2 einfache Spannungsverdopplerschaltungen besprochen

In diesem Artikel erfahren Sie, wie Sie mit einem einzelnen IC 4049 und IC 555 zusammen mit einigen anderen passiven Komponenten einige einfache DC / DC-Spannungsverdopplerschaltungen herstellen.

Wenn Sie sich fragen, wie ein einfacher IC 555 zur Herstellung einer leistungsstarken Spannungsverdopplerschaltung verwendet werden kann, hilft Ihnen dieser Artikel, die Details zu verstehen und das Design zu Hause zu konstruieren.

Was ist ein Spannungsverdoppler?

Ein Spannungsverdoppler ist eine Schaltung, die nur Dioden und Kondensatoren verwendet, um eine Eingangsspannung in einen Ausgang mit höherer Spannung zu erhöhen, der doppelt so groß ist wie der Eingang.

Wenn Sie mit dem Spannungsverdoppler-Konzept noch nicht vertraut sind und das Konzept genauer kennenlernen möchten, finden Sie auf dieser Website einen ausführlichen Artikel, in dem verschiedene Aspekte erläutert werden Spannungsvervielfacherschaltungen als Referenz.

Das Spannungsvervielfacherkonzept wurde zuerst von den britischen und irischen Physikern John Douglas Cockcroft und Ernest Thomas Sinton Walton entdeckt und praktisch verwendet, daher wird es auch als bezeichnet Cockcroft-Walton (CW) Generator.

Ein gutes Beispiel für ein Spannungsvervielfacher-Design kann in diesem Artikel untersucht werden, der das Konzept für nutzt Erzeugung ionisierter Luft zur Reinigung von Luft in Haushalten .

Eine Spannungsverdopplerschaltung ist auch eine Form eines Spannungsvervielfachers, bei dem die Dioden- / Kondensatorstufe nur auf einige Stufen beschränkt ist, so dass der Ausgang eine Spannung erzeugen kann, die doppelt so hoch sein kann wie die Versorgungsspannung.

Da alle Spannungsvervielfacherschaltungen zwingend einen Wechselstromeingang oder einen pulsierenden Eingang benötigen, wird eine Oszillatorschaltung wesentlich, um die Ergebnisse zu erzielen.

Pinbelegung der IC 555

Schaltplan des Spannungsverdopplers mit IC 555

Unter Bezugnahme auf das obige Beispiel können wir eine IC 555-Schaltung sehen, die als eine astabile Multivibratorstufe konfiguriert ist, die tatsächlich eine Form von Oszillator ist und so ausgelegt ist, dass sie an ihrem Ausgangspin # 3 einen pulsierenden Gleichstrom (EIN / AUS) erzeugt.

Wenn Sie sich erinnern, hatten wir diskutiert eine LED-Brennerkreise auf dieser Website, die ganz identisch eine Spannungsverdopplerschaltung verwendet, obwohl der Oszillatorabschnitt unter Verwendung eines IC 4049-Gatters erstellt wird.

Grundsätzlich können Sie die IC 555-Stufe durch eine andere Oszillatorschaltung ersetzen und trotzdem den Spannungsverdopplungseffekt erzielen.

Die Verwendung des IC 555 hat jedoch einen leichten Vorteil, da dieser IC mehr Strom erzeugen kann als jede andere IC-basierte Oszillatorschaltung, ohne eine externe Stromverstärkerstufe zu verwenden.

Funktionsweise der Spannungsverdopplerstufe

Wie im obigen Diagramm zu sehen ist, wird die tatsächliche Spannungsvervielfachung durch die Stufe D1, D2, C2, C3 implementiert, die als 2-Stufen-Spannungsvervielfachernetzwerk mit Halbbrücke konfiguriert sind.

Die Simulation dieser Phase als Reaktion auf die Pin-3-Situation des IC 555 kann etwas schwierig sein, und ich habe immer noch Probleme, sie in meinem Gehirn richtig zum Laufen zu bringen.

Nach meiner Gedankensimulation kann die Funktionsweise der genannten Spannungsverdopplerstufe anhand der folgenden Punkte erklärt werden:

1. Wenn sich der IC-Ausgangspin # 3 in seinem niedrigen Logik- oder Massepegel befindet, kann D1 C2 aufladen, da er durch das negative Potential von C2 und Pin # 3 vorwärts vorgespannt werden kann, und gleichzeitig wird C3 über D1 und D2 geladen .
2. Jetzt, im nächsten Moment, sobald Pin 3 eine hohe Logik oder ein positives Versorgungspotential erreicht, werden die Dinge etwas verwirrend.
3. Hier kann C2 nicht über D1 entladen werden, daher haben wir einen Versorgungspegelausgang von D1, von C2 und auch von C3.
4. Viele der anderen Online-Sites sagen, dass zu diesem Zeitpunkt die gespeicherte Spannung in C2 und das Positiv von D1 mit dem Ausgang von C3 kombiniert werden sollen, um eine doppelte Spannung zu erzeugen. Dies ist jedoch nicht sinnvoll.
5. Denn wenn sich Spannungen parallel verbinden, steigt die Nettospannung nicht an. Die Spannungen müssen in Reihe geschaltet werden, um die gewünschte Verstärkung oder den Verdopplungseffekt zu erzielen.
6. Die einzige logische Erklärung, die abgeleitet werden kann, ist, dass wenn Pin # 3 hoch wird, das negative von C2 auf dem positiven Pegel liegt und sein positives Ende ebenfalls auf dem Versorgungsebene gehalten wird, er gezwungen ist, einen Rückladungsimpuls zu erzeugen, der sich mit dem C3 addiert Laden, wodurch eine sofortige Potentialspitze mit einer Spitzenspannung verursacht wird, die doppelt so hoch ist wie die des Versorgungspegels.

