Заредете веригата на помпата

Ситуацията е проста - имате релса за захранване с ниско напрежение, да речем 3.3V, и искате да захранвате нещо, което се нуждае от 5V. Това е труден разговор, особено ако са включени батерии. Единственият очевиден начин е преобразувател на режим на превключване, по-точно преобразувател на усилване.

Това е мястото, където ударихме препятствие - преобразувателите на усилване са неефективни при ниска мощност, тъй като се изразходва много енергия само за поддържане на регулирането и задвижване на превключвателя на захранването. Освен това преобразувателите на режими на превключване от този тип са шумни - това е проблем, ако имате работа с чувствителни вериги. Вие сте в неудобната позиция на свръхпроектирано решение. Линейните регулатори не работят обратно, така че това е изключено като недостатъчно проектирано.

И така, къде да прокараме границата между свръх инженерство и недостатъчно инженерство?

Отговорът на този проблем е Charge Pump - която сама по себе си е вид захранване в режим на превключване. Както подсказва името, този вид преобразувател движи дискретни заряди наоколо, а компонентът, който съхранява тези дискретни заряди, е кондензаторът, така че този вид преобразувател се нарича още конвертор на летящ кондензатор.

Зареждащата помпа създава дискретни кратни на входното напрежение с помощта на кондензатори.

Как работи помпата за зареждане?

Най-добрият начин да разберете това е да си представите следната ситуация.

Зареждате кондензатор с помощта на 9V батерия, така че напрежението на кондензатора също е 9V. След това вземете друг кондензатор и го заредете до 9V. Сега свържете двата кондензатора последователно и измерете напрежението върху тях - 18V.

Това е основният принцип на работа на зарядната помпа - вземете два кондензатора, заредете ги поотделно и след това ги поставете последователно, макар че в истинска зарядна помпа пренареждането се извършва по електронен път.

Разбира се, това не се ограничава само до два кондензатора, последователни етапи могат да бъдат каскадни, за да се получат по-високи напрежения на изхода.

Ограничения на зареждащите помпи

Преди да изградим такава, е добра идея да се запознаем с ограниченията на помпите за зареждане.

1. Наличен изходен ток - тъй като зарядните помпи не са нищо друго освен кондензатори, които се зареждат и разреждат на цикли, наличният ток е много нисък - има редки случаи, когато използването на правилния чип може да ви осигури 100 mA, но с ниска ефективност.

2. Колкото повече етапи добавяте, не означава, че изходното напрежение се увеличава толкова много пъти - всеки етап зарежда изхода от предишния етап, така че изходът не е перфектен кратен на входа. Този проблем се влошава, колкото повече етапи добавите.

Изграждане на верига за зареждаща помпа

Показаната тук схема е за обикновена тристепенна зарядна помпа, която използва вечнозелената 555 IC таймер. В известен смисъл тази схема е „модулна“ - етапите могат да бъдат каскадни, за да се увеличи изходното напрежение (като се има предвид ограничение номер две).

Необходими компоненти

1. За осцилатора 555

555 таймер - биполярен вариант
10uF електролитен кондензатор (отделяне)
2x керамичен кондензатор 100nF (отделяне)
Керамичен кондензатор 100pF (синхронизация)
1K резистор (синхронизация)
10K резистор (синхронизация)

2. За помпата за зареждане

6x IN4148 диоди (UF4007 също се препоръчва)
5x 10uF електролитни кондензатори
100uF електролитен кондензатор

Важно е да се отбележи, че всички кондензатори, използвани в зарядната помпа, трябва да са с номинал с няколко волта повече от очакваното изходно напрежение.

Електрическа схема

Ето как изглежда на макет:

Описание на веригата на помпата за зареждане

1. Таймерът 555

Показаната тук схема е ясен стабилен осцилатор с 555 таймера. Часовите компоненти водят до честота около 500kHz (което за биполярни 555 е подвиг сам по себе си). Тази висока честота гарантира, че кондензаторите на зареждащата помпа се „обновяват“ периодично, така че напрежението на изхода да няма прекалено много пулсации.

2. Помпата за зареждане

Това е най-плашещата част от цялата верига. Подобно на повечето други неща, това може да се разбере, като се раздели на една единица:

Да приемем, че щифт 3, изходът на 555 таймера, е нисък по време на стартиране. Това води до зареждане на кондензатора през диода, тъй като отрицателният терминал вече е заземен. Когато изходът стане висок, отрицателният щифт също се повишава - но тъй като кондензаторът вече има заряд (който не може да отиде никъде поради диода), напрежението, наблюдавано на положителния извод на кондензатора, е ефективно двойно по-голямо от входното.

Ето положителния извод на кондензатора:

Крайният резултат е, че ефективно добавяте изместване на V _CC към изхода на таймера 555.

Сега това напрежение директно като изход е безполезно, тъй като има масивна 50% пулсация. За да разрешим това, добавяме пиков детектор, както е показано на фигурата по-долу:

Това е изходът на горната схема:

И успешно удвоихме изходното напрежение!

Съвети за изграждане на вериги

Биполярният 555 е известен с пиковете на захранването, които генерира на захранващата шина, тъй като изходният стъпален етап почти прекъсва захранването по време на преходи. Така че отделянето е задължително.

Ще направя кратък обход, за да ви кажа нещо за правилното отделяне.

Ето V _CC щифта на осцилатора без никакво отделяне:

И ето един и същ щифт с правилно отделяне:

Можете ясно да видите разликата, която прави малко отделяне.

За степента на зарядната помпа се препоръчват керамични SMD кондензатори с ниска индуктивност. Диодите на Шотки с нисък спад на напрежението напред също подобряват производителността.

Използването на CMOS 555 с подходящ изходен етап (може би дори драйвер за порта като TC4420) може да намали (но не и да премахне) пиковете на захранването.

Вариации на помпата за зареждане

Зареждащите помпи не само увеличават напрежението, те могат да се използват за обръщане на полярността на напрежението.

Тази верига работи по същия начин като удвоителя на напрежението - когато изходът 555 стане висок, капачката се зарежда, а когато изходът се понижи, се изтегля през втория кондензатор в обратна посока, създавайки отрицателно напрежение на изхода.

Къде да използвам помпа за зареждане?

Захранване с биполярност за операционни усилватели във верига, където е налице само едно напрежение. Операционните усилватели не консумират много ток, така че това е идеално прилягане. Хубавото на това е, че инвертор и удвоител могат да бъдат задвижвани от един и същ изход, създавайки, да речем, захранване ± 12V от 5V захранване.
Драйвери за порта - опцията за зареждане е опция, но помпата за зареждане има потенциал да генерира по-високо напрежение, да речем, като има 12V задвижване от порта от захранване 3.3V. Буутстрапирането в този случай няма да ви даде повече от 7V.

Така че Charge помпите са прости и ефективни устройства, използвани за създаване на дискретни кратни на входното напрежение.