Obvod nabíjacieho čerpadla

Situácia je jednoduchá - máte nízkonapäťovú napájaciu lištu, povedzme 3,3 V, a chcete napájať niečo, čo potrebuje 5 V. Toto je tvrdý hovor, najmä ak sú zapojené batérie. Jediným zjavným spôsobom je prevodník spínaného režimu, konkrétnejšie zosilňovací prevodník.

To je miesto, kde narazíme na blokovanie ostatných ciest - zosilňovače sú pri nízkych výkonoch neúčinné, pretože veľa energie sa spotrebuje iba na udržanie regulácie na mieste a na zapnutie vypínača. Prevodníky tohto typu sú tiež hlučné - to je problém, ak pracujete s citlivými obvodmi. Ste v nepohodlnej pozícii prepracovaného riešenia. Lineárne regulátory nepracujú opačne, takže je vylúčené, že sú nedostatočne vybavené.

Kde teda urobíme hranicu medzi nadmerne a nedostatočne technickým stavom?

Odpoveďou na tento problém je Charge Pump - ktorá je sama osebe druhom spínaného napájacieho zdroja. Ako naznačuje názov, tento druh prevodníka pohybuje diskrétnymi nábojmi a komponentom, ktorý tieto diskrétne náboje uchováva, je kondenzátor, takže tento druh prevodníka sa nazýva aj prevodník Flying Capacitor Converter.

Nabíjacie čerpadlo vytvára pomocou kondenzátorov diskrétne násobky vstupného napätia.

Ako funguje nabíjacie čerpadlo?

Najlepšie to pochopíte, ak si predstavíte nasledujúcu situáciu.

Kondenzátor nabíjate pomocou 9V batérie, takže napätie na kondenzátore je tiež 9V. Potom si vezmete ďalší kondenzátor a nabijete ho tiež na 9V. Teraz pripojte dva kondenzátory do série a zmerajte na nich napätie - 18V.

Toto je základný princíp fungovania nabíjacieho čerpadla - vezmite dva kondenzátory, nabite ich jednotlivo a potom ich zapojte do série. U skutočného nabíjacieho čerpadla sa však preskupenie uskutoční elektronicky.

Samozrejme to nie je obmedzené iba na dva kondenzátory, postupné stupne je možné kaskádovať, aby sa na výstupe získalo vyššie napätie.

Obmedzenia nabíjacích čerpadiel

Predtým, ako si nejaké postavíme, je dobré spoznať obmedzenia nabíjacích čerpadiel.

1. Dostupný výstupný prúd - keďže nabíjacie čerpadlá nie sú nič iné ako kondenzátory, ktoré sa nabíjajú a vybíjajú v cykloch, dostupný prúd je veľmi nízky - existujú zriedkavé prípady, keď vám použitie správneho čipu môže dať 100 mA, ale pri nízkej účinnosti.

2. Čím viac stupňov pridáte, neznamená to, že výstup napätia sa toľkonásobne zvýši - každý stupeň načíta výstup predchádzajúceho stupňa, takže výstup nie je dokonalým násobkom vstupu. Tento problém sa zhoršuje, čím viac stupňov pridáte.

Budovanie okruhu nabíjacieho čerpadla

Tu zobrazený obvod slúži na jednoduché trojstupňové nabíjacie čerpadlo, ktoré využíva vždy zelený časovač 555 IC. V istom zmysle je tento obvod „modulárny“ - pre zvýšenie výstupného napätia je možné kaskádovať stupne (s ohľadom na obmedzenie číslo dva).

Súčasti sú povinné

1. Pre oscilátor 555

• Časovač 555 - bipolárny variant
• 10uF elektrolytický kondenzátor (oddelenie)
• 2x 100nF keramický kondenzátor (oddelenie)
• 100pF keramický kondenzátor (časovanie)
• 1K rezistor (časovanie)
• 10K rezistor (časovanie)

2. Pre nabíjaciu pumpu

• 6x diódy IN4148 (tiež sa odporúča UF4007)
• 5x 10uF elektrolytické kondenzátory
• 100uF elektrolytický kondenzátor

Je dôležité si uvedomiť, že všetky kondenzátory použité v nabíjacom čerpadle musia byť dimenzované o niekoľko voltov viac, ako je očakávané výstupné napätie.