Wenn Sie eine bessere oder technisch korrektere Erklärung haben, können Sie diese gerne durch Ihre Kommentare erklären.

Wie viel Strom?

Pin Nr. 3 des IC ist so ausgelegt, dass er einen maximalen Strom von 200 mA liefert. Daher kann erwartet werden, dass der maximale Spitzenstrom auf diesem 200-mA-Niveau liegt. Die Spitzen werden jedoch in Abhängigkeit von den C2- und C3-Werten enger. Kondensatoren mit höherem Wert ermöglichen möglicherweise eine umfassendere Stromübertragung über den Ausgang. Stellen Sie daher sicher, dass die C2- und C3-Werte optimal ausgewählt sind. Etwa 100 uF / 25 V reichen gerade aus

Eine praktische Anwendung

Obwohl eine Spannungsverdopplerschaltung für viele elektronische Schaltungsanwendungen nützlich sein kann, könnte eine hobbybasierte Anwendung darin bestehen, eine Hochspannungs-LED von einer Niederspannungsquelle zu beleuchten, wie unten gezeigt:

Im obigen Schaltplan können wir sehen, wie die Schaltung zum Beleuchten einer 9-V-LED-Lampe von einer 5-V-Versorgungsquelle verwendet wird, was normalerweise unmöglich wäre, wenn die 5 V direkt an die LED angelegt würden.

Beziehung zwischen Frequenz, PWM und Spannungsausgangspegel

Die Frequenz in einer Spannungsverdopplerschaltung ist nicht entscheidend. Eine schnellere Frequenz hilft Ihnen jedoch dabei, bessere Ergebnisse als langsamere Frequenzen zu erzielen.

In ähnlicher Weise sollte für den PWM-Bereich das Tastverhältnis ungefähr 50% betragen, engere Impulse verursachen niedrigere Werte Strom am Ausgang Während zu breite Impulse nicht dazu führen, dass sich die relevanten Kondensatoren optimal entladen, was wiederum zu einer ineffektiven Ausgangsleistung führt.

In der diskutierten stabilen IC 555-Schaltung kann der R1 irgendwo zwischen 10 K und 100 K liegen, dieser Widerstand bestimmt zusammen mit dem C1 die Frequenz. C1 kann folglich irgendwo zwischen 50 nF und 0,5 uF liegen.

Mit R2 können Sie die PWM grundsätzlich steuern. Daher kann dies über einen 100K-Poti in einen variablen Widerstand umgewandelt werden.

Verwenden von IC 4049 NOT-Gates

Die folgende CMOS-IC-basierte Schaltung kann zum Verdoppeln einer beliebigen DC-Quellenspannung (bis zu 15 V DC) verwendet werden. Das vorgestellte Design verdoppelt jede Spannung zwischen 4 und 15 V DC und kann Lasten mit einem Strom von nicht mehr als 30 mA betreiben.

Wie in dem Diagramm zu sehen ist, verwendet diese Gleichspannungsverdopplerschaltung nur einen einzigen IC 4049, um das vorgeschlagene Ergebnis zu erzielen.

Pinbelegung IC 4049

Schaltungsbetrieb

Der IC 4049 hat insgesamt sechs Gates, die alle effektiv zur Erzeugung der diskutierten Spannungsverdopplungsaktionen dienen. Zwei der sechs Gates sind als Oszillator konfiguriert.

Die äußerste linke Seite des Diagramms zeigt den Oszillatorabschnitt.

Der 100-K-Widerstand und der 0,01-Kondensator bilden die grundlegenden frequenzbestimmenden Komponenten.
Eine Frequenz ist zwingend erforderlich, wenn Spannungsstufenaktionen implementiert werden müssen, daher wird auch hier die Einbeziehung eines Oszillators erforderlich.

Diese Schwingungen werden nützlich, um das Laden und Entladen eines Satzes von Kondensatoren am Ausgang zu initialisieren, was der Multiplikation der Spannung über den Satz von Kondensatoren entspricht, so dass das Ergebnis doppelt so hoch ist wie die angelegte Versorgungsspannung.

Die Spannung vom Oszillator kann jedoch nicht vorzugsweise direkt an die Kondensatoren angelegt werden, sondern erfolgt über eine Gruppe von Gates des IC, die parallel angeordnet sind.

Diese parallelen Gates erzeugen zusammen eine gute Pufferung der angelegten Frequenz von den Generator-Gates auf die angelegte Frequenz, so dass die resultierende Frequenz in Bezug auf den Strom stärker ist und bei relativ höheren Lasten an den Ausgängen nicht ins Stocken gerät.

Unter Berücksichtigung der Spezifikationen eines CMOS-IC ist jedoch nicht zu erwarten, dass die Ausgangsstrom-Handhabungskapazität größer als 40 mA ist.

Höhere Lasten als diese führen zu einer Verschlechterung des Spannungspegels in Richtung des Versorgungspegels.

Die Ausgangskondensatorwerte können auf 100 uF erhöht werden, um einen angemessen höheren Wirkungsgrad von der Schaltung zu erhalten.

Mit 12 Volt als Versorgungseingang zum IC kann ein Ausgang von ungefähr 22 Volt von dieser auf IC 4049 basierenden Spannungsverdopplerschaltung erfasst werden.

Liste der Einzelteile

• R1 = 68K,
• C1 = 680 pF,
• C2, C3 = 100 uF / 25 V,
• D1, D2 = 1N4148,
• N1, N2, N3, N4 = IC 4049,
• Weiße LEDs = 3 Nr.