Круг пумпе за пуњење

Ситуација је једноставна - имате нисконапонску шину за напајање, рецимо 3,3 В, а желите да напајате нешто што треба 5 В. Ово је тежак позив, посебно ако су у питању батерије. Једини очигледан начин је конвертор режима прекидача, тачније претварач појачања.

Овде смо постигли препреку - претварачи појачања су неефикасни при малим снагама, јер се троши пуно енергије само за одржавање регулације на тачки и погон прекидача за напајање. Такође, претварачи режима прекидача ове врсте су бучни - ово је проблем ако имате посла са осетљивим струјним круговима. У непријатном сте положају преинжењерског решења. Линеарни регулатори не раде уназад, па је то искључено као недовољно пројектовано.

Па где да повучемо границу између преинжењерираног и премало инжењерског?

Одговор на овај проблем је пумпа за пуњење - која је сама по себи врста напајања у режиму прекидача. Као што и само име говори, ова врста претварача помера дискретне набоје, а компонента која их складишти је кондензатор, па се ова врста претварача назива и летећи претварач кондензатора.

Пумпа за пуњење ствара дискретне вишекратнике улазног напона помоћу кондензатора.

Како функционише пумпа за пуњење?

Најбољи начин да се ово разуме је замислити следећу ситуацију.

Кондензатор пуните помоћу 9В батерије, тако да је напон на кондензатору такође 9В. Затим узмете још један кондензатор и напуните га до 9В. Сада спојите два кондензатора у серију и измерите напон на њима - 18В.

Ово је основни принцип рада пумпе за пуњење - узмите два кондензатора, напуните их појединачно, а затим их ставите у серију, иако се у стварној пумпи за пуњење преуређивање врши електронски.

Наравно, ово није ограничено на само два кондензатора, узастопни ступњеви могу се каскадно постићи да би се добили већи напони на излазу.

Ограничења пумпи за пуњење

Пре него што га направимо, добра идеја је да се упознамо са ограничењима пумпи за пуњење.

1. Доступна излазна струја - с обзиром да пумпе за пуњење нису ништа друго до кондензатори који се пуне и празне у циклусима, расположива струја је врло мала - ретки су случајеви када употреба правог чипа може да вам донесе 100 мА, али са малом ефикасношћу.

2. Што више етапа додате, не значи да се излазни напон повећава толико пута - сваки ступањ учитава излаз претходне фазе, тако да излаз није савршени вишекратник улаза. Овај проблем се погоршава са више фаза које додате.

Изградња круга пумпе за пуњење

Овде приказано коло је за једноставну тростепену пумпу за пуњење која користи зимзелену ИЦ тајмер 555. У одређеном смислу, ово коло је „модуларно“ - степени се могу каскадно повећавати на излазном напону (имајући на уму ограничење број два).

Компоненте потребне

1. За осцилатор 555

• 555 тајмер - биполарна варијанта
• 10уФ електролитски кондензатор (раздвајање)
• 2к 100нФ керамички кондензатор (раздвајање)
• 100пФ керамички кондензатор (тајминг)
• 1К отпорник (тајминг)
• 10К отпорник (тајминг)

2. За пумпу за пуњење

• 6к ИН4148 диоде (препоручује се и УФ4007)
• 5к 10уФ електролитски кондензатори
• Електролитски кондензатор од 100уФ

Важно је напоменути да сви кондензатори који се користе у пумпи за пуњење морају бити номиновани за неколико волти више од очекиваног излазног напона.

Кружни дијаграм

Ево како то изгледа на плочи:

Опис круга пумпе за пуњење

1. Тајмер 555

Овде приказано коло је једноставан осцилатор са 555 тајмером. Временске компоненте резултирају фреквенцијом од око 500 кХз (што је за биполарне 555 подвиг сам по себи). Ова висока фреквенција осигурава да се кондензатори на пумпи за пуњење периодично 'освежавају', тако да напон на излазу нема превише мрешкања.

2. Пумпа за пуњење

Ово је најстрашнији део читавог кола. Као и већина других ствари, то се може разумети рашчлањивањем на једну целину:

Претпоставимо да је пин 3, излаз 555 тајмера, низак током покретања. То резултира пуњењем кондензатора кроз диоду, јер је негативни прикључак сада уземљен. Када је излаз висок, негативни пин иде такође високо - али с обзиром да на кондензатору већ постоји набој (који због диоде не може никамо ићи), напон виђен на позитивном прикључку кондензатора је ефективно двоструко већи од улазног напона.

Ево позитивног прикључка кондензатора:

Коначни резултат је тај што ефективно додајете офсет В _ЦЦ на излаз 555 тајмера.

Сада је овај напон директно као излаз бескористан, јер постоји масовно 50% мрешкање. Да бисмо то решили, додајемо детектор врха као што је приказано на доњој слици:

Ово је излаз горњег кола:

И успешно смо удвостручили излазни напон!

Савети за изградњу кругова

Биполарни 555 је познат по скоковима напајања које генерише на доводној шини, јер излазни пусх-пулл ступањ скоро прекида напајање током транзиција. Дакле, раздвајање је обавезно.

Кратким путем ћу вам рећи нешто о правилном раздвајању.

Ево В _ЦЦ пина осцилатора без икаквог раздвајања:

И ево истог клина са правилним одвајањем:

Јасно се види разлика коју чини мало раздвајања.

За ступањ пумпе за пуњење препоручују се керамички СМД кондензатори ниске индуктивности. Сцхоттки диоде са малим падом напона унапред такође побољшавају перформансе.

Коришћење ЦМОС 555 са одговарајућом излазном фазом (можда чак и управљачки модул као што је ТЦ4420) може смањити (али не и елиминисати) скокове напајања.

Варијације пумпе за пуњење

Пумпе за пуњење не само да повећавају напон, већ се могу користити за инвертовање поларитета напона.

Ово коло делује на исти начин као и удвостручивач напона - када се 555 излаз повиси, поклопац се напуни, а када излаз пређе у ниско пуњење извлачи се кроз други кондензатор у обрнутом смеру, стварајући негативни напон на излазу.

Где могу да користим пумпу за пуњење?

• Напајање биполарности за оп-појачала у колу где је доступан само један напон. Оп-појачала не троше много струје, тако да се ово савршено уклапа. Лепа ствар код овога је што се претварач и удвостручивач могу покретати са истог излаза, стварајући, рецимо, напајање од ± 12В из напајања од 5В.
• Возачи гејта - опција за покретање система је пуњење, али пумпа за пуњење има потенцијал да генерише већи напон, рецимо, ако има 12В гејт погон из напајања од 3.3В. Боотстраппинг вам у овом случају не би дао више од 7В.

Тако су пумпе за пуњење једноставни и ефикасни уређаји који се користе за стварање дискретних вишекратника улазног напона.