagem, então este artigo irá ajudá-lo a entender os detalhes e construir o projeto em casa.
O que é um duplicador de voltagem
Um duplicador de voltagem é um circuito que usa apenas diodos e capacitores para elevar uma voltagem de entrada para uma saída de voltagem mais alta, o dobro da magnitude da entrada.
Se você é novo no conceito de duplicador de voltagem e deseja aprender o conceito em profundidade, temos um bom artigo elaborado neste website explicando diferentes circuitos multiplicadores de voltagem para sua referência.
Conceito multiplicador de voltagem foi descoberto pela primeira vez e utilizado praticamente pelos físicos britânicos e irlandeses John Douglas Cockcroft e Ernest Thomas Sinton Walton, daí que seja também chamado de gerador Cockcroft-Walton (CW).
Um bom exemplo de desenho de um multiplicador de voltagem pode ser estudado através deste artigo que explora o conceito de geração de ar ionizado para purificar o ar em casas.
Um circuito duplicador de voltagem é também uma forma de multiplicador de voltagem onde o estágio de diodo/capacitor é restrito a apenas alguns estágios, de modo que a saída é permitida para produzir uma voltagem que pode ser o dobro da voltagem de alimentação.
Desde que todos os circuitos multiplicadores de tensão requerem obrigatoriamente uma entrada CA ou uma entrada pulsante, um circuito oscilador torna-se essencial para a realização dos resultados.
IC 555 Pinout Details
Circuit Diagram of Voltage Doubler using IC 555
Referindo ao exemplo acima, podemos ver um circuito IC 555 configurado como um estágio de multivibrador instável, que na verdade é uma forma de oscilador, e é projetado para produzir uma DC pulsante (ON/OFF) em seu pino de saída#3.
Se você se lembra, nós discutimos um circuito de tocha de LED neste website, que usa de forma bastante idêntica um circuito duplicador de tensão, embora a seção do oscilador seja criada usando um IC 4049 gates.
Basicamente, você pode substituir o estágio IC 555 por qualquer outro circuito oscilador e ainda obter o efeito de duplicação de tensão.
No entanto, usar o IC 555 tem um ligeiro benefício, uma vez que este IC é capaz de gerar mais corrente do que qualquer outro circuito oscilador baseado em IC sem usar qualquer estágio amplificador de corrente externo.
Como funciona o estágio de duplicação de tensão
Como pode ser visto no diagrama acima, a multiplicação de tensão real é implementada pelo estágio D1, D2, C2, C3, que são configurados como uma rede multiplicadora de tensão de 2 estágios de meia ponte.
Simular este estágio em resposta à situação do pino#3 do IC 555 pode ser um pouco difícil, e eu ainda estou lutando para colocá-lo funcionando corretamente no meu cérebro.
Como por simulação da minha mente, o funcionamento do estágio duplicador de voltagem mencionado pode ser explicado como dado nos seguintes pontos:
- Quando o pino de saída do IC#3 está em sua lógica baixa ou no nível do solo, D1 é capaz de carregar C2, uma vez que é capaz de se encaminhar enviesado através do potencial negativo de C2 e pino#3, também simultaneamente C3 é carregado via D1, e D2.
- Agora, no instante seguinte, assim que o pino#3 se torna em lógica alta ou no potencial positivo de alimentação, as coisas ficam ligeiramente confusas.
- Aqui C2 é incapaz de descarregar via D1, portanto temos uma saída de nível de alimentação de D1, de C2 e também de C3.
- Muitos dos outros sites online dizem que neste ponto a tensão armazenada dentro de C2, e o positivo de D1 é suposto combinar com a saída de C3 para produzir uma tensão duplicada, no entanto isso não faz sentido.
- Porque, quando as tensões se combinam em paralelo, a tensão líquida não aumenta. As tensões devem combinar-se em série para causar o impulso desejado ou o efeito de duplicação.
- A única explicação lógica que pode ser derivada é que, quando o pino#3 se torna elevado, sendo o C2 negativo no nível positivo e a sua extremidade positiva também mantida no nível de alimentação, é forçado a produzir um impulso de carga inversa que se soma à carga C3, provocando um pico instantâneo de potencial com uma tensão de pico duas vezes superior à do nível de alimentação.
Se tiver uma melhor ou tecnicamente mais correctexplanação, por favor sinta-se livre para explicar através dos seus comentários.
