I denne artikel lærer vi, hvordan man laver et par enkle DC til DC spændingsfordoblerkredsløb ved hjælp af en enkelt IC 4049 og IC 555 sammen med et par andre passive komponenter.
Hvis du undrer dig over, hvordan en simpel IC 555 kan bruges til at lave et kraftfuldt spændingsfordoblerkredsløb, så vil denne artikel hjælpe dig med at forstå detaljerne og konstruere designet derhjemme.
Hvad er en spændingsfordobler
En spændingsfordobler er et kredsløb, der kun bruger dioder og kondensatorer til at hæve en indgangsspænding til en højere udgangsspænding, dobbelt så stor som indgangsspændingen.
Hvis du er ny med spændingsfordoblerkonceptet og ønsker at lære konceptet i dybden, har vi en god udførlig artikel på dette websted, der forklarer forskellige spændingsmultiplikatorkredsløb til din reference.
Spændingsmultiplikatorkonceptet blev først opdaget og brugt praktisk af de britiske og irske fysikere John Douglas Cockcroft og Ernest Thomas Sinton Walton, derfor kaldes det også Cockcroft-Walton (CW)-generatoren.
Et godt eksempel på et spændingsmultiplikatordesign kan studeres gennem denne artikel, som udnytter konceptet til at generere ioniseret luft til rensning af luften i hjemmene.
Et spændingsfordoblingskredsløb er også en form for spændingsmultiplikator, hvor diode/kondensator-trinnet kun er begrænset til et par trin, således at udgangen får lov til at producere en spænding, der kan være dobbelt så høj som forsyningsspændingen.
Da alle spændingsmultiplikatorkredsløb obligatorisk kræver en vekselstrømsindgang eller en pulserende indgang, bliver et oscillatorkredsløb afgørende for at opnå resultaterne.
IC 555 Pinout Details
Kredsløbsdiagram af spændingsfordobler ved hjælp af IC 555
Med henvisning til ovenstående eksempel kan vi se et IC 555-kredsløb konfigureret som et astabilt multivibrator-trin, som faktisk er en form for oscillator, og som er designet til at producere en pulserende DC (ON/OFF) på udgangspin nr. 3.
Hvis du husker det, havde vi diskuteret et LED-fakkelkredsløb på dette websted, som helt identisk bruger et spændingsfordoblerkredsløb, om end oscillatordelen er skabt ved hjælp af en IC 4049-gate.
Grundlæggende kan du erstatte IC 555-trinnet med et hvilket som helst andet oscillatorkredsløb og stadig få spændingsfordoblingseffekten.
Hvorimod brugen af IC 555 har en lille fordel, da dette IC er i stand til at generere mere strøm end ethvert andet IC-baseret oscillatorkredsløb uden brug af et eksternt strømforstærkertrin.
Sådan fungerer spændingsfordoblertrinnet
Som det fremgår af ovenstående diagram, implementeres selve spændingsmultiplikationen af D1, D2, C2, C3-trinnet, der er konfigureret som et halvbroet 2-trins spændingsmultiplikatornetværk.
Simulering af dette trin som reaktion på IC 555’s pin#3-situation kan være lidt vanskelig, og jeg kæmper stadig med at få det til at køre korrekt i min hjerne.
I henhold til min hjernesimulering kan virkemåden for det nævnte spændingsfordoblertrin forklares som givet i følgende punkter:
- Når IC-udgangspin#3 er i sit lave logiske eller jordniveau, er D1 i stand til at oplade C2, da det er i stand til at blive forward biased via C2 og pin#3’s negative potentiale, også samtidig oplades C3 via D1, og D2.
- Nu, i det næste øjeblik, så snart pin#3 bliver på høj logik eller på det positive forsyningspotentiale, bliver tingene lidt forvirrende.
- Her er C2 ikke i stand til at aflade via D1, så vi har et output på forsyningsniveau fra D1, fra C2 og også fra C3.
- Mange af de andre onlinesider siger, at på dette tidspunkt skal den lagrede spænding inde i C2 og den positive fra D1 kombineres med output fra C3 for at producere en fordoblet spænding, men det giver ikke mening.
- For når spændinger kombineres parallelt, øges nettospændingen ikke. Spændingerne skal kombineres i serie for at forårsage den ønskede boosting- eller fordoblingseffekt.
- Den eneste logiske forklaring, der kan udledes, er, at når pin nr. 3 bliver høj, idet C2’s negativ er på det positive niveau og dens positive ende også holdes på forsyningsniveauet, er den tvunget til at producere en omvendt ladningspuls, som lægges sammen med C3’s ladning, hvilket forårsager en øjeblikkelig potentialspids med en spidsspænding, der er dobbelt så høj som forsyningsniveauet.
