Ladepumpekrets

Situasjonen er enkel - du har en lavspenningsforsyningsskinne, si 3,3V, og du vil drive noe som trenger 5V. Dette er en tøff samtale, spesielt hvis batterier er involvert. Den eneste tilsynelatende måten er en switch mode converter, nærmere bestemt en boost converter.

Det er her vi treffer en veisperring - boost-omformere er ineffektive ved lav effekt, siden mye energi brukes bare for å holde reguleringen på punktet og kjøre strømbryteren. Omformere av denne modusen er også bråkete - dette er et problem hvis du har å gjøre med sensitive kretsløp. Du er i den ubehagelige posisjonen til en overkonstruert løsning. Lineære regulatorer fungerer ikke i revers, så det er utelukket som underkonstruert.

Så hvor trekker vi grensen mellom overkonstruert og underkonstruert?

Svaret på dette problemet er ladepumpen - som i seg selv er en slags brytermodus strømforsyning. Som navnet antyder, flytter denne typen omformer diskrete ladninger rundt, og komponenten som lagrer disse diskrete ladningene er kondensatoren, så denne typen omformer kalles også Flying Capacitor Converter.

En ladepumpe lager diskrete multipler av inngangsspenningen ved hjelp av kondensatorer.

Hvordan fungerer en ladepumpe?

Den beste måten å forstå dette på er å forestille seg følgende situasjon.

Du lader en kondensator ved hjelp av et 9V batteri, så spenningen over kondensatoren er også 9V. Så tar du en annen kondensator og lader den opp til 9V også. Koble nå de to kondensatorene i serie, og måle spenningen over dem - 18V.

Dette er det grunnleggende prinsippet for drift av ladepumpen - ta to kondensatorer, lad dem hver for seg og sett dem deretter i serie, men i en ekte ladepumpe gjøres omorganiseringen elektronisk.

Selvfølgelig er dette ikke begrenset til bare to kondensatorer, etterfølgende trinn kan kaskades for å oppnå høyere spenninger på utgangen.

Begrensninger for ladepumper

Før vi bygger en, er det lurt å bli kjent med begrensningene for ladepumper.

1. Tilgjengelig utgangsstrøm - siden ladepumper ikke er annet enn kondensatorer som blir ladet og utladet i sykluser, er den tilgjengelige strømmen veldig lav - det er sjeldne tilfeller at bruk av riktig brikke kan gi deg 100 mA, men med lav effektivitet.

2. Jo flere trinn du legger til betyr ikke at spenningsutgangen øker så mange ganger - hvert trinn laster utgangen fra forrige trinn, så utgangen er ikke et perfekt multiplum av inngangen. Dette problemet blir verre jo flere trinn du legger til.

Bygg en ladepumpekrets

Kretsen vist her er for en enkel tretrinns ladepumpe som bruker den eviggrønne 555 timer IC. På en måte er denne kretsen 'modulær' - trinn kan kaskades for å øke utgangsspenningen (med begrensning nummer to i tankene).

Komponenter kreves

1. For 555-oscillatoren

• 555 timer - bipolar variant
• 10uF elektrolytkondensator (frakopling)
• 2x 100nF keramisk kondensator (frakobling)
• 100pF keramisk kondensator (timing)
• 1K motstand (timing)
• 10K motstand (timing)

2. For ladepumpen

• 6x IN4148-dioder (UF4007 anbefales også)
• 5x 10uF elektrolytkondensatorer
• 100uF elektrolytkondensator

En viktig ting å merke seg er at alle kondensatorene som brukes i ladepumpen, må være rangert for noen volt mer enn forventet utgangsspenning.

Kretsdiagram

Slik ser det ut på brødbrettet:

Ladepumpekretsbeskrivelse

1. 555-tidtakeren

Kretsen som er vist her er en rettferdig 555 tidtakbar oscillator. Timingkomponentene resulterer i en frekvens på rundt 500 kHz (som for en bipolar 555 er en bragd i seg selv). Denne høye frekvensen sørger for at kondensatorene på ladepumpen "oppdateres" med jevne mellomrom, slik at spenningen på utgangen ikke har for mye rippel.

2. Ladepumpen

Dette er den mest skremmende delen av hele kretsen. Som de fleste andre ting kan det forstås ved å bryte det ned til en enkelt enhet:

La oss anta at pin 3, utgangen fra 555-timeren, er lav under oppstart. Dette resulterer i at kondensatoren lades gjennom dioden siden den negative terminalen nå er jordet. Når utgangen blir høy, blir den negative pinnen også høy - men siden det allerede er en ladning på kondensatoren (som ikke kan gå noe sted på grunn av dioden), er spenningen som sees på den positive terminalen på kondensatoren, effektivt dobbelt inngangsspenningen..

Her er kondensatorens positive terminal:

Det endelige resultatet er at du effektivt legger til en forskyvning av V _CC til utgangen til 555-timeren.

Nå er denne spenningen direkte som utgang ubrukelig, siden det er en massiv 50% krusning. For å løse dette legger vi til en toppdetektor som vist i figuren nedenfor:

Dette er utgangen fra kretsen ovenfor:

Og vi har doblet spenningseffekten!

Tips om kretskonstruksjon

Den bipolare 555 er kjent for tilførselspiggene den genererer på tilførselsskinnen, siden utgangs-push-pull-trinnet nesten kortere forsyningen under overganger. Så frakobling er obligatorisk.

Jeg tar en rask avstikker for å fortelle deg noe om riktig frakobling.

Her er V _CC- pinnen på oscillatoren uten frakobling:

Og her er den samme pinnen med riktig frakobling:

Du kan tydelig se forskjellen på litt frakobling.

SMD-kondensatorer med lav induktans anbefales for ladepumpetrinnet. Schottky-dioder med lavt spenningsfall fremover forbedrer også ytelsen.

Å bruke en CMOS 555 med et riktig utgangstrinn (kanskje til og med en portdriver som TC4420) kan redusere (men ikke eliminere) forsyningspiggene.

Ladepumpevariasjoner

Ladepumper øker ikke bare spenningen, de kan brukes til å invertere spenningens polaritet.

Denne kretsen fungerer på samme måte som spenningsdobler - når 555-utgangen går høyt, lades hetten, og når utgangen blir lav, blir den trukket gjennom den andre kondensatoren i motsatt retning, og skaper en negativ spenning på utgangen.

Hvor bruker jeg en ladepumpe?

• Bipolaritetsforsyning for op-ampere i en krets der bare en enkelt spenning er tilgjengelig. Op-forsterkere bruker ikke mye strøm, så dette passer perfekt. Det fine med dette er at en inverter og en dobler kan drives fra samme utgang, og skaper, si, ± 12V forsyning fra en 5V forsyning.
• Portdrivere - bootstrapping er et alternativ, men en ladepumpe har potensial til å generere høyere spenning, for eksempel å ha en 12V gate-stasjon fra en 3,3V forsyning. Bootstrapping ville ikke gi deg mer enn 7V i dette tilfellet.

Så ladepumper er enkle og effektive enheter som brukes til å lage diskrete multipler av inngangsspenningen.