In dit artikel leren we hoe we een paar eenvoudige DC naar DC spanningsverdubbelaarschakelingen kunnen maken met behulp van een enkele IC 4049 en IC 555 samen met een paar andere passieve componenten.
Als u zich afvraagt hoe een eenvoudige IC 555 kan worden gebruikt voor het maken van een krachtige spanningsverdubbelaarschakeling, dan zal dit artikel u helpen de details te begrijpen en het ontwerp thuis te construeren.
Wat is een spanningsverdubbelaar
Een spanningsverdubbelaar is een schakeling die alleen diodes en condensatoren gebruikt om een ingangsspanning te verhogen tot een hogere spanningsuitgang, tweemaal de grootte van de ingang.
Als u nieuw aan het concept van de voltageverdubbelaar bent en wenst om het concept diepgaand te leren, hebben wij een goed uitvoerig artikel in deze website die verschillende kringen van de voltagevermenigvuldiger voor uw reference.
Voltagevermenigvuldiger het concept werd eerst ontdekt en praktisch gebruikt door de Britse en Ierse fysici John Douglas Cockcroft en Ernest Thomas Sinton Walton, vandaar wordt het ook genoemd de Cockcroft-Walton (CW) generator.
Een goed voorbeeld van een ontwerp van een voltagevermenigvuldiger kan door dit artikel worden bestudeerd dat het concept voor het produceren van geïoniseerde lucht voor het zuiveren van lucht in huizen exploiteert.
Een voltageverdubbelaarschakeling is ook een vorm van voltagevermenigvuldiger waar het diode/condensatorstadium slechts tot een paar stadia wordt beperkt, zodat de output een voltage mag produceren dat tweemaal van de toevoerspanning kan zijn.
Aangezien alle spanningsvermenigvuldigingsschakelingen verplicht een wisselstroomingang of een pulserende ingang vereisen, wordt een oscillatorschakeling essentieel voor het bereiken van de resultaten.
IC 555 Pinout Details
Circuit Diagram van Spanningsverdubbelaar met behulp van IC 555
Refererend naar het bovenstaande voorbeeld, kunnen we een IC 555-circuit zien dat is geconfigureerd als een astabiele multivibratortrap, die eigenlijk een vorm van oscillator is, en is ontworpen om een pulserende gelijkstroom (AAN/UIT) te produceren op zijn uitvoerpen#3.
Als u zich herinnert, hadden we op deze website een LED-zaklampschakeling besproken, die op identieke wijze gebruik maakt van een spanningsverdubbelaarschakeling, zij het dat het oscillatorgedeelte wordt gemaakt met behulp van een IC 4049 gates.
Basically, kunt u de IC 555 fase vervangen door een andere oscillator circuit en nog steeds de spanning verdubbeling effect.
Hoewel het gebruik van IC 555 heeft een klein voordeel, omdat dit IC is in staat om meer stroom te genereren dan elke andere IC gebaseerde oscillator circuit zonder gebruik van een externe stroomversterker trap.
Hoe de Voltage Doubler Stage werkt
Zoals te zien is in het bovenstaande diagram, wordt de eigenlijke spanningsvermenigvuldiging uitgevoerd door de D1, D2, C2, C3 trap, die zijn geconfigureerd als een half-brug 2-traps spanningsvermenigvuldigingsnetwerk.
Het simuleren van deze trap in reactie op de IC 555’s pin#3 situatie kan een beetje moeilijk zijn, en ik ben nog steeds aan het worstelen om het correct draaiend te krijgen in mijn hersenen.
Volgens mijn hersensimulatie, kan de werking van de genoemde spanningsverdubbelaar fase worden verklaard zoals gegeven in de volgende punten:
- Wanneer de IC uitgangspen#3 in zijn lage logica of grondniveau is, is D1 in staat om C2 op te laden, aangezien het in staat is om voorgespannen te worden door C2 en de negatieve potentiaal van pen#3, ook wordt gelijktijdig C3 opgeladen via D1, en D2.
- Nu, in het volgende moment, zodra pin#3 op hoog logisch of op het positieve voedingspotentiaal komt, worden de dingen enigszins verwarrend.
- Hier is C2 niet in staat om via D1 te ontladen, dus hebben we een voedingsniveau uitgang van D1, van C2, en van C3 ook.
- Vele van de andere online sites zeggen dat op dit punt de opgeslagen spanning in C2, en de positieve van D1 wordt verondersteld te combineren met de uitgang van C3 om een verdubbelde spanning te produceren, maar dat is niet logisch.
- Omdat, wanneer spanningen parallel combineren, de netto spanning niet toeneemt. De voltages moeten in serie combineren om het gewenste opvoeren of het verdubbelingseffect te veroorzaken.
- De enige logische verklaring die kan worden afgeleid is, wanneer pin#3 hoog wordt, C2’s negatief dat op het positieve niveau is en zijn positieve eind ook op het voedingsniveau wordt gehouden, wordt het gedwongen om een omgekeerde ladingsimpuls te produceren die optelt met de C3 lading, waardoor een onmiddellijke potentiële piek wordt veroorzaakt met een piekvoltage tweemaal dat van het voedingsniveau.
