Mengisi sirkuit pompa

Situasinya sederhana - Anda memiliki rel suplai tegangan rendah, katakanlah 3,3V, dan Anda ingin memberi daya pada sesuatu yang membutuhkan 5V. Ini panggilan yang sulit, terutama jika melibatkan baterai. Satu-satunya cara yang jelas adalah pengubah mode sakelar, lebih khusus lagi pengubah penguat.

Di sinilah kami menemui hambatan - konverter penguat tidak efisien pada daya rendah, karena banyak energi yang dikonsumsi hanya untuk menjaga regulasi pada titik dan menggerakkan sakelar daya. Juga, konverter mode sakelar jenis ini berisik - ini menjadi masalah jika Anda berurusan dengan sirkuit sensitif. Anda berada dalam posisi tidak nyaman karena solusi yang direkayasa secara berlebihan. Regulator linier tidak bekerja secara terbalik, sehingga dikesampingkan sebagai under-engineered.

Jadi, di mana kita menarik garis antara over-engineered dan under-engineered?

Jawaban untuk masalah ini adalah Pompa Pengisian - yang dengan sendirinya merupakan jenis catu daya mode sakelar. Seperti namanya, konverter jenis ini menggerakkan muatan diskrit dan komponen yang menyimpan muatan diskrit ini adalah kapasitor, jadi konverter jenis ini juga disebut Konverter Kapasitor Terbang.

Pompa pengisian daya menciptakan kelipatan diskrit dari tegangan input menggunakan kapasitor.

Bagaimana cara kerja Charge Pump?

Cara terbaik untuk memahami ini adalah dengan membayangkan situasi berikut.

Anda mengisi daya kapasitor menggunakan baterai 9V, jadi tegangan kapasitor juga 9V. Kemudian Anda mengambil kapasitor lain dan mengisinya hingga 9V juga. Sekarang sambungkan kedua kapasitor secara seri, dan ukur tegangan di atasnya - 18V.

Ini adalah prinsip dasar pengoperasian pompa pengisian daya - ambil dua kapasitor, isi daya satu per satu, lalu pasang seri, meskipun dalam pompa muatan nyata pengaturan ulang dilakukan secara elektronik.

Tentu saja ini tidak terbatas hanya pada dua kapasitor, tahap-tahap yang berurutan dapat dialirkan untuk mendapatkan tegangan yang lebih tinggi pada keluaran.

Batasan Charge Pumps

Sebelum kita membangunnya, ada baiknya untuk mengetahui batasan pompa pengisian.

1. Arus keluaran yang tersedia - karena pompa pengisian tidak lain adalah kapasitor yang diisi dan dikosongkan dalam siklus, arus yang tersedia sangat rendah - ada kasus yang jarang terjadi di mana menggunakan chip yang tepat dapat menghasilkan 100mA, tetapi dengan efisiensi rendah.

2. Semakin banyak tahapan yang Anda tambahkan tidak berarti bahwa tegangan keluaran meningkat berkali - kali lipat - setiap tahap memuat keluaran dari tahap sebelumnya, sehingga keluaran bukan kelipatan sempurna dari masukan. Masalah ini semakin parah jika semakin banyak tahapan yang Anda tambahkan.

Membangun Sirkuit Pompa Pengisian

Sirkuit yang ditunjukkan di sini adalah untuk pompa pengisian daya tiga tahap sederhana yang menggunakan IC timer 555 evergreen. Dalam arti tertentu, rangkaian ini adalah 'modular' - tahapan dapat diturunkan untuk meningkatkan tegangan output (dengan batasan nomor dua).

Komponen Diperlukan

1. Untuk Osilator 555

555 timer - varian bipolar
Kapasitor elektrolitik 10uF (decoupling)
Kapasitor keramik 2x 100nF (decoupling)
Kapasitor keramik 100pF (timing)
Resistor 1K (waktu)
Resistor 10K (waktu)

2. Untuk Charge Pump

6x IN4148 dioda (UF4007 juga disarankan)
Kapasitor elektrolitik 5x 10uF
Kapasitor elektrolitik 100uF

Satu hal penting yang perlu diperhatikan adalah bahwa semua kapasitor yang digunakan dalam pompa pengisian daya harus diberi nilai beberapa volt lebih dari tegangan keluaran yang diharapkan.

