В этой статье мы узнаем, как создать пару простых схем удвоения напряжения постоянного тока с использованием одной микросхемы IC 4049 и IC 555, а также нескольких других пассивных компонентов.

Если вам интересно, как простую микросхему IC 555 можно использовать для создания мощной схемы удвоителя напряжения, то эта статья поможет вам разобраться в деталях и построить конструкцию дома.

Что такое удвоитель напряжения

Удвоитель напряжения - это схема, в которой используются только диоды и конденсаторы для повышения входного напряжения до более высокого выходного напряжения, в два раза превышающего входное.

Если вы плохо знакомы с концепцией удвоителя напряжения и хотите изучить концепцию подробно, у нас есть хорошая подробная статья на этом веб-сайте, объясняющая различные схемы умножителей напряжения для справки.

Концепция умножителя напряжения была впервые обнаружена и использовалась на практике британскими и ирландскими физиками Джоном Дугласом Кокрофтом и Эрнестом Томасом Синтоном Уолтоном, поэтому ее также называют Генератор Кокрофта – Уолтона (CW).

Хороший пример конструкции умножителя напряжения можно изучить в этой статье, в которой используется концепция для генерирование ионизированного воздуха для очистки воздуха в домах .

Схема удвоителя напряжения также является формой умножителя напряжения, в которой диодно-конденсаторный каскад ограничен только парой каскадов, так что на выходе разрешается создавать напряжение, которое может быть вдвое больше напряжения питания.

“фильтр на операционном усилителе высоких частот ”

Поскольку для всех схем умножителя напряжения обязательно требуется вход переменного тока или импульсный вход, схема генератора становится важной для достижения результатов.

Распиновка IC 555

Подробная информация о распиновке IC 555, заземление, Vcc, сброс, порог, разряд, управляющее напряжение

Принципиальная схема удвоителя напряжения на IC 555

Ссылаясь на приведенный выше пример, мы можем увидеть схему IC 555, сконфигурированную как каскад нестабильного мультивибратора, который на самом деле является формой генератора и предназначен для создания пульсирующего постоянного тока (ВКЛ / ВЫКЛ) на его выходном контакте №3.

Если вы помните, мы обсуждали схема светодиодного фонаря на этом веб-сайте, который совершенно идентично использует схему удвоителя напряжения, хотя секция генератора создана с использованием вентилей IC 4049.

По сути, вы можете заменить каскад IC 555 на любую другую схему генератора и при этом получить эффект удвоения напряжения.

Однако использование IC 555 имеет небольшое преимущество, поскольку эта микросхема способна генерировать больший ток, чем любая другая схема генератора на основе IC, без использования какого-либо внешнего каскада усилителя тока.

Как работает каскад удвоителя напряжения

Как видно на приведенной выше диаграмме, фактическое умножение напряжения осуществляется ступенями D1, D2, C2, C3, которые сконфигурированы как полумостовая двухступенчатая схема умножения напряжения.

Смоделировать этот этап в ответ на ситуацию с выводом №3 IC 555 может быть немного сложно, и я все еще пытаюсь заставить его правильно работать в моем мозгу.

Согласно моделированию моего разума, работу упомянутого каскада удвоителя напряжения можно объяснить, как указано в следующих пунктах:

Когда выходной вывод # 3 IC находится на низком логическом уровне или на уровне земли, D1 может заряжать C2, так как он может иметь прямое смещение через C2 и отрицательный потенциал вывода # 3, также одновременно C3 заряжается через D1 и D2. .
Теперь, в следующий момент, как только на выводе №3 будет высокий логический уровень или положительный потенциал питания, все немного запутается.
Здесь C2 не может разряжаться через D1, поэтому у нас есть выход уровня питания от D1, от C2, а также от C3.
Многие другие онлайн-сайты говорят, что в этот момент сохраненное напряжение внутри C2 и положительный вывод от D1 должны объединяться с выходом C3 для получения удвоенного напряжения, однако это не имеет смысла.
Потому что, когда напряжения объединяются параллельно, сетевое напряжение не увеличивается. Напряжения должны сочетаться последовательно, чтобы вызвать желаемый эффект повышения или удвоения.
Единственное логическое объяснение, которое может быть получено, заключается в том, что когда контакт № 3 становится высоким, отрицательный вывод C2 находится на положительном уровне, а его положительный конец также удерживается на уровне питания, он вынужден производить импульс обратного заряда, который складывается с C3. заряд, вызывающий мгновенный всплеск потенциала с пиковым напряжением, вдвое превышающим уровень питания.

