Σε αυτό το άρθρο μαθαίνουμε πώς να φτιάχνουμε μερικά απλά κυκλώματα διπλασιασμού τάσης DC σε DC χρησιμοποιώντας ένα μόνο IC 4049 και IC 555 μαζί με μερικά άλλα παθητικά εξαρτήματα.

Εάν αναρωτιέστε πώς μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένα απλό IC 555 για την κατασκευή ενός ισχυρού κυκλώματος διπλασιασμού τάσης, τότε αυτό το άρθρο θα σας βοηθήσει να κατανοήσετε τις λεπτομέρειες και να κατασκευάσετε το σχεδιασμό στο σπίτι.

Τι είναι ο Διπλασιαστής τάσης

Ένας διπλασιαστής τάσης είναι ένα κύκλωμα που χρησιμοποιεί μόνο διόδους και πυκνωτές για αύξηση της τάσης εισόδου σε έξοδο υψηλότερης τάσης, διπλάσιο του μεγέθους της εισόδου.

Εάν είστε νέοι στην έννοια του διπλασιαστή τάσης και επιθυμείτε να μάθετε την έννοια σε βάθος, έχουμε ένα καλό περίτεχνο άρθρο σε αυτόν τον ιστότοπο που εξηγεί διαφορετικά κυκλώματα πολλαπλασιαστή τάσης για την αναφορά σας.

Η έννοια του πολλαπλασιαστή τάσης ανακαλύφθηκε για πρώτη φορά και χρησιμοποιήθηκε πρακτικά από τους Βρετανούς και Ιρλανδούς φυσικούς John Douglas Cockcroft και Ernest Thomas Sinton Walton, ως εκ τούτου ονομάζεται επίσης Γεννήτρια Cockcroft – Walton (CW).

Ένα καλό παράδειγμα σχεδιασμού πολλαπλασιαστή τάσης μπορεί να μελετηθεί μέσω αυτού του άρθρου που εκμεταλλεύεται την ιδέα για παραγωγή ιονισμένου αέρα για τον καθαρισμό του αέρα στα σπίτια .

Ένα κύκλωμα διπλασιασμού τάσης είναι επίσης μια μορφή πολλαπλασιαστή τάσης όπου το στάδιο διόδου / πυκνωτή περιορίζεται σε μερικά μόνο στάδια, έτσι ώστε η έξοδος να επιτρέπεται να παράγει τάση που μπορεί να είναι διπλάσια από την τάση τροφοδοσίας.

“πώς λειτουργεί ένας φωτοανιχνευτής ”

Δεδομένου ότι όλα τα κυκλώματα πολλαπλασιαστή τάσης απαιτούν υποχρεωτικά μια είσοδο AC ή μια παλμική είσοδο, ένα κύκλωμα ταλαντωτή καθίσταται απαραίτητο για την επίτευξη των αποτελεσμάτων.

Λεπτομέρειες Pinout IC 555

Διάγραμμα κυκλώματος του Διπλασιαστή τάσης χρησιμοποιώντας IC 555

Αναφερόμενος στο παραπάνω παράδειγμα, μπορούμε να δούμε ένα κύκλωμα IC 555 διαμορφωμένο ως ένα αστάθμητο στάδιο πολλαπλών δονητών, το οποίο στην πραγματικότητα είναι μια μορφή ταλαντωτή, και έχει σχεδιαστεί για να παράγει ένα παλλόμενο DC (ON / OFF) στον ακροδέκτη εξόδου του # 3.

Αν θυμάστε, είχαμε συζητήσει ένα κύκλωμα φακού LED σε αυτόν τον ιστότοπο, ο οποίος χρησιμοποιεί το ίδιο κύκλωμα διπλασιασμού τάσης, παρόλο που το τμήμα ταλαντωτή δημιουργείται χρησιμοποιώντας πύλες IC 4049.

Βασικά, μπορείτε να αντικαταστήσετε το στάδιο IC 555 με οποιοδήποτε άλλο κύκλωμα ταλαντωτή και να πάρετε ακόμα το αποτέλεσμα διπλασιασμού τάσης.

Ωστόσο, η χρήση IC 555 έχει ένα μικρό πλεονέκτημα δεδομένου ότι αυτό το IC είναι σε θέση να παράγει περισσότερο ρεύμα από οποιοδήποτε άλλο κύκλωμα ταλαντωτή που βασίζεται σε IC χωρίς να χρησιμοποιεί κανένα στάδιο ενισχυτή εξωτερικού ρεύματος.

Πώς λειτουργεί το Στάδιο Διπλασιαστή Τάσης

Όπως φαίνεται στο παραπάνω διάγραμμα, ο πραγματικός πολλαπλασιασμός τάσης υλοποιείται από το στάδιο D1, D2, C2, C3, τα οποία διαμορφώνονται ως δίκτυο πολλαπλασιαστή τάσης μισής γέφυρας 2 σταδίων.

