In dit artikel leren we hoe we een paar eenvoudige DC-DC-spanningsverdubbelingsschakelingen kunnen maken met behulp van een enkele IC 4049 en IC 555, samen met een paar andere passieve componenten.

Als je je afvraagt hoe een eenvoudige IC 555 kan worden gebruikt om een krachtig spanningsverdubbelingscircuit te maken, dan zal dit artikel je helpen de details te begrijpen en het ontwerp thuis te construeren.

Wat is een spanningsverdubbelaar

Een spanningsverdubbelaar is een circuit dat alleen diodes en condensatoren gebruikt om een ingangsspanning te verhogen naar een hogere uitgangsspanning, tweemaal de grootte van de ingang.

Als het concept van de spanningsverdubbelaar nieuw voor u is en u het concept diepgaand wilt leren kennen, hebben we een goed uitgebreid artikel op deze website waarin verschillende spanningsvermenigvuldiger circuits voor uw referentie.

Het concept van de spanningsvermenigvuldiger werd voor het eerst ontdekt en praktisch gebruikt door de Britse en Ierse natuurkundigen John Douglas Cockcroft en Ernest Thomas Sinton Walton, daarom wordt het ook wel de Cockcroft-Walton (CW) generator.

Een goed voorbeeld van een ontwerp van een spanningsvermenigvuldiger kan worden bestudeerd in dit artikel waarin het concept wordt geëxploiteerd het genereren van geïoniseerde lucht voor het zuiveren van lucht in woningen

Een spanningsverdubbelingsschakeling is ook een vorm van een spanningsvermenigvuldiger waarbij de diode / condensatortrap beperkt is tot slechts een paar trappen, zodat de uitgang een spanning kan produceren die twee keer zo groot kan zijn als de voedingsspanning.

“membraanpomp voordelen en nadelen: ”

Aangezien alle spanningsvermenigvuldigingscircuits verplicht een wisselstroomingang of een pulserende ingang vereisen, wordt een oscillatorcircuit essentieel voor het bereiken van de resultaten.

IC 555 Pinout-gegevens

IC 555 pinout-details, aarde, Vcc, reset, drempelwaarde, ontlading, stuurspanning

Schakelschema van spanningsverdubbelaar met behulp van IC 555

Verwijzend naar het bovenstaande voorbeeld, kunnen we een IC 555-circuit zien dat is geconfigureerd als een astabiele multivibratortrap, die eigenlijk een vorm van oscillator is, en is ontworpen om een pulserende gelijkstroom (AAN / UIT) te produceren aan de uitgangspen # 3.

Als je je herinnert, hadden we het besproken een LED-zaklampcircuit op deze website, die vrij identiek een spanningsverdubbelaarcircuit gebruikt, hoewel het oscillatorgedeelte is gemaakt met behulp van een IC 4049-poorten.

In principe kunt u de IC 555-trap vervangen door een ander oscillatorcircuit en toch het spanningsverdubbelingseffect krijgen.

Het gebruik van IC 555 heeft echter een klein voordeel, aangezien dit IC in staat is meer stroom te genereren dan enig ander op IC gebaseerd oscillatorcircuit zonder gebruik te maken van een externe stroomversterkertrap.

Hoe de spanningsverdubbelingstrap werkt

Zoals te zien is in het bovenstaande diagram, wordt de werkelijke spanningsvermenigvuldiging geïmplementeerd door de D1, D2, C2, C3-trap, die is geconfigureerd als een halfbrug 2-traps spanningsvermenigvuldigingsnetwerk.

Het simuleren van deze fase als reactie op de pin # 3-situatie van de IC 555 kan een beetje moeilijk zijn, en ik heb nog steeds moeite om het correct in mijn hoofd te krijgen.

Volgens mijn hersensimulatie kan de werking van de genoemde spanningsverdubbeltrap worden uitgelegd zoals gegeven in de volgende punten:

Wanneer de IC-uitgang pin # 3 zich in zijn lage logische of grondniveau bevindt, kan D1 C2 opladen, omdat het in staat is om voorgespannen te worden via C2 en pin # 3's negatieve potentiaal, en tegelijkertijd wordt C3 opgeladen via D1 en D2 .
Nu, in het volgende moment, zodra pin # 3 een hoge logica of een positief toevoerpotentieel krijgt, worden de dingen enigszins verwarrend.
Hier kan C2 niet ontladen via D1, dus we hebben een voedingsniveau-uitgang van D1, van C2 en ook van C3.
Veel van de andere online sites zeggen dat op dit punt de opgeslagen spanning in C2 en het positieve van D1 moeten worden gecombineerd met de output van C3 om een verdubbelde spanning te produceren, maar dat is niet logisch.
Omdat, wanneer spanningen parallel worden gecombineerd, de netspanning niet toeneemt. De spanningen moeten in serie worden gecombineerd om het gewenste boost- of verdubbelingseffect te veroorzaken.
De enige logische verklaring die kan worden afgeleid is dat wanneer pin # 3 hoog wordt, C2's negatief op het positieve niveau is en het positieve uiteinde ook op het voedingsniveau wordt gehouden, het wordt gedwongen om een omgekeerde laadpuls te produceren die optelt met de C3 lading, waardoor een onmiddellijke potentiële piek ontstaat met een piekspanning die tweemaal zo hoog is als die van het voedingsniveau.

