Obwód pompy z ładunkiem dodatnim i ujemnym

W poprzednim artykule pokazałem, jak można zbudować własny obwód konwertera napięcia z przełączanymi kondensatorami przy użyciu klasycznego, standardowego układu scalonego LMC7660. Ale często zdarzają się sytuacje, w których nie masz dostępnego określonego układu scalonego lub koszt dodatkowego układu scalonego psuje harmonię zestawienia komponentów. I tu z pomocą przychodzi nasz ukochany układ scalony z timerem 555. Dlatego, aby zmniejszyć ból związany ze znalezieniem konkretnego chipa do określonej aplikacji, a także obniżyć koszt BOM; zamierzamy użyć naszych ukochanych timerów 555 do zbudowania, zademonstrowania i przetestowania obwodu pompy z ładunkiem dodatnim i ujemnym z układem scalonym 555 timera.

Co to jest obwód pompy ładującej?

Pompa ładująca to rodzaj obwodu, który składa się z diod i kondensatorów przez skonfigurowanie diod i kondensatorów w określonej konfiguracji, aby uzyskać napięcie wyjściowe wyższe niż napięcie wejściowe lub niższe niż napięcie wejściowe. Niższe mam na myśli napięcie ujemne względem ziemi. Ponadto, jak każdy obwód, ten obwód ma pewne zalety i wady, które omówimy w dalszej części artykułu.

Aby wiedzieć, jak działa obwód, musimy najpierw przyjrzeć się schematowi obu, wzmacniacza pompy ładującej i obwodu falownika pompy ładującej.

Obwód wspomagania pompy ładującej

Aby lepiej zrozumieć obwód, załóżmy, że używamy idealnych diod i kondensatorów do budowy obwodu pokazanego na rysunku 1. Zakładamy również, że obwód osiągnął stan ustalony, a kondensatory są w pełni naładowane. Ponadto nie mamy obciążenia podłączonego do tego obwodu, mając na uwadze te warunki, zasada działania została opisana poniżej.

Przy pomocy rysunków 1 i 2 wyjaśnimy, jak działa obwód pompy ładującej.

Teraz załóżmy, że podłączyliśmy sygnał PWM z generatora sygnału i sygnał oscyluje w zakresie 0-5V.

Gdy wejściowy sygnał PWM w lokalizacji-0 jest w stanie 0 V, napięcie w lokalizacji-1 wynosi + 5 V lub VCC. Dlatego właśnie kondensator został naładowany do + 5V lub VCC. A w następnym cyklu, gdy sygnał PWM zmieni się z 0 V na 5 V, napięcie w lokalizacji 1 wynosi teraz + 10 V. Jeśli przyjrzysz się rysunkom 1 i 2, możesz zaobserwować, dlaczego napięcie się podwoiło.

Podwoił się, ponieważ odniesienie na zacisku kondensatora zostało przesiane i ponieważ prąd nie może płynąć w odwrotnym kierunku przez diodę z powodu działania diody, więc w miejscu 1 otrzymujemy przesuniętą falę prostokątną, która jest powyżej napięcia polaryzacji lub napięcia wejściowego. Teraz możesz zrozumieć efekt na rysunku 2, lokalizacja 1 przebiegu.

Następnie sygnał jest podawany do klasycznego obwodu prostownika z pojedynczą diodą, aby wygładzić przebieg prostokątny i uzyskać napięcie + 10 V DC na wyjściu.

W następnym etapie w lokalizacji 2 napięcie wynosi + 10 V, możesz sprawdzić, czy na rysunku 1. Teraz w następnym cyklu, to samo zjawisko dzieje się ponownie, kończymy z wyjściem + 15 V w lokalizacji 4 po ostatecznym prostowaniu dioda i kondensatory.

Tak działa obwód doładowania pompy ładującej .

Następnie zobaczymy, jak działa falownik pompy ładującej lub pompa ujemnego ładunku.

Falownik pompy ładującej

Pompa ładująca napięcie ujemne jest trochę trudna do wyjaśnienia, ale proszę, zostań ze mną, a wyjaśnię, jak to działa.

W pierwszym cyklu w miejscu-0 na rysunku-3 sygnał wejściowy ma wartość 0 V i nic się nie dzieje, ale jak tylko sygnał PWM osiągnie 5 V w miejscu-0, kondensatory zaczną ładować się przez diodę D1 i wkrótce mieć 5 V w lokalizacji-1. A teraz mamy diodę, która jest w stanie przewodzenia, więc napięcie prawie natychmiast osiągnie 0V w miejscu-1. Teraz, gdy wejściowy sygnał PWM ponownie spadnie do niskiego poziomu, napięcie w lokalizacji-1 wynosi 0V. W tym momencie sygnał PWM odejmie wartość i otrzymamy -5V w lokalizacji 1.

A teraz klasyczny prostownik z pojedynczą diodą wykona swoją pracę i przekształci sygnał pulsacyjny w płynny sygnał DC i zapisze napięcie na kondensatorze C2.

W kolejnym etapie obwodu, który jest lokalizacja-3 i lokalizacja-4, to samo zjawisko będzie zachodziło jednocześnie i na wyjściu obwodu uzyskamy stałe -10V DC.

