I den här artikeln lär vi oss att göra ett par enkla kretsar för spänningsfördubbling från likspänning till likspänning med hjälp av en enda IC 4049 och IC 555 tillsammans med några andra passiva komponenter.
Om du undrar hur en enkel IC 555 kan användas för att göra en kraftfull spänningsfördubblingskrets, kommer den här artikeln att hjälpa dig att förstå detaljerna och konstruera konstruktionen hemma.
Vad är en spänningsfördubblingskrets
En spänningsfördubblingskrets är en krets som endast använder sig av dioder och kondensatorer för att höja en ingångsspänning till en högre spänningsutgång, dubbelt så stor som ingången.
Om du är nybörjare på spänningsdubblerkonceptet och vill lära dig konceptet på djupet har vi en bra utförlig artikel på den här webbplatsen som förklarar olika spänningsmultiplikatorkretsar för din referens.
Spänningsmultiplikatorkonceptet upptäcktes först och användes praktiskt av de brittiska och irländska fysikerna John Douglas Cockcroft och Ernest Thomas Sinton Walton, därav kallas det också Cockcroft-Walton-generatorn (CW).
Ett bra exempel på en spänningsmultiplikatorkonstruktion kan studeras genom denna artikel som utnyttjar konceptet för att generera joniserad luft för att rena luften i hemmen.
En spänningsfördubblingskrets är också en form av spänningsmultiplikator där diod-/kondensatorsteget är begränsat till endast ett par steg, så att utgången tillåts producera en spänning som kan vara dubbelt så hög som matningsspänningen.
Då alla spänningsmultiplikatorkretsar obligatoriskt kräver en växelströmsingång eller en pulserande ingång, blir en oscillatorkrets nödvändig för att åstadkomma resultaten.
IC 555 Pinout Details
Kretsschema för spänningsfördubblare med hjälp av IC 555
Med hänvisning till exemplet ovan kan vi se en IC 555-krets som är konfigurerad som ett astabilt multivibratortrappsteg, som faktiskt är en form av oscillator, och som är utformad för att producera en pulserande likström (ON/OFF) vid dess utgångspinne nr 3.
Om du minns hade vi diskuterat en LED-lampa-krets på den här webbplatsen, som helt identiskt använder en spänningsdubblerkrets, även om oscillatordelen skapas med hjälp av en IC 4049-portar.
I grund och botten kan du ersätta IC 555-steget med vilken annan oscillatorkrets som helst och ändå få spänningsfördubblingseffekten.
Att använda IC 555 har dock en liten fördel eftersom denna IC kan generera mer ström än någon annan IC-baserad oscillatorkrets utan att använda något externt strömförstärkarsteg.
Hur spänningsfördubblingssteget fungerar
Som framgår av diagrammet ovan genomförs den faktiska spänningsmultiplikationen av D1-, D2-, C2- och C3-steget, som är konfigurerade som ett halvbryggat 2-stegs spänningsmultiplikatornätverk.
Simuleringen av det här steget som svar på IC 555:s situation för pin#3 kan vara lite svår, och jag kämpar fortfarande för att få det att fungera korrekt i min hjärna.
Enligt min hjärnsimulering kan funktionen av det nämnda spänningsfördubblingssteget förklaras enligt följande punkter:
- När IC:s utgångsstift#3 befinner sig i sin låga logiska nivå eller marknivå kan D1 ladda C2, eftersom den kan bli framåtriktat genom C2 och stift#3:s negativa potential, samtidigt laddas även C3 via D1 och D2.
- Nu, i nästa ögonblick så snart pin#3 blir vid hög logik eller vid den positiva matningspotentialen, blir saker och ting något förvirrande.
- Här kan C2 inte ladda ur via D1, så vi har en utmatning på försörjningsnivå från D1, från C2 och från C3 också.
- Många av de andra online-sidorna säger att vid denna tidpunkt ska den lagrade spänningen inne i C2 och den positiva från D1 kombineras med utmatningen från C3 för att producera en fördubblad spänning, men det är dock inte meningsfullt.
- För att när spänningar kombineras parallellt, ökar inte nettospänningen. Spänningarna måste kombineras i serie för att orsaka den önskade förstärknings- eller fördubblingseffekten.
- Den enda logiska förklaringen som kan härledas är att när stift nr 3 blir hög, C2:s negativ är på den positiva nivån och dess positiva ände också hålls på försörjningsnivån, tvingas den producera en omvänd laddningspuls som adderas till C3:s laddning, vilket orsakar en ögonblicklig potentiell spik som har en toppspänning som är dubbelt så hög som försörjningsnivån.
