V tomto článku se naučíme, jak vytvořit několik jednoduchých obvodů zdvojovače stejnosměrného napětí pomocí jednoho IC 4049 a IC 555 spolu s několika dalšími pasivními součástmi.

Pokud vás zajímá, jak lze jednoduchý IC 555 použít k výrobě výkonného obvodu zdvojovače napětí, pak vám tento článek pomůže porozumět podrobnostem a navrhnout design doma.

Co je to Zdvojovač napětí

Zdvojovač napětí je obvod, který používá pouze diody a kondenzátory ke zvýšení vstupního napětí na výstup s vyšším napětím, což je dvojnásobek velikosti vstupu.

Pokud jste v koncepci zdvojovačů napětí nováčkem a toužíte se koncept podrobně naučit, máme na tomto webu dobře propracovaný článek vysvětlující různé napěťové multiplikátory pro vaši informaci.

Koncept multiplikátoru napětí byl poprvé objeven a používán prakticky britskými a irskými fyziky Johnem Douglasem Cockcroftem a Ernestem Thomasem Sintonem Waltonem, proto se mu také říká Generátor Cockcroft – Walton (CW).

Dobrým příkladem návrhu multiplikátoru napětí lze studovat prostřednictvím tohoto článku, který využívá koncept pro generování ionizovaného vzduchu pro čištění vzduchu v domácnostech .

Obvod zdvojovače napětí je také formou multiplikátoru napětí, kde je diodový / kondenzátorový stupeň omezen pouze na několik stupňů, takže výstup může produkovat napětí, které může být dvojnásobkem napájecího napětí.

“schematický diagram napájení ”

Protože všechny obvody multiplikátoru napětí povinně vyžadují vstup střídavého proudu nebo pulzující vstup, stane se pro dosažení výsledků nezbytným obvod oscilátoru.

Detaily IC 555 Pinout

Podrobnosti pinoutu IC 555, uzemnění, Vcc, reset, prahová hodnota, vybití, řídicí napětí

Schéma zapojení zdvojovače napětí pomocí IC 555

S odkazem na výše uvedený příklad vidíme obvod IC 555 nakonfigurovaný jako astabilní multivibrátorový stupeň, který je ve skutečnosti formou oscilátoru a je navržen tak, aby na svém výstupním pinu č. 3 vytvářel pulzující stejnosměrný proud (ON / OFF).

Pokud si vzpomínáte, diskutovali jsme obvod LED hořáku na tomto webu, který zcela shodně používá obvod zdvojovače napětí, i když je sekce oscilátoru vytvořena pomocí hradel IC 4049.

V podstatě můžete vyměnit stupeň IC 555 za jakýkoli jiný obvod oscilátoru a stále získat efekt zdvojnásobení napětí.

Použití IC 555 má však mírnou výhodu, protože tento IC je schopen generovat více proudu než jakýkoli jiný obvod oscilátoru založený na IC bez použití externího stupně zesilovače proudu.

Jak funguje fáze zdvojovače napětí

Jak je vidět na výše uvedeném diagramu, skutečné násobení napětí je implementováno ve stupních D1, D2, C2, C3, které jsou konfigurovány jako poloviční můstek pro dvoustupňový napěťový multiplikátor.

Simulace této fáze v reakci na situaci IC 555 s kolíkem č. 3 může být trochu obtížná a já se stále snažím, aby mi správně fungoval v mozku.

Podle mé simulace mysli lze práci uvedeného stupně zdvojovače napětí vysvětlit tak, jak je uvedeno v následujících bodech:

Když je výstupní pin IC č. 3 ve své nízké logické nebo pozemní úrovni, je D1 schopen nabíjet C2, protože je schopen se dostat dopředu předpjatý přes C2 a záporný potenciál pin # 3, také současně C3 je nabíjen přes D1 a D2 .
Nyní, v příštím okamžiku, jakmile se pin # 3 stane vysokou logikou nebo pozitivním potenciálem nabídky, věci budou trochu matoucí.
Zde C2 není schopen vybití přes D1, takže máme výstup na úrovni dodávky z D1, z C2 a také z C3.
Mnoho dalších online stránek říká, že v tomto okamžiku se má uložené napětí uvnitř C2 a kladné z D1 kombinovat s výstupem C3 a vytvářet zdvojené napětí, ale to nedává smysl.
Protože když se napětí kombinuje paralelně, síťové napětí se nezvyšuje. Napětí se musí kombinovat do série, aby způsobily požadovaný zesilovací nebo zdvojnásobující účinek.
Jediným logickým vysvětlením, které lze odvodit, je, že když je pin # 3 vysoký, zápor C2 je na kladné úrovni a jeho kladný konec je také držen na úrovni napájení, je nucen produkovat pulz zpětného náboje, který se sčítá s C3 náboj, což způsobí okamžitý potenciální hrot, který má špičkové napětí dvakrát vyšší než úroveň napájení.

