V tomto článku se dozvíte, jak vytvořit několik jednoduchých obvodů zdvojovače stejnosměrného napětí s použitím jediného IC 4049 a IC 555 spolu s několika dalšími pasivními součástkami.
Pokud vás zajímá, jak lze jednoduchý obvod IC 555 použít pro výrobu výkonného obvodu zdvojovače napětí, pak vám tento článek pomůže pochopit podrobnosti a zkonstruovat návrh v domácích podmínkách.
Co je to zdvojovač napětí
Zdvojovač napětí je obvod, který používá pouze diody a kondenzátory pro zvýšení vstupního napětí na vyšší výstupní napětí, dvakrát větší než vstupní.
Pokud se s konceptem zdvojovače napětí teprve seznamujete a toužíte se s ním seznámit do hloubky, máme pro vás na tomto webu dobře zpracovaný článek vysvětlující různé obvody násobičů napětí.
Koncept násobiče napětí poprvé objevili a prakticky použili britští a irští fyzikové John Douglas Cockcroft a Ernest Thomas Sinton Walton, proto se mu také říká Cockcroftův-Waltonův (CW) generátor.
Dobrý příklad konstrukce násobiče napětí lze studovat prostřednictvím tohoto článku, který využívá koncepci pro generování ionizovaného vzduchu pro čištění vzduchu v domácnostech.
Obvod zdvojovače napětí je také forma násobiče napětí, kde je stupeň dioda/kondenzátor omezen pouze na několik stupňů, takže na výstupu může vzniknout napětí, které může být dvojnásobkem napájecího napětí.
Protože všechny obvody násobičů napětí povinně vyžadují střídavý vstup nebo pulzující vstup, stává se pro dosažení výsledků nezbytným oscilační obvod.
Detaily vývodů IC 555
Schéma zapojení zdvojovače napětí pomocí IC 555
Podle výše uvedeného příkladu vidíme obvod IC 555 nakonfigurovaný jako astabilní stupeň multivibrátoru, který je vlastně formou oscilátoru a je navržen tak, aby na svém výstupním vývodu č. 3 vytvářel pulzující stejnosměrný proud (ON/OFF).
Pokud si vzpomínáte, na této webové stránce jsme probírali obvod LED svítilny, který zcela shodně používá obvod zdvojovače napětí, i když oscilační část je vytvořena pomocí hradla IC 4049.
V podstatě můžete stupeň IC 555 nahradit jakýmkoli jiným oscilátorovým obvodem a stále získáte efekt zdvojení napětí.
Použití IC 555 má však drobnou výhodu, protože tento IC je schopen generovat větší proud než jakýkoli jiný oscilátorový obvod na bázi IC bez použití externího stupně proudového zesilovače.
Jak pracuje stupeň zdvojovače napětí
Jak je vidět na výše uvedeném schématu, vlastní násobení napětí je realizováno stupni D1, D2, C2, C3, které jsou nakonfigurovány jako polomůstková dvoustupňová síť násobiče napětí.
Simulovat tento stupeň v závislosti na situaci na vývodu č. 3 IC 555 může být trochu obtížné a stále se snažím, aby mi v hlavě správně fungoval.
Podle mé simulace v hlavě lze fungování zmíněného stupně zdvojovače napětí vysvětlit tak, jak je uvedeno v následujících bodech:
- Když je výstupní pin#3 IC ve své nízké logické úrovni nebo na zemi, D1 je schopen nabíjet C2, protože je schopen se dostat do předpětí přes C2 a záporný potenciál pin#3, také se současně nabíjí C3 přes D1, a D2.
- Nyní, v dalším okamžiku, jakmile se pin#3 dostane do vysoké logické úrovně nebo na kladný napájecí potenciál, se věci mírně zamotají.
- Tady se C2 nemůže vybíjet přes D1, takže máme výstup na napájecí úrovni z D1, z C2 a také z C3.
- Na mnoha jiných internetových stránkách se píše, že v tomto okamžiku se má uložené napětí uvnitř C2 a kladné z D1 spojit s výstupem z C3 a vytvořit dvojnásobné napětí, to však nedává smysl.
- Protože když se napětí spojí paralelně, čisté napětí se nezvýší. Napětí se musí kombinovat sériově, aby došlo k požadovanému zesílení nebo zdvojení.
- Jediné logické vysvětlení, které lze odvodit, je, že když se pin#3 dostane do vysokého napětí, přičemž zápor C2 je na kladné úrovni a jeho kladný konec se také drží na napájecí úrovni, je nucen vytvořit zpětný nábojový impuls, který se sečte s nábojem C3, což způsobí okamžitý potenciálový skok, který má špičkové napětí dvakrát vyšší než napájecí úroveň.
