Plňte obvod čerpadla

Situace je jednoduchá - máte napájecí napětí nízkého napětí, řekněme 3,3 V, a chcete napájet něco, co potřebuje 5 V. Jedná se o tvrdý hovor, zvláště pokud jsou zapojeny baterie. Jediným zjevným způsobem je převodník přepínacího režimu, konkrétněji převodník zesílení.

To je místo, kde narazíme na překážku - převaděče zesílení jsou při nízkých výkonech neúčinné, protože spousta energie se spotřebuje jen pro udržení regulace na místě a zapnutí vypínače. Přepínače režimu tohoto typu jsou také hlučné - to je problém, pokud máte co do činění s citlivými obvody. Jste v nepohodlné pozici přepracovaného řešení. Lineární regulátory nefungují obráceně, takže je vyloučeno, že jsou nedostatečně vybavené.

Kde tedy nakreslíme hranici mezi přepracovaným a nedostatečně vybaveným?

Odpovědí na tento problém je Charge Pump - což je samo o sobě druh spínaného napájecího zdroje. Jak název napovídá, tento druh převaděče pohybuje diskrétními náboji a komponentou, která tyto diskrétní náboje ukládá, je kondenzátor, takže tento druh převaděče se také nazývá Flying Capacitor Converter.

Nabíjecí čerpadlo vytváří diskrétní násobky vstupního napětí pomocí kondenzátorů.

Jak funguje nabíjecí čerpadlo?

Nejlepší způsob, jak tomu porozumět, je představit si následující situaci.

Kondenzátor nabíjíte pomocí 9V baterie, takže napětí na kondenzátoru je také 9V. Pak si vezmete další kondenzátor a nabijete ho také na 9V. Nyní zapojte dva kondenzátory do série a změřte na nich napětí - 18V.

Toto je základní princip fungování nabíjecího čerpadla - vezměte dva kondenzátory, nabíjejte je jednotlivě a poté je zapojte do série, i když u skutečného nabíjecího čerpadla se přeskupení provádí elektronicky.

Samozřejmě to není omezeno pouze na dva kondenzátory, postupné stupně lze kaskádovat, aby se na výstupu získalo vyšší napětí.

Omezení nabíjecích čerpadel

Než si je postavíme, je dobré se seznámit s omezeními nabíjecích čerpadel.

1. Dostupný výstupní proud - protože nabíjecí čerpadla nejsou nic jiného než kondenzátory, které se nabíjejí a vybíjejí v cyklech, dostupný proud je velmi nízký - existují vzácné případy, kdy vám použití správného čipu může poskytnout 100 mA, ale s nízkou účinností.

2. Čím více stupňů přidáte, neznamená to, že se napěťový výstup tolikrát zvýší - každý stupeň načte výstup předchozího stupně, takže výstup není dokonalým násobkem vstupu. Tento problém se zhoršuje, čím více fází přidáte.

Budování obvodu nabíjecího čerpadla

Zde zobrazený obvod je určen pro jednoduché třístupňové nabíjecí čerpadlo, které používá IC časovač evergreen 555. V jistém smyslu je tento obvod „modulární“ - stupně lze kaskádově zvyšovat pro zvýšení výstupního napětí (s ohledem na omezení číslo dvě).

Požadované komponenty

1. Pro oscilátor 555

• Časovač 555 - bipolární varianta
• 10uF elektrolytický kondenzátor (oddělení)
• 2x 100nF keramický kondenzátor (oddělení)
• 100pF keramický kondenzátor (časování)
• 1K rezistor (časování)
• 10K rezistor (časování)

2. Pro nabíjecí čerpadlo

• 6x diody IN4148 (doporučeno také UF4007)
• 5x 10uF elektrolytické kondenzátory
• 100uF elektrolytický kondenzátor

Je důležité si uvědomit, že všechny kondenzátory použité v nabíjecím čerpadle musí být dimenzovány o několik voltů více, než je očekávané výstupní napětí.

Kruhový diagram

Takto to vypadá na prkénku na prkénku:

Popis obvodu plnicího čerpadla

1. Časovač 555

Zde zobrazený obvod je přímý astabilní oscilátor 555 časovače. Výsledkem časovacích komponent je frekvence kolem 500 kHz (což je pro bipolární 555 výkon sám o sobě). Tato vysoká frekvence zajišťuje, že kondenzátory na nabíjecím čerpadle jsou periodicky „obnovovány“, takže napětí na výstupu nemá příliš velké zvlnění.

2. Nabíjecí čerpadlo

Toto je nejvíce zastrašující část celého okruhu. Stejně jako většina ostatních věcí jej lze pochopit rozdělením na jednu jednotku:

Předpokládejme, že pin 3, výstup časovače 555, je během spouštění nízký. To má za následek nabíjení kondenzátoru diodou, protože záporná svorka je nyní uzemněna. Když je výstup vysoký, záporný kolík jde také vysoko - ale protože na kondenzátoru je již náboj (který nemůže nikam jít kvůli diodě), napětí viděné na kladné svorce kondenzátoru účinně zdvojnásobuje vstupní napětí.

Zde je kladná svorka kondenzátoru:

Konečným výsledkem je, že na výstup časovače 555 efektivně přidáváte posunutí V _CC.

Nyní je toto napětí přímo jako výstup k ničemu, protože je zde obrovské 50% zvlnění. Abychom to vyřešili, přidáme detektor špiček, jak je znázorněno na následujícím obrázku:

Toto je výstup výše uvedeného obvodu:

A úspěšně jsme zdvojnásobili napěťový výstup!

Tipy pro konstrukci obvodů

Bipolární 555 je známý pro napájecí hroty, které generuje na napájecí liště, protože výstupní fáze push-pull téměř zkracuje napájení během přechodů. Takže oddělení je povinné.

Rychle odbočím, abych vám řekl něco o správném oddělení.

Zde je kolík V _CC oscilátoru bez jakéhokoli oddělení:

A tady je stejný pin se správným oddělením:

Jasně vidíte rozdíl, který trochu způsobí oddělení.

Pro fázi nabíjecího čerpadla se doporučují keramické kondenzátory SMD s nízkou indukčností. Výkon zlepšují také Schottkyho diody s nízkým poklesem dopředného napětí.

Použití CMOS 555 se správným výstupním stupněm (možná i ovladač brány jako TC4420) může snížit (ale ne eliminovat) napájecí špičky.

Varianty nabíjecího čerpadla

Plnicí čerpadla nejen zvyšují napětí, ale lze je použít také k obrácení polarity napětí.

Tento obvod funguje stejně jako zdvojovač napětí - když je výstup 555 vysoký, čepice se nabíjí, a když je výstup nízký, je protažen druhým kondenzátorem v opačném směru, což vytváří záporné napětí na výstupu.

Kde mohu použít nabíjecí pumpu?

• Napájení bipolarity pro operační zesilovače v obvodu, kde je k dispozici pouze jedno napětí. Operační zesilovače nespotřebovávají příliš mnoho proudu, takže se dokonale hodí. Pěkné na tom je, že střídač a doubler mohou být napájeny ze stejného výstupu, což vytváří, řekněme, ± 12V napájení ze zdroje 5V.
• Ovladače brány - bootstrapping je možnost, ale nabíjecí čerpadlo má potenciál generovat vyšší napětí, například s pohonem brány 12V ze zdroje 3,3 V. Bootstrapping by vám v tomto případě nedal více než 7V.

Charge pumpy jsou tedy jednoduchá a účinná zařízení používaná k vytváření diskrétních násobků vstupního napětí.