Obwód pompy zasilającej

Sytuacja jest prosta - masz szynę zasilającą niskiego napięcia, powiedzmy 3,3 V, a chcesz zasilić coś, co potrzebuje 5 V. To trudna sprawa, zwłaszcza jeśli chodzi o baterie. Jedynym widocznym sposobem jest konwerter trybu przełączania, a dokładniej konwerter podwyższający.

W tym miejscu natrafiliśmy na przeszkodę - przetwornice doładowania są nieefektywne przy niskich mocach, ponieważ zużywa się dużo energii tylko do utrzymania regulacji i napędzania przełącznika zasilania. Ponadto przetworniki impulsowe tego typu są zaszumione - jest to problem, jeśli masz do czynienia z czułymi obwodami. Znajdujesz się w niewygodnej sytuacji zbyt rozbudowanego rozwiązania. Liniowe regulatory nie działają w odwrotnej kolejności, więc jest to wykluczone jako niedopracowane.

Gdzie więc wytyczamy granicę między zbyt zaawansowaną i niedostateczną inżynierią?

Odpowiedzią na ten problem jest Charge Pump - która sama w sobie jest rodzajem zasilacza impulsowego. Jak sama nazwa wskazuje, ten rodzaj konwertera przenosi dyskretne ładunki dookoła, a elementem, który przechowuje te dyskretne ładunki, jest kondensator, więc ten rodzaj konwertera jest również nazywany konwerterem latającym.

Pompa ładująca wytwarza dyskretne wielokrotności napięcia wejściowego za pomocą kondensatorów.

Jak działa pompa ładująca?

Najlepszym sposobem na zrozumienie tego jest wyobrażenie sobie następującej sytuacji.

Ładujesz kondensator za pomocą baterii 9 V, więc napięcie na kondensatorze również wynosi 9 V. Następnie bierzesz kolejny kondensator i ładujesz go również do 9V. Teraz połącz oba kondensatory szeregowo i zmierz napięcie na nich - 18 V.

To podstawowa zasada działania pompy ładującej - weź dwa kondensatory, naładuj je pojedynczo, a następnie włóż szeregowo, chociaż w prawdziwej pompie ładunkowej przestawianie odbywa się elektronicznie.

Oczywiście nie ogranicza się to tylko do dwóch kondensatorów, kolejne stopnie można łączyć kaskadowo, aby uzyskać wyższe napięcia na wyjściu.

Ograniczenia pomp ładujących

Zanim ją zbudujemy, dobrze jest poznać ograniczenia pomp zasilających.

1. Dostępny prąd wyjściowy - ponieważ pompy ładujące to nic innego jak kondensatory, które są ładowane i rozładowywane cyklicznie, dostępny prąd jest bardzo niski - zdarzają się rzadkie przypadki, w których użycie odpowiedniego chipa może dać 100 mA, ale przy niskiej wydajności.

2. Im więcej stopni dodasz, nie oznacza, że napięcie na wyjściu rośnie tyle razy - każdy stopień ładuje wyjście z poprzedniego stopnia, więc wyjście nie jest doskonałą wielokrotnością wejścia. Ten problem pogarsza się, im więcej dodasz etapów.

Budowa obwodu pompy ładującej

Schemat pokazany tutaj dotyczy prostej trzystopniowej pompy ładującej, która wykorzystuje wiecznie zielony układ scalony timera 555. W pewnym sensie obwód ten jest „modułowy” - stopnie można łączyć kaskadowo w celu zwiększenia napięcia wyjściowego (mając na uwadze ograniczenie numer dwa).

Wymagane składniki

1. Dla oscylatora 555

Timer 555 - wariant bipolarny
Kondensator elektrolityczny 10uF (odsprzęgający)
2x kondensator ceramiczny 100nF (odsprzęgający)
Kondensator ceramiczny 100pF (taktowanie)
Rezystor 1 K (taktowanie)
Rezystor 10 K (taktowanie)

2. Dla pompy ładującej

6 diod IN4148 (zalecane również UF4007)
Kondensatory elektrolityczne 5x 10uF
Kondensator elektrolityczny 100uF

Ważną rzeczą, na którą należy zwrócić uwagę, jest to, że wszystkie kondensatory używane w pompie ładującej muszą być znamionowane na kilka woltów więcej niż oczekiwane napięcie wyjściowe.