Pokud máte lepší nebo technicky správnějšívysvětlení, neváhejte jej vysvětlit prostřednictvím svých komentářů.
Kolik proudu?
Pin#3 integrovaného obvodu je určen k dodávání maximálního proudu 200mA, proto lze očekávat maximální špičkový proud na této úrovni 200mA, nicméně špičky se budou zužovat v závislosti na hodnotách C2, C3. Kondenzátory s vyšší hodnotou by mohly umožnit plnější přenos proudu přes výstup, proto se ujistěte, že hodnoty C2, C3 jsou optimálně zvoleny, přibližně 100uF/25V bude tak akorát
Praktická aplikace
Ačkoli obvod zdvojovače napětí může být užitečný pro mnoho aplikací elektronických obvodů, hobby aplikací může být rozsvícení vysokonapěťové LED diody z nízkonapěťového zdroje, jak je znázorněno níže:
Na výše uvedeném schématu zapojení vidíme, jak je obvod použit pro rozsvícení 9V LED žárovky z 5V napájecího zdroje, což by za normálních okolností nebylo možné, pokud by bylo 5V přivedeno přímo na LED.
Souvislost mezi frekvencí, PWM a výstupní úrovní napětí
Frekvence v žádném obvodu zdvojovače napětí není rozhodující, avšak rychlejší frekvence vám pomůže dosáhnout lepších výsledků než pomalejší frekvence.
Podobně pro rozsah PWM platí, že pracovní cyklus by měl být zhruba 50 %, užší pulzy způsobí nižší proud na výstupu, zatímco příliš široké pulzy neumožní optimální vybití příslušných kondenzátorů, což opět vede k neefektivnímu výstupnímu výkonu.
V diskutovaném astabilním obvodu IC 555 může být R1 kdekoli mezi 10 K a 100 K, tento rezistor spolu s C1 rozhoduje o frekvenci. C1 následně může být kdekoli mezi 50nF a 0,5uF.
R2 vám zásadně umožní řídit PWM, proto z něj lze udělat proměnný odpor pomocí potenciometru 100K.
Pomocí obvodu IC 4049 NOT gates
Následující obvod založený na obvodu CMOS lze použít pro zdvojnásobení libovolného stejnosměrného zdrojového napětí (až do 15 V DC). Předložený návrh zdvojnásobí libovolné napětí v rozmezí 4 až 15 V DC a bude schopen provozovat zátěže s proudem nejvýše 30 mA.
Jak je vidět na schématu, tento obvod zdvojovače stejnosměrného napětí využívá pro dosažení navrhovaného výsledku pouze jediný obvod IC 4049.
Vývody obvodu IC 4049
Působení obvodu
Obvod IC 4049 má celkem šest hradel, která všechna účinně slouží ke generování diskutovaných akcí zdvojení napětí. Dvě hradla ze šesti jsou nakonfigurována jako oscilátor.
Krajní levá část schématu znázorňuje část oscilátoru.
Rezistor 100 K a kondenzátor 0,01 tvoří základní součástky určující frekvenci.
Frekvence je bezpodmínečně nutná, pokud je třeba realizovat akce stupňování napětí, proto se i zde zapojení oscilátoru stává nezbytným.
Tyto oscilátory se stávají užitečnými pro inicializaci nabíjení a vybíjení sady kondenzátorů na výstupu, což se rovná násobení napětí na sadě kondenzátorů takovým způsobem, že výsledek se stává dvojnásobkem přiloženého napájecího napětí.
Napětí z oscilátoru však nelze přednostně přivést přímo na kondenzátory, spíše se tak děje prostřednictvím skupiny paralelně uspořádaných hradel integrovaného obvodu.
Tato paralelní hradla společně vytvářejí dobrou vyrovnávací paměť k přiloženému kmitočtu z hradel generátoru, takže výsledný kmitočet je silnější vzhledem k proudu a neochabuje při relativně vyšších zátěžích na výstupech.
Ale stále s ohledem na specifikace integrovaného obvodu CMOS nelze očekávat, že výstupní proudová zatížitelnost bude větší než 40 mA.
Vyšší zátěže než tato budou mít za následek zhoršení úrovně napětí směrem k napájecí úrovni.
Pro získání přiměřeně vyšší úrovně účinnosti obvodu lze hodnoty výstupních kondenzátorů zvýšit na 100uF.
Při 12 V jako napájecím vstupu do IC lze z tohoto obvodu zdvojovače napětí na bázi IC 4049 získat výstupní napětí přibližně 22 V.
Seznam dílů
- R1 = 68K,
- C1 = 680pF,
- C2, C3 = 100 uF/ 25V,
- D1, D2 =1N4148,
- N1, N2, N3, N4 = IC 4049,
- LED bílá = 3 č.