Laad pompcircuit

De situatie is simpel: je hebt een laagspanningsvoedingsrail, zeg 3.3V, en je wilt iets voeden dat 5V nodig heeft. Dit is een zware opgave, vooral als het om batterijen gaat. De enige voor de hand liggende manier is een switch mode converter, meer bepaald een boost converter.

Dit is waar we een wegversperring tegenkomen - boost-omvormers zijn inefficiënt bij lage vermogens, omdat er veel energie wordt verbruikt om de regelgeving op peil te houden en de stroomschakelaar aan te drijven. Omzetters van dit type zijn ook lawaaierig - dit is een probleem als u te maken hebt met gevoelige schakelingen. Je bevindt je in de ongemakkelijke positie van een overdreven ontworpen oplossing. Lineaire regelaars werken niet omgekeerd, dus dat is uitgesloten als onderontwikkeld.

Dus waar trekken we de grens tussen over-engineered en under-engineered?

Het antwoord op dit probleem is de Charge Pump - die op zichzelf een soort schakelende voeding is. Zoals de naam al doet vermoeden, verplaatst dit soort converter discrete ladingen rond en het onderdeel dat deze discrete ladingen opslaat is de condensator, dus dit soort converter wordt ook wel de Flying Capacitor Converter genoemd.

Een ladingspomp creëert discrete veelvouden van de ingangsspanning met behulp van condensatoren.

Hoe werkt een laadpomp?

De beste manier om dit te begrijpen, is door de volgende situatie voor te stellen.

Een condensator laad je op met een 9V batterij, dus de spanning over de condensator is ook 9V. Dan neem je een andere condensator en laad je deze ook op tot 9V. Verbind nu de twee condensatoren in serie en meet de spanning erover - 18V.

Dit is het basisprincipe van de werking van de ladingspomp - neem twee condensatoren, laad ze afzonderlijk op en plaats ze in serie, hoewel het herschikken in een echte ladingspomp elektronisch gebeurt.

Dit is natuurlijk niet beperkt tot slechts twee condensatoren, opeenvolgende trappen kunnen in cascade worden geschakeld om hogere spanningen op de uitgang te verkrijgen.

Beperkingen van laadpompen

Voordat we er een gaan bouwen, is het een goed idee om de beperkingen van laadpompen te leren kennen.

1. Beschikbare uitgangsstroom - aangezien laadpompen niets anders zijn dan condensatoren die in cycli worden opgeladen en ontladen, is de beschikbare stroom erg laag - er zijn zeldzame gevallen waarin het gebruik van de juiste chip 100mA kan opleveren, maar met een laag rendement.

2. Hoe meer trappen u toevoegt, betekent niet dat de uitgangsspanning zo vaak toeneemt - elke trap laadt de uitgang van de vorige trap, dus de uitgang is geen perfect veelvoud van de ingang. Dit probleem wordt erger naarmate u meer fasen toevoegt.

Een laadpompcircuit bouwen

Het hier getoonde circuit is voor een eenvoudige drietraps-laadpomp die gebruikmaakt van de evergreen 555 timer-IC. In zekere zin is dit circuit 'modulair' - trappen kunnen in cascade worden geschakeld om de uitgangsspanning te verhogen (met beperking nummer twee in gedachten).

Componenten vereist

1. Voor de 555 oscillator

• 555 timer - bipolaire variant
• 10uF elektrolytische condensator (ontkoppeling)
• 2x 100nF keramische condensator (ontkoppeling)
• 100pF keramische condensator (timing)
• 1K weerstand (timing)
• 10K weerstand (timing)

2. Voor de laadpomp

• 6x IN4148 diodes (UF4007 ook aanbevolen)
• 5x 10uF elektrolytische condensatoren
• 100uF elektrolytische condensator

Een belangrijk ding om op te merken is dat alle condensatoren die in de laadpomp worden gebruikt, een paar volt meer moeten hebben dan de verwachte uitgangsspanning.

