2 facili circuiti duplicatori di tensione discussi

In questo articolo impariamo come fare un paio di semplici circuiti duplicatori di tensione DC to DC usando un singolo IC 4049 e IC 555 insieme a pochi altri componenti passivi.

Se ti stai chiedendo come un semplice IC 555 può essere usato per fare un potente circuito duplicatore di tensione, allora questo articolo ti aiuterà a capire i dettagli e a costruire il progetto a casa.

Cos’è un duplicatore di tensione

Un duplicatore di tensione è un circuito che usa solo diodi e condensatori per aumentare una tensione di ingresso in una tensione di uscita superiore, il doppio della grandezza dell’ingresso.

Se sei nuovo al concetto di raddoppiatore di tensione e desideri imparare il concetto in profondità, abbiamo un buon articolo elaborato in questo sito web che spiega diversi circuiti moltiplicatori di tensione per il tuo riferimento.

Il concetto di moltiplicatore di tensione è stato scoperto e usato praticamente dai fisici inglesi e irlandesi John Douglas Cockcroft e Ernest Thomas Sinton Walton, quindi è anche chiamato il generatore Cockcroft-Walton (CW).

Un buon esempio di progettazione di un moltiplicatore di tensione può essere studiato attraverso questo articolo che sfrutta il concetto per generare aria ionizzata per la purificazione dell’aria nelle case.

Un circuito duplicatore di tensione è anche una forma di moltiplicatore di tensione in cui lo stadio di diodo/capacitore è limitato solo a un paio di stadi, in modo che l’uscita può produrre una tensione che può essere il doppio della tensione di alimentazione.

Siccome tutti i circuiti moltiplicatori di tensione richiedono obbligatoriamente un ingresso AC o un ingresso pulsante, un circuito oscillatore diventa essenziale per ottenere i risultati.

Dettagli della piedinatura dell’IC 555

Diagramma del circuito del duplicatore di tensione usando IC 555

Riferendoci all’esempio precedente, possiamo vedere un circuito IC 555 configurato come uno stadio multivibratore astabile, che è in realtà una forma di oscillatore, ed è progettato per produrre una DC pulsante (ON/OFF) al suo pin di uscita n°3.

Se vi ricordate, avevamo discusso un circuito torcia LED in questo sito web, che abbastanza identicamente utilizza un circuito duplicatore di tensione, anche se la sezione oscillatore è creato utilizzando un IC 4049 gates.

Fondamentalmente, è possibile sostituire lo stadio IC 555 con qualsiasi altro circuito oscillatore e ottenere ancora l’effetto di raddoppio della tensione.

Tuttavia l’utilizzo dell’IC 555 ha un leggero vantaggio poiché questo IC è in grado di generare più corrente di qualsiasi altro circuito oscillatore basato su IC senza utilizzare alcuno stadio amplificatore di corrente esterno.

Come funziona lo stadio del duplicatore di tensione

Come si può vedere nel diagramma qui sopra, la moltiplicazione di tensione effettiva è implementata dallo stadio D1, D2, C2, C3, che sono configurati come una rete di moltiplicatori di tensione a mezzo ponte a 2 stadi.

Simulare questo stadio in risposta alla situazione del pin#3 dell’IC 555 può essere un po’ difficile, e sto ancora lottando per farlo funzionare correttamente nel mio cervello.

Secondo la mia simulazione mentale, il funzionamento dello stadio di raddoppiatore di tensione menzionato può essere spiegato come indicato nei seguenti punti:

1. Quando il pin di uscita dell’IC#3 è nel suo livello logico basso o a terra, D1 è in grado di caricare C2, poiché è in grado di essere polarizzato in avanti attraverso C2 e il potenziale negativo del pin#3, inoltre contemporaneamente C3 viene caricato attraverso D1, e D2.
2. Ora, nel prossimo istante, appena il pin#3 diventa a livello logico alto o al potenziale di alimentazione positivo, le cose si confondono leggermente.
3. Qui C2 non è in grado di scaricarsi attraverso D1, quindi abbiamo un’uscita a livello di alimentazione da D1, da C2, e anche da C3.
4. Molti degli altri siti online dicono che a questo punto la tensione immagazzinata dentro C2, e il positivo da D1 dovrebbe combinarsi con l’uscita di C3 per produrre una tensione raddoppiata, tuttavia questo non ha senso.
5. Perché, quando le tensioni si combinano in parallelo, la tensione netta non aumenta. Le tensioni devono combinarsi in serie per causare la spinta desiderata o l’effetto di raddoppio.
6. L’unica spiegazione logica che può essere derivata è che quando il pin 3 diventa alto, essendo il negativo di C2 al livello positivo e la sua estremità positiva tenuta anch’essa al livello di alimentazione, è costretto a produrre un impulso di carica inversa che si somma alla carica di C3, causando un picco di potenziale istantaneo con una tensione di picco doppia rispetto al livello di alimentazione.