Schemat obwodu

Tak to wygląda na płytce stykowej:

Opis obwodu pompy zasilającej

1. Zegar 555

Obwód pokazany tutaj jest prostym oscylatorem stabilnym z zegarem 555. Składowe taktowania dają częstotliwość około 500 kHz (co dla bipolarnego 555 jest wyczynem samym w sobie). Ta wysoka częstotliwość zapewnia okresowe „odświeżanie” kondensatorów na pompie ładującej, dzięki czemu napięcie na wyjściu nie ma zbyt dużych tętnień.

2. Pompa ładująca

To najbardziej onieśmielająca część całego obwodu. Podobnie jak większość innych rzeczy, można to zrozumieć, dzieląc to na jedną jednostkę:

Załóżmy, że pin 3, wyjście timera 555, jest niski podczas uruchamiania. Powoduje to ładowanie kondensatora przez diodę, ponieważ biegun ujemny jest teraz uziemiony. Kiedy wyjście jest wysokie, ujemny pin również idzie wysoko - ale ponieważ na kondensatorze jest już ładunek (który nie może nigdzie iść z powodu diody), napięcie widoczne na dodatnim zacisku kondensatora jest w rzeczywistości dwukrotnie większe niż napięcie wejściowe.

Oto dodatni zacisk kondensatora:

Ostateczny wynik jest taki, że skutecznie dodajesz przesunięcie V _CC do wyjścia timera 555.

Teraz to napięcie bezpośrednio jako wyjście jest bezużyteczne, ponieważ występuje ogromne tętnienie 50%. Aby rozwiązać ten problem, dodajemy detektor szczytowy, jak pokazano na poniższym rysunku:

To jest wyjście powyższego obwodu:

I udało nam się podwoić napięcie wyjściowe!

Wskazówki dotyczące budowy obwodów

Bipolarny 555 jest znany ze skoków zasilania, które generuje na szynie zasilającej, ponieważ wyjściowy stopień przeciwsobny prawie skraca zasilanie podczas przejść. Zatem oddzielenie jest obowiązkowe.

Zrobię szybki objazd, aby powiedzieć ci coś o właściwym odsprzęganiu.

Oto pin V _CC oscylatora bez odsprzęgania:

A oto ten sam pin z odpowiednim odsprzęganiem:

Wyraźnie widać różnicę, jaką robi małe odsprzęganie.

Zalecane są ceramiczne kondensatory SMD o niskiej indukcyjności jako stopień pompy ładującej. Diody Schottky'ego z niskim spadkiem napięcia przewodzenia również poprawiają wydajność.

Używanie CMOS 555 z odpowiednim stopniem wyjściowym (może nawet sterownikiem bramki, takim jak TC4420) może zmniejszyć (ale nie wyeliminować) skoki zasilania.

Odmiany pompy ładującej

Pompy ładujące nie tylko zwiększają napięcie, ale mogą służyć do odwracania polaryzacji napięcia.

Obwód ten działa tak samo, jak podwajacz napięcia - gdy wyjście 555 osiąga stan wysoki, nasadka ładuje się, a gdy wyjście spada, ładunek jest przeciągany przez drugi kondensator w odwrotnym kierunku, tworząc ujemne napięcie na wyjściu.

Gdzie używać pompy ładującej?

Zasilanie dwubiegunowe dla wzmacniaczy operacyjnych w obwodzie, w którym dostępne jest tylko jedno napięcie. Wzmacniacze operacyjne nie pobierają dużo prądu, więc jest to idealne dopasowanie. Fajną rzeczą w tym jest to, że falownik i podwajacz mogą być zasilane z tego samego wyjścia, tworząc, powiedzmy, zasilanie ± 12 V z zasilania 5 V.
Sterowniki bramek - opcja ładowania początkowego jest opcją, ale pompa ładująca może generować wyższe napięcie, powiedzmy, mając napęd bramki 12 V z zasilacza 3,3 V. Bootstrap nie dałby w tym przypadku więcej niż 7V.

Pompy Charge są więc prostymi i wydajnymi urządzeniami służącymi do tworzenia dyskretnych wielokrotności napięcia wejściowego.