Η προσομοίωση αυτού του σταδίου ως απόκριση στην κατάσταση του πινέλου # 3 του IC 555 μπορεί να είναι λίγο δύσκολη και εξακολουθώ να αγωνίζομαι να το κάνω σωστά στον εγκέφαλό μου.

Σύμφωνα με την προσομοίωση του μυαλού μου, η λειτουργία του αναφερόμενου σταδίου διπλασιασμού τάσης μπορεί να εξηγηθεί όπως δίνεται στα ακόλουθα σημεία:

Όταν ο ακροδέκτης εξόδου IC # 3 βρίσκεται σε χαμηλή λογική ή επίπεδο γείωσης, το D1 μπορεί να φορτίσει το C2, καθώς μπορεί να προχωρήσει προς τα εμπρός μέσω του C2 και του αρνητικού δυναμικού του pin # 3, ταυτόχρονα το C3 φορτίζεται μέσω D1 και D2 .
Τώρα, την επόμενη στιγμή μόλις ο πείρος # 3 γίνει με υψηλή λογική ή με το θετικό δυναμικό τροφοδοσίας, τα πράγματα γίνονται λίγο μπερδεμένα.
Εδώ το C2 δεν μπορεί να εκφορτιστεί μέσω D1, οπότε έχουμε έξοδο επιπέδου τροφοδοσίας από D1, από C2 και επίσης από το C3.
Πολλοί από τους άλλους διαδικτυακούς τόπους λένε ότι σε αυτό το σημείο η αποθηκευμένη τάση μέσα στο C2, και το θετικό από το D1 υποτίθεται ότι συνδυάζεται με την έξοδο του C3 για την παραγωγή διπλής τάσης, ωστόσο αυτό δεν έχει νόημα.
Διότι, όταν οι τάσεις συνδυάζονται παράλληλα, η καθαρή τάση δεν αυξάνεται. Οι τάσεις πρέπει να συνδυάζονται σε σειρά για να προκαλέσουν το επιθυμητό αποτέλεσμα ενίσχυσης ή διπλασιασμού.
Η μόνη λογική εξήγηση που μπορεί να προκύψει είναι, όταν ο πείρος # 3 γίνει υψηλός, το αρνητικό C2 είναι στο θετικό επίπεδο και το θετικό άκρο του διατηρείται επίσης στο επίπεδο τροφοδοσίας, αναγκάζεται να παράγει έναν παλμό αντίστροφης φόρτισης που προσθέτει το C3 φόρτιση, προκαλώντας μια στιγμιαία πιθανή ακίδα που έχει τάση αιχμής διπλάσια από την στάθμη τροφοδοσίας.

Εάν έχετε μια καλύτερη ή τεχνικά πιο σωστή εξήγηση, μη διστάσετε να το εξηγήσετε μέσω των σχολίων σας.

Πόσο τρέχον;

Ο ακροδέκτης # 3 του IC έχει αντιστοιχιστεί να παρέχει μέγιστο ρεύμα 200mA, επομένως το μέγιστο μέγιστο ρεύμα αναμένεται να είναι σε αυτό το επίπεδο 200mA, ωστόσο οι κορυφές θα γίνουν πιο στενές ανάλογα με τις τιμές C2, C3. Οι πυκνωτές υψηλότερης τιμής ενδέχεται να επιτρέψουν την πληρέστερη μεταφορά ρεύματος σε όλη την έξοδο, επομένως βεβαιωθείτε ότι οι τιμές C2, C3 έχουν επιλεγεί βέλτιστα, περίπου 100uF / 25V θα είναι αρκετά

Πρακτική εφαρμογή

Αν και ένα κύκλωμα διπλασιασμού τάσης μπορεί να είναι χρήσιμο για πολλές εφαρμογές ηλεκτρονικών κυκλωμάτων, μια εφαρμογή που βασίζεται σε χόμπι θα μπορούσε να είναι ο φωτισμός ενός LED υψηλής τάσης από μια πηγή χαμηλής τάσης, όπως φαίνεται παρακάτω:

Κύκλωμα διπλασιασμού τάσης IC 555 με LED

Στο παραπάνω διάγραμμα κυκλώματος μπορούμε να δούμε πώς χρησιμοποιείται το κύκλωμα για το φωτισμό ενός λαμπτήρα LED 9V από μια πηγή τροφοδοσίας 5V, κάτι που κανονικά θα ήταν αδύνατο εάν το 5V εφαρμοζόταν απευθείας στο LED.

Σχέση μεταξύ συχνότητας, PWM και επιπέδου τάσης εξόδου

Η συχνότητα σε οποιοδήποτε κύκλωμα διπλασιασμού τάσης δεν είναι κρίσιμη, ωστόσο η ταχύτερη συχνότητα θα σας βοηθήσει να έχετε καλύτερα αποτελέσματα από τις χαμηλότερες συχνότητες.