Hvis du har en bedre eller teknisk mere korrekt forklaring, er du velkommen til at forklare den gennem dine kommentarer.
Hvor meget strøm?
Pin#3 på IC’en er tildelt til at levere en maksimal strøm på 200mA, derfor kan den maksimale spidsstrøm forventes at ligge på dette 200mA-niveau, men spidserne vil dog blive smallere afhængigt af C2, C3-værdierne. Kondensatorer med højere værdi kan muliggøre en fyldigere strømoverførsel over udgangen, sørg derfor for at C2, C3-værdierne er optimalt valgt, omkring 100uF/25V vil være lige nok
En praktisk anvendelse
Og selv om et spændingsfordoblingskredsløb kan være nyttigt til mange elektroniske kredsløbsanvendelser, kunne en hobbybaseret anvendelse være at belyse en højspændings-LED fra en lavspændingskilde, som vist nedenfor:
I ovenstående kredsløbsdiagram kan vi se, hvordan kredsløbet bruges til at belyse en 9V LED-pære fra en 5V forsyningskilde, hvilket normalt ville være umuligt, hvis de 5V blev påført direkte på LED’en.
Sammenhæng mellem frekvens, PWM og spændingsudgangsniveauet
Frekvensen i ethvert spændingsfordoblerkredsløb er ikke afgørende, men en hurtigere frekvens vil hjælpe dig til at få bedre resultater end langsommere frekvenser.
Sådan for PWM-området bør duty cycle være ca. 50%, smallere pulser vil medføre lavere strøm ved udgangen, mens for brede pulser ikke vil tillade de relevante kondensatorer at aflade optimalt, hvilket igen resulterer i en ineffektiv udgangseffekt.
I det omtalte IC 555 astable kredsløb kan R1 være hvor som helst mellem 10K og 100K, denne modstand sammen med C1 bestemmer frekvensen. C1 kan følgelig være hvor som helst mellem 50nF til 0,5uF.
R2 vil grundlæggende gøre det muligt at styre PWM, derfor kan dette gøres til en variabel modstand gennem en 100K potte.
Ved hjælp af IC 4049 NOT gates
Det følgende CMOS IC-baserede kredsløb kan bruges til fordobling af enhver DC-kildespænding (op til 15 V DC). Det præsenterede design vil fordoble enhver spænding mellem 4 og 15 V DC og vil kunne betjene belastninger ved en strøm på højst 30 mA.
Som det fremgår af diagrammet, anvender dette kredsløb til fordobling af DC-spænding kun en enkelt IC 4049 til at opnå det foreslåede resultat.
IC 4049 Pinouts
Kredsløbets funktion
IC 4049 har seks porte i alt, som alle er effektive til at generere de omtalte spændingsfordoblingshandlinger. To af gates ud af de seks er konfigureret som en oscillator.
Den yderste venstre del af diagrammet viser oscillatordelen.
Den 100 K-modstand og 0,01-kondensatoren udgør de grundlæggende frekvensbestemmende komponenter.
En frekvens er ubetinget nødvendig, hvis der skal gennemføres spændingsforstærkende handlinger, og derfor bliver det også her nødvendigt at inddrage en oscillator.
Disse svingninger bliver nyttige til at igangsætte opladning og afladning af et sæt kondensatorer ved udgangen, hvilket svarer til en multiplikation af spændingen over kondensatorerne på en sådan måde, at resultatet bliver dobbelt så stort som den anvendte forsyningsspænding.
Spændingen fra oscillatoren kan imidlertid ikke fortrinsvis påføres kondensatorerne direkte, men sker snarere gennem en gruppe af porte i IC’en, der er anbragt parallelt.
Disse parallelle gates giver tilsammen en god buffering til den påførte frekvens fra generatorens gates, således at den resulterende frekvens er stærkere med hensyn til strøm og ikke vakler ved relativt højere belastninger ved udgangene.
Men stadig med specifikationerne for et CMOS-IC in mente kan udgangsstrømshåndteringskapaciteten ikke forventes at være større end 40 mA.
Højere belastninger end dette vil resultere i en forringelse af spændingsniveauet mod forsyningsniveauet.
Udgangskondensatorværdierne kan øges til 100uF for at få rimeligt højere effektivitetsniveauer fra kredsløbet.
Med 12 volt som forsyningsindgang til IC’et kan der opnås et output på omkring 22 volt fra dette IC 4049-baserede spændingsfordoblerkredsløb.
Delefortegnelse
- R1 = 68K,
- C1 = 680pF,
- C2, C3 = 100 uF/ 25V,
- D1, D2 =1N4148,
- N1, N2, N3, N4 = IC 4049,
- LED’er Hvid = 3 stk.