Se hai una spiegazione migliore o tecnicamente più corretta, per favore sentiti libero di spiegarla nei tuoi commenti.

Quanta corrente?

Il pin 3 dell’IC è assegnato per fornire un massimo di 200mA di corrente, quindi il picco massimo di corrente può essere previsto a questo livello di 200mA, tuttavia i picchi si restringeranno a seconda dei valori di C2, C3. Condensatori di valore più alto potrebbero permettere un trasferimento di corrente più completo attraverso l’uscita, quindi assicuratevi che i valori di C2, C3 siano selezionati in modo ottimale, circa 100uF/25V saranno appena sufficienti

Un’applicazione pratica

Anche se un circuito duplicatore di tensione può essere utile per molte applicazioni di circuiti elettronici, un’applicazione basata sull’hobby potrebbe essere quella di illuminare un LED ad alta tensione da una sorgente a bassa tensione, come mostrato sotto:

Nello schema del circuito di cui sopra possiamo vedere come il circuito viene utilizzato per illuminare una lampadina a LED da 9V da una fonte di alimentazione di 5V, che normalmente sarebbe impossibile se i 5V fossero applicati direttamente sul LED.

Relazione tra la frequenza, PWM e il livello di uscita della tensione

La frequenza in qualsiasi circuito duplicatore di tensione non è cruciale, tuttavia una frequenza più veloce vi aiuterà ad ottenere risultati migliori rispetto alle frequenze più lente.

Similmente per la gamma PWM, il duty cycle dovrebbe essere approssimativamente del 50%, impulsi più stretti causeranno una minore corrente in uscita, mentre impulsi troppo ampi non permetteranno ai relativi condensatori di scaricarsi in modo ottimale, ancora una volta con conseguente potenza di uscita inefficace.

Nel circuito astabile IC 555 discusso, R1 può essere ovunque tra 10K e 100K, questa resistenza insieme a C1 decide la frequenza. C1 di conseguenza può essere ovunque tra 50nF e 0.5uF.

R2 fondamentalmente vi permetterà di controllare il PWM, quindi questo può essere fatto in un resistore variabile attraverso un vaso da 100K.

Usando IC 4049 NOT gates

Il seguente circuito basato su IC CMOS può essere usato per raddoppiare qualsiasi tensione di sorgente DC (fino a 15 V DC). Il progetto presentato raddoppierà qualsiasi tensione tra 4 e 15 V DC e sarà in grado di far funzionare i carichi a corrente non superiore a 30 mA.

Come si può vedere nel diagramma, questo circuito duplicatore di tensione DC impiega solo un singolo IC 4049 per raggiungere il risultato proposto.

Pinout dell’IC 4049

Funzionamento del circuito

L’IC 4049 ha sei porte in tutto che sono tutte effettivamente per generare le azioni di raddoppio della tensione discusse. Due delle porte delle sei sono configurate come un oscillatore.

L’estrema sinistra del diagramma mostra la sezione dell’oscillatore.

La resistenza da 100 K e il condensatore da 0,01 formano i componenti di base che determinano la frequenza.
Una frequenza è imperativamente richiesta se deve essere implementata un’azione di raddoppio della tensione, quindi anche qui il coinvolgimento di un oscillatore diventa necessario.

Queste oscillazioni diventano utili per inizializzare la carica e la scarica di una serie di condensatori all’uscita che equivale alla moltiplicazione della tensione attraverso la serie di condensatori in modo tale che il risultato diventa il doppio della tensione di alimentazione applicata.

Tuttavia la tensione dall’oscillatore non può essere preferibilmente applicata direttamente ai condensatori, piuttosto è fatta attraverso un gruppo di porte del CI disposte in modo parallelo.

Queste porte parallele insieme producono un buon buffering alla frequenza applicata dalle porte del generatore in modo che la frequenza risultante è più forte rispetto alla corrente e non vacilla con carichi relativamente più alti alle uscite.

Ma sempre tenendo le specifiche di un IC CMOS in mente la capacità di gestione della corrente di uscita non può essere prevista per essere più grande di 40 mA.

Carichi più alti di questo porteranno al deterioramento del livello di tensione verso il livello di alimentazione.

I valori dei condensatori di uscita possono essere aumentati fino a 100uF per ottenere livelli di efficienza ragionevolmente più alti dal circuito.

Con 12 volt come ingresso di alimentazione all’IC, un’uscita di circa 22 volt può essere acquisita da questo circuito duplicatore di tensione basato su IC 4049.

Lista parti

• R1 = 68K,
• C1 = 680pF,
• C2, C3 = 100 uF/ 25V,
• D1, D2 =1N4148,
• N1, N2, N3, N4 = IC 4049,
• LED Bianchi = 3 nn.