I tak właśnie działa obwód pompy z ładunkiem ujemnym.

Uwaga! Proszę zauważyć, że nie wspomniałem w tym miejscu o lokalizacji 2, ponieważ jak widać z obwodu w lokalizacji 2, napięcie wyniesie -5V.

Wymagane składniki

Układ scalony timera NE555 - 2
Układ scalony regulatora napięcia LM7805 - 1
Kondensator 0,1 uF - 4
Kondensator 0,01 uF - 2
Kondensator 4,7uF - 8
1N5819 Dioda Schottky'ego - 8
Rezystor 680 omów - 2
Rezystor 330 omów - 2
Zasilanie 12V DC - 1
Ogólny pojedynczy drut pomiarowy - 18
Ogólny Breadboard - 1

Schemat

Obwód wspomagania pompy ładującej:

Obwód falownika pompy ładującej:

W celu demonstracji obwód jest zbudowany na płytce stykowej bez lutowania za pomocą schematu. Wszystkie komponenty są umieszczone jak najbliżej i jak najbardziej uporządkowane, aby zmniejszyć niepożądane szumy i tętnienia.

Obliczenia

Częstotliwość PWM i cykl pracy układu scalonego 555 timera muszą zostać obliczone, więc poszedłem dalej i obliczyłem częstotliwość i cykl pracy timerów 555 za pomocą tego narzędzia 555 Timer Astable Circuit Calculator.

W praktycznym obwodzie użyłem dość wysokiej częstotliwości 10 kHz, aby zmniejszyć tętnienie w obwodzie. Poniżej przedstawiono obliczenia

Konfiguracja testu dla obwodu pompy ładowania dodatniego i ujemnego

Aby przetestować obwód, używane są następujące narzędzia i konfiguracja,

Zasilacz impulsowy 12 V (SMPS)
Meco 108B + multimetr
Meco 450B + multimetr
Oscyloskop komputerowy Hantech 600BE USB

Do budowy obwodu zastosowano rezystory z metalowej folii 1% i nie uwzględniono tolerancji kondensatorów. W czasie badania temperatura pokojowa wynosiła 30 stopni Celsjusza.

Tutaj napięcie wejściowe wynosi 5 V, podłączyłem zasilacz 12 V do regulatora napięcia 5 V 7805. Tak więc cały system jest zasilany napięciem + 5 V DC.

Powyższy obraz pokazuje, że częstotliwość układu scalonego timera 555 wynosi 8 kHz, jest to spowodowane współczynnikami tolerancji rezystorów i kondensatorów.

Na podstawie dwóch powyższych zdjęć można obliczyć cykl pracy obwodu, który okazał się 63%. Zmierzyłem to wcześniej, więc nie zamierzam tego ponownie obliczać.

Następnie na powyższym obrazku widać, że napięcie wyjściowe spadło całkiem sporo zarówno dla podwajacza napięcia, jak i obwodu falownika napięcia, ponieważ podłączyłem obciążenie 9,1K.

Przepływ prądu przez rezystor 9,1 K można łatwo obliczyć na podstawie prawa omowego, co okazało się wynosić 1,21 mA dla obwodu podwajacza napięcia i obwodu falownika, okazało się, że wynosi 0,64 mA.

Teraz dla zabawy zobaczmy, co się stanie, jeśli podłączymy rezystor 1K jako obciążenie. I możesz zobaczyć obwód podwajacza napięcia, w którym nie jest w stanie wykorzystać do zasilania czegokolwiek.

A tętnienie na terminalu wyjściowym jest fenomenalne. i na pewno zrujnuje ci dzień, jeśli spróbujesz zasilić cokolwiek za pomocą tego rodzaju zasilacza.

Dla wyjaśnienia, oto kilka zbliżeń toru.

Dalsze ulepszenia

Obwód można dalej modyfikować, aby spełniał określone wymagania dla określonej aplikacji.
Aby uzyskać lepsze wyniki, obwód można wbudować w płytkę perf-board lub PCB.
Można dodać potencjometr, aby jeszcze bardziej poprawić częstotliwość wyjściową obwodów 555
Tętnienie można zmniejszyć, stosując kondensator o wyższej wartości lub po prostu używając sygnału PWM o wyższej częstotliwości.
Do wyjścia obwodu można dodać LDO, aby uzyskać stosunkowo stałe napięcie wyjściowe.

Aplikacje

Ten obwód może być używany do wielu różnych zastosowań, takich jak:

Możesz sterować wzmacniaczem operacyjnym za pomocą tego obwodu
Za pomocą tego obwodu można również sterować wyświetlaczem LCD.
Z pomocą obwodu falownika napięcia z zasilaniem z podwójną polaryzacją.
Możesz również sterować obwodami przedwzmacniacza, które wymagają zasilania + 12V, aby uzyskać stan pracy.

Mam nadzieję, że spodobał Ci się ten artykuł i nauczyłeś się z niego czegoś nowego. Jeśli masz jakiekolwiek wątpliwości, możesz zapytać w komentarzach poniżej lub skorzystać z naszych forów w celu szczegółowej dyskusji.