Pokud máte lepší nebo technicky správnější vysvětlení, neváhejte to vysvětlit prostřednictvím svých komentářů.

Kolik aktuální?

Pin # 3 IC je přiřazen k dodávání maximálně proudu 200 mA, proto lze očekávat, že maximální špičkový proud bude na této úrovni 200 mA, ale vrcholy se zužují v závislosti na hodnotách C2, C3. Kondenzátory s vyšší hodnotou mohou umožnit plnější přenos proudu napříč výstupem, proto se ujistěte, že hodnoty C2, C3 jsou vybrány optimálně, kolem 100uF / 25V bude stačit

Praktická aplikace

Ačkoli obvod zdvojovače napětí může být užitečný pro mnoho aplikací elektronických obvodů, aplikací založenou na hobby může být osvětlení vysokonapěťové LED ze zdroje nízkého napětí, jak je znázorněno níže:

Ve výše uvedeném schématu zapojení vidíme, jak se obvod používá k osvětlení 9V LED žárovky ze zdroje 5V, což by za normálních okolností nebylo možné, pokud by 5V bylo přímo aplikováno na LED.

Vztah mezi frekvencí, PWM a úrovní výstupního napětí

Frekvence v jakémkoli obvodu zdvojovače napětí není rozhodující, avšak rychlejší frekvence vám pomůže dosáhnout lepších výsledků než pomalejší frekvence.

Podobně pro rozsah PWM by pracovní cyklus měl být zhruba 50%, užší pulsy způsobí nižší proud na výstupu zatímco příliš široké impulsy nedovolí příslušným kondenzátorům optimálně se vybít, což opět vede k neúčinnému výstupnímu výkonu.

V diskutovaném astabilním obvodu IC 555 může být R1 kdekoli mezi 10K a 100K, tento odpor spolu s C1 rozhoduje o frekvenci. C1 tedy může být kdekoli mezi 50nF až 0,5uF.

R2 vám zásadně umožní ovládat PWM, proto je možné z něj udělat 100% proměnný rezistor.

Použití brány IC 4049 NOT

Následující obvod založený na IC CMOS lze použít ke zdvojnásobení jakéhokoli stejnosměrného zdroje napětí (až 15 V DC). Předložený design zdvojnásobí jakékoli napětí mezi 4 až 15 V DC a bude schopen provozovat zátěže při proudu ne větším než 30 mA.

Jak je patrné z diagramu, tento obvod zdvojovače stejnosměrného napětí využívá k dosažení navrhovaného výsledku pouze jeden IC 4049.

IC 4049 Pinouts

Specifikace pinoutového diagramu IC 4049

Obvodový provoz

IC 4049 má celkem šest bran, které všechny účinně generují diskutované akce zdvojnásobení napětí. Dvě brány ze šesti jsou konfigurovány jako oscilátor.

Vlevo vlevo na schématu je zobrazena sekce oscilátoru.

100 K rezistor a kondenzátor 0,01 tvoří základní komponenty určující frekvenci.
Frekvence je nezbytně nutná, pokud je třeba provést akce krokového napětí, proto i zde je nutné zapojení oscilátoru.

Tyto oscilace jsou užitečné pro inicializaci nabíjení a vybíjení sady kondenzátorů na výstupu, což se rovná znásobení napětí v sadě kondenzátorů takovým způsobem, že se výsledek stane dvojnásobkem použitého napájecího napětí.

Napětí z oscilátoru však nelze výhodně aplikovat přímo na kondenzátory, spíše se to děje prostřednictvím skupiny hradel IC uspořádaných paralelně.

Tato paralelní hradla společně vytvářejí dobrou vyrovnávací paměť aplikované frekvence z hradel generátoru, takže výsledná frekvence je silnější vzhledem k proudu a neklesá při relativně vyšších zátěžích na výstupech.

Nelze však očekávat, že kapacita pro manipulaci s výstupním proudem bude větší než 40 mA.

Vyšší zatížení než toto povede ke zhoršení úrovně napětí směrem k úrovni napájení.

Hodnoty výstupního kondenzátoru lze zvýšit na 100 uF pro získání rozumně vyšších úrovní účinnosti z obvodu.

S 12 volty jako napájecím vstupem do IC lze získat výstup kolem 22 voltů z tohoto obvodu zdvojovače napětí založeného na IC 4049.