Ομοίως για το εύρος PWM, ο κύκλος λειτουργίας θα πρέπει να είναι περίπου 50%, οι στενότεροι παλμοί θα προκαλέσουν χαμηλότερο ρεύμα στην έξοδο , ενώ οι πολύ μεγάλοι παλμοί δεν θα επιτρέψουν στους αντίστοιχους πυκνωτές να εκφορτιστούν βέλτιστα, με αποτέλεσμα και πάλι μια μη αποτελεσματική ισχύ εξόδου.

Στο ασυμβίβαστο κύκλωμα IC 555 που συζητήθηκε, το R1 μπορεί να είναι οπουδήποτε μεταξύ 10K και 100K, αυτή η αντίσταση μαζί με το C1 αποφασίζει τη συχνότητα. Κατά συνέπεια, το C1 μπορεί να είναι οπουδήποτε μεταξύ 50nF έως 0,5uF.

Το R2 θα σας επιτρέψει ουσιαστικά να ελέγξετε το PWM, επομένως αυτό μπορεί να μετατραπεί σε μεταβλητή αντίσταση μέσω δοχείου 100K.

Χρησιμοποιώντας IC 4049 NOT πύλες

Το ακόλουθο κύκλωμα βασισμένο σε CMOS IC μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον διπλασιασμό οποιασδήποτε τάσης πηγής DC (έως 15 V DC). Ο σχεδιασμός που παρουσιάζεται θα διπλασιάσει οποιαδήποτε τάση μεταξύ 4 και 15 V DC και θα μπορεί να λειτουργεί φορτία σε ρεύμα όχι περισσότερο από 30 mA.

Όπως φαίνεται στο διάγραμμα, αυτό το κύκλωμα διπλασιασμού τάσης DC χρησιμοποιεί ένα μόνο IC 4049 για την επίτευξη του προτεινόμενου αποτελέσματος.

IC 4049 Pinouts

Λειτουργία κυκλώματος

Το IC 4049 έχει συνολικά έξι πύλες που είναι όλα αποτελεσματικά για τη δημιουργία των συζητήσεων διπλασιασμού τάσης. Δύο από τις πύλες από τις έξι έχουν διαμορφωθεί ως ταλαντωτής.

Το άκρο αριστερά του διαγράμματος δείχνει το τμήμα ταλαντωτή.

Η αντίσταση 100 K και ο πυκνωτής 0,01 αποτελούν τα βασικά εξαρτήματα καθορισμού συχνότητας.
Απαιτείται επιτακτικά μια συχνότητα εάν πρέπει να εφαρμοστούν ενέργειες ενίσχυσης τάσης, επομένως και εδώ απαιτείται η συμμετοχή ενός ταλαντωτή.

Αυτές οι ταλαντώσεις καθίστανται χρήσιμες για την εκκίνηση της φόρτισης και την εκφόρτιση ενός συνόλου πυκνωτών στην έξοδο που ισοδυναμεί με τον πολλαπλασιασμό της τάσης στο σύνολο των πυκνωτών κατά τέτοιο τρόπο ώστε το αποτέλεσμα να είναι διπλάσιο της εφαρμοζόμενης τάσης τροφοδοσίας.

Ωστόσο, η τάση από τον ταλαντωτή δεν μπορεί κατά προτίμηση να εφαρμοστεί απευθείας στους πυκνωτές, αλλά γίνεται μέσω μιας ομάδας πυλών του IC που είναι διατεταγμένες παράλληλα.

Αυτές οι παράλληλες πύλες παράγουν μαζί ένα καλό ρυθμιστικό στην εφαρμοζόμενη συχνότητα από τις πύλες της γεννήτριας έτσι ώστε η προκύπτουσα συχνότητα να είναι ισχυρότερη σε σχέση με το ρεύμα και να μην παρασύρεται με σχετικά υψηλότερα φορτία στις εξόδους.

Ωστόσο, έχοντας υπόψη τις προδιαγραφές ενός CMOS IC, η ικανότητα χειρισμού του ρεύματος εξόδου δεν μπορεί να αναμένεται να είναι μεγαλύτερη από 40 mA.

Υψηλότερα φορτία από αυτό θα έχουν ως αποτέλεσμα την επιδείνωση του επιπέδου τάσης προς το επίπεδο τροφοδοσίας.

Οι τιμές του πυκνωτή εξόδου μπορούν να αυξηθούν στα 100uF για να λάβουν αρκετά υψηλότερα επίπεδα απόδοσης από το κύκλωμα.

Με 12 βολτ ως είσοδο τροφοδοσίας στο IC, μια έξοδος περίπου 22 βολτ μπορεί να ληφθεί από αυτό το κύκλωμα διπλασιασμού τάσης με βάση το IC 4049.