Если у вас есть лучшее или технически более правильное объяснение, пожалуйста, не стесняйтесь объяснять его в своих комментариях.

Насколько ток?

Контакт № 3 ИС предназначен для выдачи максимального тока 200 мА, поэтому можно ожидать, что максимальный пиковый ток будет на уровне 200 мА, однако пики будут сужаться в зависимости от значений C2, C3. Конденсаторы более высокого номинала могут обеспечить более полную передачу тока через выход, поэтому убедитесь, что значения C2, C3 выбраны оптимально, около 100 мкФ / 25 В будет достаточно.

Практическое применение

Хотя схема удвоителя напряжения может быть полезна для многих приложений электронных схем, хобби-приложение может заключаться в освещении светодиода высокого напряжения от источника низкого напряжения, как показано ниже:

Схема удвоителя напряжения IC 555 со светодиодом

На приведенной выше принципиальной схеме мы можем видеть, как схема используется для освещения светодиодной лампы 9 В от источника питания 5 В, что обычно было бы невозможно, если бы 5 В. подавалось непосредственно на светодиод.

Связь между частотой, ШИМ и уровнем выходного напряжения

Частота в любой цепи удвоителя напряжения не имеет решающего значения, однако более высокая частота поможет вам получить лучшие результаты, чем более низкие частоты.

Аналогично для диапазона ШИМ рабочий цикл должен составлять примерно 50%, более узкие импульсы приведут к снижению ток на выходе , тогда как слишком широкие импульсы не позволят соответствующим конденсаторам разряжаться оптимально, что опять же приведет к неэффективной выходной мощности.

В обсуждаемой нестабильной схеме IC 555 R1 может быть в пределах от 10 до 100 кОм, этот резистор вместе с C1 определяет частоту. Следовательно, C1 может иметь значение от 50 нФ до 0,5 мкФ.

R2 принципиально позволит вам управлять ШИМ, поэтому его можно превратить в переменный резистор через потенциометр на 100 кОм.

Использование вентилей НЕ IC 4049

Следующая схема на основе КМОП-микросхемы может использоваться для удвоения любого напряжения источника постоянного тока (до 15 В постоянного тока). Представленная конструкция удвоит любое напряжение от 4 до 15 В постоянного тока и сможет работать с нагрузками с током не более 30 мА.

Как видно на схеме, в этой схеме удвоения постоянного напряжения используется только одна микросхема 4049 для достижения предложенного результата.

Распиновка IC 4049

Схема работы

IC 4049 имеет в общей сложности шесть вентилей, которые эффективно генерируют описанные действия по удвоению напряжения. Два гейта из шести настроены как осциллятор.

В крайнем левом углу диаграммы показана секция генератора.

Резистор 100 кОм и конденсатор 0,01 образуют основные компоненты, определяющие частоту.
Частота обязательно требуется, если необходимо выполнить действия по скачку напряжения, поэтому здесь также становится необходимым участие генератора.

Эти колебания становятся полезными для инициации зарядки и разрядки набора конденсаторов на выходе, что составляет умножение напряжения на наборе конденсаторов таким образом, что результат становится вдвое большим, чем приложенное напряжение питания.

Однако напряжение от генератора не может быть предпочтительно приложено непосредственно к конденсаторам, скорее это делается через группу вентилей ИС, расположенных параллельно.

Эти параллельные вентили вместе создают хорошую буферизацию для приложенной частоты вентилей генератора, так что результирующая частота сильнее по току и не колеблется при относительно более высоких нагрузках на выходах.

Но все же учитывая характеристики КМОП ИС, нельзя ожидать, что допустимый выходной ток будет больше 40 мА.

Более высокие нагрузки, чем это, приведут к ухудшению уровня напряжения до уровня питания.

Емкость выходного конденсатора может быть увеличена до 100 мкФ для получения более высокого КПД схемы.

При 12 вольт в качестве входа питания для IC, от этой схемы удвоителя напряжения на основе IC 4049 может быть получено выходное напряжение около 22 вольт.