Krug pumpe za punjenje

Situacija je jednostavna - imate niskonaponsku opskrbnu tračnicu, recimo 3,3 V, a želite napajati nešto što treba 5 V. Ovo je težak poziv, pogotovo ako su u pitanju baterije. Jedini očit način je konvertor načina rada s prekidačem, točnije pretvarač pojačanja.

Tu smo postigli prepreku - pretvarači pojačanja su neučinkoviti pri malim snagama, jer se puno energije troši samo za održavanje regulacije na mjestu i za pogon prekidača za napajanje. Također, pretvarači načina rada s prekidačem bučni su - to je problem ako imate posla s osjetljivim sklopovima. U neugodnom ste položaju preinženjeriranog rješenja. Linearni regulatori ne rade unatrag, pa je to isključeno kao nedovoljno projektirano.

Pa gdje da povučemo granicu između preinženjeriranog i premalo inženjerskog?

Odgovor na ovaj problem je pumpa za punjenje - koja je sama po sebi vrsta napajanja u preklopnom načinu. Kao što i samo ime govori, ova vrsta pretvarača pokreće diskretne naboje, a komponenta koja pohranjuje te diskretne naboje je kondenzator, pa se takva vrsta pretvarača naziva i leteći pretvarač kondenzatora.

Pumpa za punjenje stvara diskretne višekratnike ulaznog napona pomoću kondenzatora.

Kako funkcionira pumpa za punjenje?

Najbolji način da to shvatite je zamisliti sljedeću situaciju.

Kondenzator punite pomoću 9V baterije, tako da je napon na kondenzatoru također 9V. Zatim uzmete još jedan kondenzator i napunite ga do 9V. Sada spojite dva kondenzatora u seriju i izmjerite napon na njima - 18V.

Ovo je osnovni princip rada pumpe za punjenje - uzmite dva kondenzatora, napunite ih pojedinačno i zatim ih stavite u seriju, iako se u stvarnoj pumpi za punjenje preslagivanje vrši elektroničkim putem.

Naravno, ovo nije ograničeno na samo dva kondenzatora, uzastopni stupnjevi mogu se kaskadno postići kako bi se dobili veći naponi na izlazu.

Ograničenja pumpi za punjenje

Prije nego što ga napravimo, dobra je ideja upoznati se s ograničenjima pumpi za punjenje.

1. Dostupna izlazna struja - budući da su pumpe za punjenje samo kondenzatori koji se pune i prazne u ciklusima, dostupna struja je vrlo mala - rijetki su slučajevi kada vam upotreba pravog čipa može dovesti do 100 mA, ali s malom učinkovitošću.

2. Što više stupnjeva dodate, ne znači da se izlazni napon povećava toliko puta - svaki stupanj učitava izlaz prethodnog stupnja, tako da izlaz nije savršeni višekratnik ulaza. Ovaj se problem pogoršava što više faza dodate.

Izgradnja kruga pumpe za punjenje

Ovdje je prikazan krug za jednostavnu trostupanjsku pumpu za punjenje koja koristi zimzelenu IC 555 timera. U određenom smislu, ovaj je krug "modularan" - stupnjevi se mogu kaskadno povećavati za izlazni napon (imajući na umu ograničenje broj dva).

Komponente potrebne

1. Za oscilator 555

• 555 timer - bipolarna varijanta
• 10uF elektrolitski kondenzator (odvajanje)
• 2x 100nF keramički kondenzator (razdvajanje)
• 100pF keramički kondenzator (mjerenje vremena)
• 1K otpornik (mjerenje vremena)
• 10K otpornik (mjerenje vremena)

2. Za pumpu za punjenje

• 6x IN4148 diode (preporučuje se i UF4007)
• 5x 10uF elektrolitskih kondenzatora
• Elektrolitski kondenzator od 100uF

Važno je napomenuti da svi kondenzatori koji se koriste u pumpi za punjenje moraju biti nominirani za nekoliko volti više od očekivanog izlaznog napona.

