2 Easy Voltage Doubler Circuits Discussed

W tym artykule dowiemy się jak zrobić parę prostych obwodów podwajających napięcie z DC na DC używając pojedynczego IC 4049 i IC 555 wraz z kilkoma innymi pasywnymi komponentami.

Jeśli zastanawiasz się jak prosty IC 555 może być użyty do zrobienia potężnego obwodu podwajacza napięcia, to ten artykuł pomoże Ci zrozumieć szczegóły i skonstruować projekt w domu.

Co to jest podwajacz napięcia

Podwajacz napięcia jest obwodem, który używa tylko diod i kondensatorów do podniesienia napięcia wejściowego do wyższego napięcia wyjściowego, dwa razy większego niż napięcie wejściowe.

Jeśli jesteś nowy w koncepcji podwajacza napięcia i pragniesz poznać tę koncepcję dogłębnie, mamy na tej stronie dobry, rozbudowany artykuł wyjaśniający różne obwody podwajacza napięcia dla twojego odniesienia.

Koncepcja podwajacza napięcia została po raz pierwszy odkryta i użyta praktycznie przez brytyjskich i irlandzkich fizyków Johna Douglasa Cockcrofta i Ernesta Thomasa Sintona Waltona, stąd jest również nazywana generatorem Cockcrofta-Waltona (CW).

Dobry przykład konstrukcji mnożnika napięcia może być przestudiowany poprzez ten artykuł, który wykorzystuje koncepcję do generowania zjonizowanego powietrza do oczyszczania powietrza w domach.

Obwód podwajający napięcie jest również formą mnożnika napięcia, gdzie etap diody/kondensatora jest ograniczony tylko do kilku etapów, tak że wyjście jest dopuszczone do wytwarzania napięcia, które może być dwa razy większe od napięcia zasilania.

Ponieważ wszystkie obwody mnożnika napięcia obligatoryjnie wymagają wejścia AC lub wejścia pulsującego, obwód oscylatora staje się niezbędny do osiągnięcia wyników.

Szczegóły wyprowadzeń układu scalonego 555

Schemat obwodu podwajacza napięcia wykorzystującego układ scalony 555

Odnosząc się do powyższego przykładu, widzimy układ scalony 555 skonfigurowany jako astabilny multiwibrator, który jest w rzeczywistości formą oscylatora i jest zaprojektowany do wytwarzania pulsującego prądu stałego (ON/OFF) na swoim wyjściu (pin#3).

Jeśli pamiętasz, omawialiśmy na tej stronie obwód latarki LED, który całkiem identycznie wykorzystuje obwód podwajacza napięcia, aczkolwiek sekcja oscylatora jest utworzona przy użyciu bramek IC 4049.

Podstawowo, możesz zastąpić stopień IC 555 jakimkolwiek innym obwodem oscylatora i nadal uzyskać efekt podwojenia napięcia.

Jednakże użycie IC 555 ma niewielką korzyść, ponieważ ten układ scalony jest w stanie wygenerować więcej prądu niż jakikolwiek inny obwód oscylatora oparty na układzie scalonym bez użycia jakiegokolwiek zewnętrznego stopnia wzmacniacza prądu.

Jak działa stopień podwajacza napięcia

Jak widać na powyższym schemacie, rzeczywiste mnożenie napięcia jest realizowane przez stopnie D1, D2, C2, C3, które są skonfigurowane jako półmostek 2-stopniowego mnożnika napięcia.

Symulacja tego stopnia w odpowiedzi na sytuację na pinie #3 układu IC 555 może być trochę trudna i wciąż zmagam się z tym, aby uruchomić go poprawnie w moim mózgu.

Jak wynika z mojej symulacji umysłu, działanie wspomnianego stopnia podwajacza napięcia można wyjaśnić w następujący sposób:

1. Gdy pin wyjściowy układu scalonego#3 jest w stanie niskiego poziomu logicznego lub poziomu masy, D1 jest w stanie naładować C2, ponieważ jest w stanie uzyskać forward biased poprzez C2 i ujemny potencjał pinu#3, również jednocześnie C3 jest ładowany poprzez D1, i D2.
2. Teraz, w następnej chwili, jak tylko pin#3 znajdzie się w stanie wysokiej logiki lub na dodatnim potencjale zasilania, sprawy stają się nieco zagmatwane.
3. Tutaj C2 nie jest w stanie rozładować się przez D1, więc mamy poziom zasilania na wyjściu z D1, z C2, i z C3 również.
4. Wiele innych stron internetowych mówi, że w tym momencie zmagazynowane napięcie wewnątrz C2, i dodatnie z D1 ma się połączyć z wyjściem z C3, aby wyprodukować podwojone napięcie, jednakże to nie ma sensu.
5. Ponieważ, kiedy napięcia łączą się równolegle, napięcie netto nie wzrasta. Jedyne logiczne wytłumaczenie, jakie można uzyskać, jest takie, że kiedy pin#3 staje się wysoki, ujemny C2 jest na poziomie dodatnim, a jego dodatni koniec jest również na poziomie zasilania, jest on zmuszony do wytworzenia impulsu odwrotnego naładowania, który sumuje się z ładunkiem C3, powodując natychmiastowy skok potencjału o napięciu szczytowym dwa razy większym niż poziom zasilania.