Schakelschema

Dit is hoe het eruit ziet op breadboard:

Beschrijving laadpompcircuit

1. De 555 Timer

De hier getoonde schakeling is een eenvoudige 555 timer astabiele oscillator. De timingcomponenten resulteren in een frequentie van ongeveer 500 kHz (wat voor een bipolaire 555 een prestatie op zich is). Deze hoge frequentie zorgt ervoor dat de condensatoren op de laadpomp periodiek 'ververst' worden zodat de spanning op de uitgang niet te veel rimpel heeft.

2. De laadpomp

Dit is het meest intimiderende deel van het hele circuit. Net als de meeste andere dingen kan het worden begrepen door het op te splitsen in een enkele eenheid:

Laten we aannemen dat pin 3, de output van de 555-timer, laag is tijdens het opstarten. Dit heeft tot gevolg dat de condensator wordt opgeladen via de diode, aangezien de negatieve pool nu is geaard. Wanneer de output hoog wordt, gaat de negatieve pin ook hoog - maar aangezien er al een lading op de condensator zit (die nergens heen kan gaan vanwege de diode), is de spanning die wordt gezien aan de positieve pool van de condensator in feite het dubbele van de ingangsspanning.

Hier is de positieve pool van de condensator:

Het uiteindelijke resultaat is dat u in feite een offset van V _CC toevoegt aan de uitvoer van de 555-timer.

Nu is deze spanning direct als uitgang nutteloos, omdat er een enorme rimpel van 50% is. Om dit op te lossen, voegen we een piekdetector toe zoals weergegeven in onderstaande afbeelding:

Dit is de output van bovenstaand circuit:

En we hebben met succes de uitgangsspanning verdubbeld!

Circuit constructie tips

De bipolaire 555 staat bekend om de toevoerpieken die hij genereert op de toevoerrail, aangezien de uitgangs-push-pull-trap de toevoer tijdens overgangen bijna kortsluit. Dus ontkoppeling is verplicht.

Ik maak een korte omweg om je iets te vertellen over een goede ontkoppeling.

Hier is de V _CC- pin van de oscillator zonder enige ontkoppeling:

En hier is dezelfde pin met de juiste ontkoppeling:

Je kunt duidelijk het verschil zien dat een klein beetje ontkoppeling maakt.

Keramische SMD-condensatoren met lage inductie worden aanbevolen voor de laadpomptrap. Schottky-diodes met een lage voorwaartse spanningsval verbeteren ook de prestaties.

Het gebruik van een CMOS 555 met een goede eindtrap (misschien zelfs een gate-driver zoals de TC4420) kan de voedingspieken verminderen (maar niet elimineren).

Variaties in laadpomp

Laadpompen verhogen niet alleen de spanning, ze kunnen ook worden gebruikt om de polariteit van de spanning om te keren.

Dit circuit werkt op dezelfde manier als de spanningsverdubbelaar - wanneer de 555-uitgang hoog wordt, laadt de dop op en wanneer de uitgang laag wordt, wordt de lading in omgekeerde richting door de tweede condensator getrokken, waardoor een negatieve spanning op de uitgang ontstaat.

Waar gebruik ik een oplaadpomp?

• Bipolariteitsvoorziening voor op-amps in een circuit waar slechts een enkele spanning beschikbaar is. Op-amps verbruiken niet veel stroom, dus dit past perfect. Het leuke hieraan is dat een omvormer en een verdubbelaar vanaf dezelfde uitgang kunnen worden aangestuurd, waardoor bijvoorbeeld ± 12V voeding ontstaat vanuit een 5V voeding.
• Gate-stuurprogramma's - bootstrapping is een optie, maar een laadpomp heeft het potentieel om een ​​hogere spanning te genereren, bijvoorbeeld met een 12V-poortaandrijving van een 3.3V-voeding. Bootstrapping zou in dit geval niet meer dan 7V opleveren.

Charge-pompen zijn dus eenvoudige en efficiënte apparaten die worden gebruikt om discrete veelvouden van de ingangsspanning te creëren.