Kružni dijagram

Evo kako to izgleda na ploči:

Opis kruga pumpe za punjenje

1. Tajmer 555

Ovdje je prikazan krug izravni oscilator s 555 mjeračem vremena. Vremenske komponente rezultiraju frekvencijom od oko 500 kHz (što je za bipolarne 555 podvig sam po sebi). Ova visoka frekvencija osigurava da se kondenzatori na pumpi za punjenje povremeno 'osvježavaju', tako da napon na izlazu nema previše mreškanja.

2. Pumpa za punjenje

Ovo je najstrašniji dio cijelog kruga. Kao i većinu drugih stvari, to se može razumjeti raščlanjivanjem na jednu jedinicu:

Pretpostavimo da je pin 3, izlaz 555 timera, nizak tijekom pokretanja. To rezultira punjenjem kondenzatora kroz diodu, jer je negativni priključak sada uzemljen. Kada je izlaz visok, negativni pin ide također visoko - ali budući da na kondenzatoru već postoji naboj (koji zbog diode ne može nikamo ići), napon na pozitivnom priključku kondenzatora efektivno je dvostruko veći od ulaznog napona.

Evo pozitivnog priključka kondenzatora:

Konačni rezultat je taj što učinkovito dodajete pomak V _CC na izlaz 555 timera.

Sada je ovaj napon izravno kao izlaz beskoristan, jer postoji masovno 50% mreškanje. Da bismo to riješili, dodajemo detektor vrha kao što je prikazano na donjoj slici:

Ovo je izlaz gornjeg kruga:

I uspješno smo udvostručili izlazni napon!

Savjeti za izgradnju krugova

Bipolarni 555 poznat je po opskrbnim skokovima koje generira na opskrbnoj tračnici, budući da izlazni stupanj push-pull gotovo prekida opskrbu tijekom prijelaza. Dakle, razdvajanje je obavezno.

Krenut ću brzim zaobilaznim putem da bih vam rekao nešto o pravilnom razdvajanju.

Evo V _CC oscilatora bez ikakvog odvajanja:

I evo istog klina s pravilnim odvajanjem:

Jasno se vidi razlika koju čini malo razdvajanja.

Za stupanj pumpe za punjenje preporučuju se keramički SMD kondenzatori niske induktivnosti. Schottky diode s malim padom napona prema naprijed također poboljšavaju performanse.

Korištenje CMOS 555 s odgovarajućim izlaznim stupnjem (možda čak i upravljački program vrata poput TC4420) može smanjiti (ali ne i eliminirati) skokove napajanja.

Varijacije pumpe za punjenje

Pumpe za punjenje ne samo da povećavaju napon, već se mogu koristiti za invertiranje polariteta napona.

Ovaj krug djeluje na isti način kao i udvostručivač napona - kada se izlaz 555 poveća, poklopac se napuni, a kad se izlaz smanji, napon se provuče kroz drugi kondenzator u obrnutom smjeru, stvarajući negativni napon na izlazu.

Gdje mogu koristiti pumpu za punjenje?

• Opskrba bipolarnošću za op-pojačala u krugu u kojem je dostupan samo jedan napon. Op-pojačala ne troše puno struje, tako da ovo savršeno pristaje. Lijepa stvar u vezi s tim je što se pretvarač i udvostručivač mogu pokretati iz istog izlaza, stvarajući, recimo, opskrbu od ± 12 V iz napajanja od 5 V.
• Pogonski uređaji za vrata - opcija za pokretanje sustava je punjenje, ali pumpa za punjenje može generirati viši napon, recimo, ako ima 12-voltni pogon od 3.3V napajanja. Bootstrapping vam u ovom slučaju ne bi dao više od 7V.

Tako su pumpe za punjenje jednostavni i učinkoviti uređaji koji se koriste za stvaranje diskretnih višekratnika ulaznog napona.