Schéma zapojenia

Takto to vyzerá na breadboarde:

Popis obvodu nabíjacieho čerpadla

1. Časovač 555

Tu zobrazený obvod je priamy astabilný oscilátor s časovačom 555. Výsledkom časovacích komponentov je frekvencia okolo 500 kHz (čo je pre bipolárnu 555 výkon sám o sebe). Táto vysoká frekvencia zaisťuje, že sa kondenzátory nabíjacieho čerpadla pravidelne „obnovujú“, aby napätie na výstupe nemalo príliš veľké zvlnenie.

2. Nabíjacie čerpadlo

Toto je najstrašnejšia časť celého okruhu. Rovnako ako väčšina ostatných vecí, je možné ho pochopiť rozdelením do jednej jednotky:

Predpokladajme, že pin 3, výstup časovača 555, je počas spustenia nízky. To má za následok nabíjanie kondenzátora cez diódu, pretože záporná svorka je teraz uzemnená. Keď je výstup vysoký, záporný pin tiež stúpa - ale keďže na kondenzátore je už náboj (ktorý nemôže ísť nikde kvôli dióde), napätie videné na kladnej svorke kondenzátora je v skutočnosti dvojnásobné ako vstupné napätie.

Tu je kladný pól kondenzátora:

Konečným výsledkom je, že efektívne pridávate posunutie V _CC k výstupu časovača 555.

Teraz je toto napätie priamo ako výstup zbytočné, pretože je tu obrovské 50% zvlnenie. Aby sme to vyriešili, pridali sme detektor špičiek, ako je znázornené na nasledujúcom obrázku:

Toto je výstup vyššie uvedeného obvodu:

A úspešne sme zdvojnásobili výstup napätia!

Tipy na stavbu obvodov

Bipolárny model 555 je známy svojimi napájacími hrotmi, ktoré generuje na napájacej lište, pretože výstupný tlačno-ťahový stupeň takmer zmenšuje napájanie počas prechodov. Takže oddelenie je povinné.

Rýchlou obchádzkou vám poviem niečo o správnom odpojení.

Tu je kolík V _CC oscilátora bez oddelenia:

A tu je ten istý pin so správnym oddelením:

Je zrejmé, že rozdiel je trochu odlišný.

Pre stupeň nabíjacieho čerpadla sa odporúčajú keramické kondenzátory SMD s nízkou indukčnosťou. Výkon zlepšujú aj Schottkyho diódy s nízkym poklesom napätia vpred.

Použitie CMOS 555 so správnym výstupným stupňom (možno aj ovládač brány ako TC4420) môže znížiť (ale nie vylúčiť) špičky napájania.

Variácie nabíjacieho čerpadla

Nabíjacie čerpadlá nielen zvyšujú napätie, ale je možné ich použiť aj na invertovanie polarity napätia.

Tento obvod funguje rovnako ako zdvojovač napätia - keď je výstup 555 vysoký, čiapočka sa nabíja, a keď je výstup slabý, náboj sa pretiahne druhým kondenzátorom v opačnom smere, čím sa na výstupe vytvorí záporné napätie.

Kde môžem použiť nabíjaciu pumpu?

• Napájanie s bipolaritou pre operačné zosilňovače v obvode, kde je k dispozícii iba jedno napätie. Operačné zosilňovače nespotrebúvajú veľa prúdu, takže sa dokonale hodia. Príjemné na tom je, že invertor a zdvojovač môžu byť napájané z rovnakého výstupu, čím sa vytvorí povedzme napájanie ± 12V zo zdroja 5V.
• Budiče brány - bootstrapping je voľba, ale nabíjacie čerpadlo má potenciál generovať vyššie napätie, napríklad s pohonom brány 12V zo zdroja 3,3 V. Bootstrapping by vám v tomto prípade nedal viac ako 7V.

Charge pumpy sú teda jednoduché a efektívne zariadenia používané na vytváranie diskrétnych násobkov vstupného napätia.