Om du har en bättre eller tekniskt mer korrekt förklaring är du välkommen att förklara den i dina kommentarer.
Hur mycket ström?
Pin#3 på IC:n har tilldelats att leverera en ström på maximalt 200mA, därför kan man förvänta sig att den maximala toppströmmen kommer att ligga på denna 200mA-nivå, men topparna kommer att bli smalare beroende på C2- och C3-värdena. Kondensatorer med högre värde kan möjliggöra en mer omfattande strömöverföring över utgången, se därför till att C2- och C3-värdena är optimalt valda, cirka 100uF/25V är precis tillräckligt
En praktisk tillämpning
Och även om en spänningsfördubblingskrets kan vara användbar för många elektroniska kretstillämpningar, skulle en hobbybaserad tillämpning kunna vara att belysa en högspänningslysdiod från en lågspänningskälla, som visas nedan:
I ovanstående kretsschema kan vi se hur kretsen används för att belysa en 9V LED-lampa från en 5V-försörjningskälla, vilket normalt skulle vara omöjligt om 5V applicerades direkt på LED-lampan.
Samband mellan frekvens, PWM och spänningsutgångsnivå
Frekvensen i en spänningsdubblerkrets är inte avgörande, men en snabbare frekvens hjälper dig att få bättre resultat än långsammare frekvenser.
Samma gäller för PWM-området, Duty Cycle bör vara ungefär 50 %, smalare pulser kommer att orsaka lägre ström vid utgången, medan för breda pulser inte tillåter de relevanta kondensatorerna att ladda ur optimalt, vilket återigen resulterar i en ineffektiv utgångseffekt.
I den diskuterade IC 555 astable-kretsen kan R1 vara var som helst mellan 10K och 100K, detta motstånd tillsammans med C1 bestämmer frekvensen. C1 kan följaktligen vara var som helst mellan 50nF och 0,5uF.
R2 kommer i grunden att göra det möjligt för dig att styra PWM, därför kan detta göras till ett variabelt motstånd genom en 100K potten.
Användning av IC 4049 NOT gates
Följande CMOS IC-baserade krets kan användas för att fördubbla vilken som helst likströmskällspänning (upp till 15 V DC). Den presenterade konstruktionen kommer att fördubbla vilken spänning som helst mellan 4 och 15 V DC och kommer att kunna driva belastningar med en ström på högst 30 mA.
Som framgår av diagrammet använder den här kretsen för fördubbling av likspänning bara en enda IC 4049 för att uppnå det föreslagna resultatet.
IC 4049 Pinouts
Kretsens funktion
IC 4049 har totalt sex grindar som alla är effektiva för att generera de diskuterade spänningsfördubblingsåtgärderna. Två av grindarna av de sex är konfigurerade som en oscillator.
Den yttersta vänstra delen av diagrammet visar oscillatorsektionen.
Vidare resistansen på 100 K och kondensatorn på 0,01 bildar de grundläggande frekvensbestämmande komponenterna.
En frekvens krävs absolut om en spänningsfördubblingsåtgärd måste genomföras, därför blir det även här nödvändigt att involvera en oscillator.
Dessa svängningar blir användbara för att initiera laddning och urladdning av en uppsättning kondensatorer vid utgången, vilket innebär att spänningen över kondensatorerna multipliceras på ett sådant sätt att resultatet blir dubbelt så stort som den applicerade matningsspänningen.
Spänningen från oscillatorn kan dock helst inte appliceras direkt på kondensatorerna, utan sker snarare genom en grupp grindar i IC:n som är anordnade på ett parallellt sätt.
Dessa parallella grindar ger tillsammans en bra buffring till den applicerade frekvensen från generatorgrindarna så att den resulterande frekvensen är starkare med avseende på strömmen och inte vacklar med relativt högre belastningar vid utgångarna.
Men om man fortfarande håller specifikationerna för ett CMOS-IC i åtanke kan man inte förvänta sig att kapaciteten för hantering av utgångsströmmen ska vara större än 40 mA.
Högre belastningar än så kommer att leda till att spänningsnivån försämras i riktning mot matningsnivån.
Utgångskondensatorvärdena kan ökas till 100uF för att få någorlunda högre verkningsgrad från kretsen.
Med 12 volt som matningsingång till IC:n kan en utgång på cirka 22 volt erhållas från denna IC 4049-baserade spänningsdubblerkrets.
Delförteckning
- R1 = 68K,
- C1 = 680pF,
- C2, C3 = 100 uF/ 25V,
- D1, D2 =1N4148,
- N1, N2, N3, N4 = IC 4049,
- LEDs White = 3 nr.