Diagram Sirkuit

Ini adalah tampilannya di papan tempat memotong roti:

Deskripsi Sirkuit Pompa Pengisian

1. Timer 555

Rangkaian yang ditunjukkan di sini adalah osilator astabil timer 555 langsung. Komponen pengaturan waktu menghasilkan frekuensi sekitar 500kHz (yang untuk bipolar 555 adalah prestasi tersendiri). Frekuensi tinggi ini memastikan kapasitor pada pompa pengisian 'disegarkan' secara berkala sehingga tegangan pada keluaran tidak memiliki riak yang terlalu besar.

2. Pompa Pengisian

Ini adalah bagian paling menakutkan dari keseluruhan sirkuit. Seperti kebanyakan hal lainnya, ini dapat dipahami dengan memecahnya menjadi satu unit:

Anggaplah pin 3, output timer 555, rendah selama startup. Hal ini mengakibatkan pengisian kapasitor melalui dioda karena terminal negatif sekarang diarde. Ketika output menjadi tinggi, pin negatif juga menjadi tinggi - tetapi karena sudah ada muatan pada kapasitor (yang tidak dapat kemana-mana karena dioda) tegangan yang terlihat pada terminal positif kapasitor secara efektif menggandakan tegangan input.

Berikut terminal positif dari kapasitor:

Hasil akhirnya adalah Anda secara efektif menambahkan offset V _CC ke output timer 555.

Sekarang tegangan ini secara langsung sebagai output tidak berguna, karena ada riak 50% yang sangat besar. Untuk mengatasi ini, kami menambahkan detektor puncak seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah ini:

Ini adalah keluaran dari rangkaian di atas:

Dan kami telah berhasil menggandakan output tegangan!

Tips Konstruksi Sirkuit

Bipolar 555 dikenal dengan paku suplai yang dihasilkannya pada rel suplai, karena tahap tarik-tarik keluaran hampir mempersingkat suplai selama transisi. Jadi decoupling itu wajib.

Saya akan mengambil jalan memutar cepat untuk memberi tahu Anda sesuatu tentang pemisahan yang tepat.

Berikut adalah pin V _CC osilator tanpa decoupling:

Dan inilah pin yang sama dengan decoupling yang tepat:

Anda dapat melihat dengan jelas sedikit perbedaan dari sedikit merek decoupling.

Kapasitor SMD keramik induktansi rendah direkomendasikan untuk tahap pompa pengisian daya. Dioda Schottky dengan penurunan tegangan maju rendah juga meningkatkan kinerja.

Menggunakan CMOS 555 dengan tingkat keluaran yang tepat (bahkan mungkin driver gerbang seperti TC4420) dapat mengurangi (tetapi tidak menghilangkan) lonjakan pasokan.

Variasi Pompa Pengisian

Pompa pengisi daya tidak hanya meningkatkan tegangan, tetapi juga dapat digunakan untuk membalikkan polaritas tegangan.

Rangkaian ini bekerja dengan cara yang sama seperti pengganda tegangan - ketika output 555 naik, tutupnya terisi, dan ketika output turun, muatan akan ditarik melalui kapasitor kedua ke arah sebaliknya, menciptakan tegangan negatif pada output.

Di mana saya menggunakan Charge Pump?

Suplai bipolaritas untuk op-amp di sirkuit yang hanya menyediakan satu voltase. Op-amp tidak mengonsumsi banyak arus, jadi ini sangat cocok. Hal yang menyenangkan tentang ini adalah bahwa inverter dan pengganda dapat digerakkan dari output yang sama, menciptakan, katakanlah, ± 12V supply dari supply 5V.
Driver gerbang - bootstrap adalah opsi tetapi pompa pengisian daya memiliki potensi untuk menghasilkan tegangan yang lebih tinggi, katakanlah, memiliki penggerak gerbang 12V dari suplai 3.3V. Bootstrap tidak akan memberi Anda lebih dari 7V dalam kasus ini.

Jadi pompa Charge adalah perangkat sederhana dan efisien yang digunakan untuk membuat kelipatan tegangan input.