Quanta Corrente?
Pino#3 do CI é atribuído para fornecer um máximo de 200mA de corrente, portanto a corrente máxima de pico pode ser esperada a este nível de 200mA, no entanto os picos ficarão mais estreitos dependendo dos valores de C2, C3. Capacitores de valores mais altos podem permitir uma transferência de corrente mais completa através da saída, portanto certifique-se de que os valores C2, C3 são selecionados de forma ideal, cerca de 100uF/25V será apenas o suficiente
A Aplicação prática
Embora um circuito duplicador de tensão possa ser útil para muitas aplicações em circuitos eletrônicos, uma aplicação baseada em hobby poderia ser iluminar um LED de alta tensão a partir de uma fonte de baixa tensão, como mostrado abaixo:
No diagrama de circuito acima podemos ver como o circuito é usado para iluminar uma lâmpada LED de 9V a partir de uma fonte de alimentação de 5V, o que normalmente seria impossível se os 5V fossem aplicados diretamente sobre o LED.
Relação entre Frequência, PWM e o Nível de Saída de Tensão
A frequência em qualquer circuito duplicador de tensão não é crucial, no entanto uma frequência mais rápida irá ajudá-lo a obter melhores resultados do que frequências mais lentas.
Simplesmente para a gama PWM, o ciclo de funcionamento deve ser aproximadamente 50%, pulsos mais estreitos causarão uma corrente mais baixa na saída, enquanto pulsos muito largos não permitirão que os capacitores relevantes descarreguem de forma ideal, resultando novamente numa potência de saída ineficaz.
No discutido IC 555, o R1 pode estar em qualquer lugar entre 10K e 100K, este resistor juntamente com o C1 decide a frequência. C1 consequentemente pode estar em qualquer lugar entre 50nF a 0.5uF.
R2 irá fundamentalmente permitir-lhe controlar o PWM, portanto isto pode ser transformado num resistor variável através de um pote de 100K.
Utilizando o IC 4049 NOT gates
O seguinte circuito baseado no IC CMOS pode ser utilizado para duplicar qualquer tensão de fonte DC (até 15 V DC). O desenho apresentado irá duplicar qualquer tensão entre 4 a 15 V DC e será capaz de operar com cargas em corrente não superior a 30 mA.
Como pode ser visto no diagrama, este circuito duplicador de tensão DC emprega apenas um único IC 4049 para alcançar o resultado proposto.
IC 4049 Pinouts
Circuit Operation
O IC 4049 tem seis portões no total que são todos eficazes para gerar as ações de duplicação de tensão discutidas. Duas das portas das seis são configuradas como um oscilador.
A extrema esquerda do diagrama mostra a seção do oscilador.
O resistor de 100 K e o capacitor 0.01 formam a freqüência básica que determina os componentes.
Uma freqüência é imperativamente necessária se uma ação de escalada de tensão precisa ser implementada, portanto aqui também o envolvimento de um oscilador se torna necessário.
Esta oscilação torna-se útil para a inicialização da carga e descarga de um conjunto de capacitores na saída, o que equivale à multiplicação da tensão através do conjunto de capacitores de tal forma que o resultado se torna o dobro da tensão de alimentação aplicada.
No entanto, a tensão do oscilador não pode ser aplicada diretamente aos capacitores, mas sim através de um grupo de portões do CI dispostos de forma paralela.
Estas portas paralelas juntas produzem um bom amortecimento da freqüência aplicada a partir das portas do gerador de modo que a freqüência resultante seja mais forte em relação à corrente e não falhe com cargas relativamente mais altas nas saídas.
Mas ainda mantendo as especificações de um CI CMOS em mente, não se pode esperar que a capacidade de manipulação da corrente de saída seja maior que 40 mA.
Cargas maiores que esta resultarão na deterioração do nível de tensão em direção ao nível de alimentação.
Os valores do condensador de saída podem ser aumentados para 100uF para obter níveis de eficiência razoavelmente mais altos do circuito.
Com 12 volts como entrada de alimentação para o CI, uma saída de cerca de 22 volts pode ser adquirida deste circuito duplicador de tensão baseado no CI 4049.
Lista de peças
- R1 = 68K,
- C1 = 680pF,
- C2, C3 = 100 uF/ 25V,
- D1, D2 =1N4148,
- N1, N2, N3, N4 = IC 4049,
- LEDs Branco = 3 nos.