Jeżeli masz lepsze lub technicznie bardziej poprawne wyjaśnienie, proszę bardzo, wyjaśnij to w komentarzach.

Ile prądu?

Pin#3 układu scalonego jest przypisany do dostarczania maksymalnego prądu 200mA, dlatego maksymalnego prądu szczytowego można oczekiwać na poziomie 200mA, jednakże wartości szczytowe będą węższe w zależności od wartości C2, C3. Wyższe wartości kondensatorów mogą umożliwić pełniejszy transfer prądu przez wyjście, dlatego upewnij się, że wartości C2, C3 są optymalnie dobrane, około 100uF/25V będzie wystarczające

Praktyczne zastosowanie

Ale układ podwajacza napięcia może być przydatny w wielu zastosowaniach układów elektronicznych, hobbystycznym zastosowaniem może być podświetlanie wysokonapięciowej diody LED ze źródła niskiego napięcia, jak pokazano poniżej:

W powyższym schemacie obwodu widzimy jak obwód jest używany do oświetlania żarówki LED 9V ze źródła zasilania 5V, co normalnie byłoby niemożliwe, gdyby napięcie 5V było przyłożone bezpośrednio do diody LED.

Zależność między częstotliwością, PWM i poziomem wyjściowego napięcia

Częstotliwość w każdym układzie podwajacza napięcia nie jest kluczowa, jednak szybsza częstotliwość pomoże Ci uzyskać lepsze wyniki niż wolniejsza częstotliwość.

Podobnie dla zakresu PWM, cykl pracy powinien wynosić w przybliżeniu 50%, węższe impulsy spowodują mniejszy prąd na wyjściu, podczas gdy zbyt szerokie impulsy nie pozwolą odpowiednim kondensatorom na optymalne rozładowanie, ponownie powodując nieefektywną moc wyjściową.

W omawianym obwodzie astabilnym IC 555, R1 może być w dowolnym miejscu pomiędzy 10K a 100K, ten rezystor wraz z C1 decyduje o częstotliwości. C1 w konsekwencji może być w dowolnym miejscu pomiędzy 50nF a 0.5uF.

R2 zasadniczo umożliwi sterowanie PWM, dlatego może to być zrobione jako zmienny rezystor poprzez 100K pot.

Użycie IC 4049 NOT gates

Poniższy układ oparty na IC CMOS może być użyty do podwojenia dowolnego napięcia źródłowego DC (do 15 V DC). Przedstawiony projekt podwoi dowolne napięcie w zakresie od 4 do 15 V DC i będzie w stanie obsługiwać obciążenia przy prądzie nie większym niż 30 mA.

Jak widać na schemacie, ten obwód podwajający napięcie DC wykorzystuje tylko jeden układ scalony 4049 do osiągnięcia proponowanego rezultatu.

IC 4049 Pinouts

Circuit Operation

Układ scalony 4049 posiada w sumie sześć bramek, które są efektywnie wykorzystywane do generowania omawianych działań podwajania napięcia. Dwie bramki z sześciu są skonfigurowane jako oscylator.

Skrajna lewa część schematu pokazuje sekcję oscylatora.

Rezystor 100 K i kondensator 0,01 tworzą podstawowe elementy określające częstotliwość.
Częstotliwość jest bezwzględnie wymagana, jeśli ma być zaimplementowane działanie podwajania napięcia, dlatego również tutaj zaangażowanie oscylatora staje się konieczne.

Te oscylacje stają się użyteczne do inicjowania ładowania i rozładowywania zestawu kondensatorów na wyjściu, co sprowadza się do mnożenia napięcia przez zestaw kondensatorów w taki sposób, że wynik staje się dwukrotnością przyłożonego napięcia zasilania.

Jednakże napięcie z oscylatora nie może być korzystnie przyłożone bezpośrednio do kondensatorów, raczej jest to robione przez grupę bramek układu scalonego ułożonych równolegle.

Te równoległe bramki razem wytwarzają dobre buforowanie dla zastosowanej częstotliwości z bramek generatora, tak że częstotliwość wynikowa jest silniejsza w odniesieniu do prądu i nie załamuje się przy relatywnie większych obciążeniach na wyjściach.

Ale nadal pamiętając o specyfikacji CMOS IC nie można oczekiwać, że zdolność obsługi prądu wyjściowego będzie większa niż 40 mA.

Większe obciążenia niż to spowodują pogorszenie poziomu napięcia w kierunku poziomu zasilania.

Wartości kondensatorów wyjściowych mogą być zwiększone do 100uF dla uzyskania rozsądnie wyższych poziomów sprawności układu.

Przy 12 woltach jako wejściu zasilania do układu scalonego, wyjście około 22 woltów może być uzyskane z tego układu podwajacza napięcia opartego na IC 4049.

Lista części

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