Als u een betere of technisch correctere verklaring hebt, aarzel dan niet om deze in uw commentaar toe te lichten.
Hoeveel stroom?
Pin#3 van het IC is toegewezen om een maximum van 200mA stroom te leveren, daarom kan de maximum piekstroom op dit 200mA niveau worden verwacht, hoewel de pieken smaller zullen worden afhankelijk van de C2, C3 waarden. Condensatoren met een hogere waarde kunnen een grotere stroom over de uitgang leveren, zorg er daarom voor dat de C2, C3 waarden optimaal gekozen zijn, ongeveer 100uF/25V zal net genoeg zijn
Een praktische toepassing
Hoewel een spanningsverdubbelaarcircuit nuttig kan zijn voor vele elektronische circuittoepassingen, zou een hobby-gebaseerde toepassing kunnen zijn om een hoog voltage LED te verlichten vanuit een laag voltage bron, zoals hieronder getoond:
In het bovenstaande schakelschema kunnen we zien hoe de schakeling wordt gebruikt voor het verlichten van een 9V LED-lamp vanuit een 5V voedingsbron, wat normaal gesproken onmogelijk zou zijn als de 5V rechtstreeks op de LED werd toegepast.
Relatie tussen frequentie, PWM en het uitgangsniveau
De frequentie in een spanningsverdubbelaarschakeling is niet van cruciaal belang, maar een snellere frequentie zal u helpen om betere resultaten te krijgen dan een tragere frequentie.
Ook voor het PWM bereik moet de duty cycle ruwweg 50% zijn, smallere pulsen zullen een lagere stroom aan de uitgang veroorzaken, terwijl te brede pulsen de relevante condensatoren niet in staat zullen stellen zich optimaal te ontladen, wat weer resulteert in een ineffectief uitgangsvermogen.
In de besproken IC 555 astable schakeling, kan de R1 overal tussen 10K en 100K zijn, deze weerstand samen met de C1 bepaalt de frequentie. C1 kan dus overal tussen 50nF en 0,5uF zijn.
R2 zal u fundamenteel in staat stellen om de PWM te regelen, daarom kan deze worden gemaakt in een variabele weerstand door middel van een 100K pot.
Gebruik makend van IC 4049 NOT gates
De volgende CMOS IC gebaseerde schakeling kan worden gebruikt voor het verdubbelen van elke DC bronspanning (tot 15 V DC). Het voorgestelde ontwerp zal om het even welke spanning tussen 4 tot 15 V gelijkstroom verdubbelen en zal ladingen kunnen werken bij stroom niet meer dan 30 mA.
Zoals in het diagram kan worden gezien, gebruikt deze gelijkstroomspanningsverdubbelaarschakeling slechts één enkel IC 4049 om het voorgestelde resultaat te bereiken.
IC 4049 Pinouts
Circuitwerking
Het IC 4049 heeft in totaal zes poorten die alle effectief zijn voor het genereren van de besproken spanningsverdubbelingsacties. Twee van de poorten van de zes zijn geconfigureerd als oscillator.
Het meest linkse deel van het schema toont het oscillatorgedeelte.
De weerstand van 100 K en de condensator van 0,01 vormen de frequentiebepalende basiscomponenten.
Een frequentie is dwingend vereist als een spanningsstap-actie moet worden uitgevoerd, daarom wordt ook hier de betrokkenheid van een oscillator noodzakelijk.
Deze oscillatie wordt nuttig voor het initialiseren van het laden en ontladen van een stel condensatoren aan de uitgang, hetgeen neerkomt op het vermenigvuldigen van de spanning over het stel condensatoren op zodanige wijze dat het resultaat tweemaal de toegepaste voedingsspanning wordt.
De spanning van de oscillator kan echter bij voorkeur niet rechtstreeks op de condensatoren worden toegepast, maar dit geschiedt via een groep poorten van het IC die parallel zijn opgesteld.
Deze parallelle poorten vormen tezamen een goede buffering voor de toegepaste frequentie van de generatorpoorten, zodat de resulterende frequentie sterker is ten opzichte van de stroom en niet hapert bij relatief hogere belastingen aan de uitgangen.
Maar nog steeds de specificaties van een CMOS IC in gedachten houdend, kan van de uitgangsstroomverwerkingscapaciteit niet worden verwacht dat deze groter is dan 40 mA.
Hogere belastingen dan dit zullen resulteren in de verslechtering van het spanningsniveau in de richting van het voedingsniveau.
De waarden van de uitgangscondensator kunnen worden verhoogd tot 100uF om redelijk hogere efficiëntieniveaus van de schakeling te krijgen.
Met 12 volt als voedingsingang voor het IC, kan een uitgang van ongeveer 22 volt worden verkregen van deze IC 4049 gebaseerde spanningsverdubbelaarschakeling.
Onderdelenlijst
- R1 = 68K,
- C1 = 680pF,
- C2, C3 = 100 uF/ 25V,
- D1, D2 =1N4148,
- N1, N2, N3, N4 = IC 4049,
- LED’s Wit = 3 nos.