Als u een betere of technisch correctere uitleg heeft, aarzel dan niet om deze uit te leggen via uw opmerkingen.

Hoeveel stroom?

Pin # 3 van de IC is toegewezen om een maximum van 200mA-stroom te leveren, daarom kan worden verwacht dat de maximale piekstroom op dit 200mA-niveau ligt, maar de pieken zullen smaller worden afhankelijk van de C2, C3-waarden. Condensatoren met een hogere waarde kunnen een vollere stroomoverdracht over de uitgang mogelijk maken, zorg er daarom voor dat de C2- en C3-waarden optimaal zijn geselecteerd, ongeveer 100uF / 25V is net voldoende

Een praktische toepassing

Hoewel een spanningsverdubbelaarcircuit nuttig kan zijn voor veel elektronische circuittoepassingen, zou een hobby-gebaseerde toepassing kunnen zijn om een hoogspannings-LED te verlichten vanaf een laagspanningsbron, zoals hieronder getoond:

Spanningsverdubbelingsschakeling IC 555 met LED

In het bovenstaande schakelschema kunnen we zien hoe het circuit wordt gebruikt voor het verlichten van een 9V LED-lamp vanuit een 5V voedingsbron, wat normaal gesproken onmogelijk zou zijn als de 5V rechtstreeks op de LED zou worden toegepast.

Relatie tussen frequentie, PWM en het spanningsuitgangsniveau

De frequentie in een circuit voor spanningsverdubbeling is niet cruciaal, maar een snellere frequentie zal u helpen om betere resultaten te krijgen dan langzamere frequenties.

Evenzo voor het PWM-bereik, moet de inschakelduur ongeveer 50% zijn, smallere pulsen zullen lagere veroorzaken stroom aan de uitgang , terwijl te brede pulsen het niet mogelijk maken dat de relevante condensatoren optimaal ontladen, wat wederom resulteert in een ineffectief uitgangsvermogen.

In het besproken stabiele circuit van IC 555 kan de R1 ergens tussen 10K en 100K liggen, deze weerstand bepaalt samen met de C1 de frequentie. C1 kan dus ergens tussen 50nF en 0,5uF liggen.

R2 zal je fundamenteel in staat stellen om de PWM te besturen, daarom kan deze worden omgezet in een variabele weerstand via een 100K pot.

Met behulp van IC 4049 NIET-poorten

Het volgende op CMOS IC gebaseerde circuit kan worden gebruikt voor het verdubbelen van elke DC-bronspanning (tot 15 V DC). Het gepresenteerde ontwerp verdubbelt elke spanning tussen 4 en 15 V DC en kan belastingen bedienen met een stroomsterkte van niet meer dan 30 mA.

Zoals te zien is in het diagram, gebruikt deze gelijkspanningsverdubbelingsschakeling slechts een enkele IC 4049 om het voorgestelde resultaat te bereiken.

IC 4049-pinouts

Circuit werking

De IC 4049 heeft in totaal zes poorten die allemaal effectief zijn voor het genereren van de besproken spanningsverdubbelingsacties. Twee van de zes van de zes poorten zijn geconfigureerd als een oscillator.

Helemaal links in het diagram is het oscillatorgedeelte te zien.

De 100 K-weerstand en de 0,01 condensator vormen de basisfrequentiebepalende componenten.
Een frequentie is absoluut vereist als een spanningsstapactie moet worden geïmplementeerd, daarom wordt ook hier de betrokkenheid van een oscillator noodzakelijk.

Deze oscillaties worden nuttig voor het initialiseren van het laden en ontladen van een stel condensatoren aan de uitgang, hetgeen neerkomt op het vermenigvuldigen van de spanning over het stel condensatoren op een zodanige manier dat het resultaat wordt tweemaal de aangelegde voedingsspanning.

De spanning van de oscillator kan echter bij voorkeur niet rechtstreeks op de condensatoren worden aangelegd, maar gebeurt via een groep poorten van de IC die parallel zijn opgesteld.

Deze parallelle poorten zorgen samen voor een goede buffering naar de toegepaste frequentie van de generatorpoorten zodat de resulterende frequentie sterker is ten opzichte van stroom en niet hapert bij relatief hogere belastingen aan de uitgangen.

Maar toch met de specificaties van een CMOS IC in gedachten, kan niet worden verwacht dat de verwerkingscapaciteit van de uitgangsstroom groter is dan 40 mA.

Hogere belastingen zullen resulteren in een verslechtering van het spanningsniveau naar het voedingsniveau.

De uitgangscondensatorwaarden kunnen worden verhoogd tot 100uF om redelijk hogere efficiëntieniveaus uit het circuit te halen.

Met 12 volt als voedingsingang naar het IC, kan een uitgangssignaal van ongeveer 22 volt worden verkregen van dit op IC 4049 gebaseerde spanningsverdubbelingscircuit.