Sạc mạch bơm

Tình huống rất đơn giản - bạn có một đường ray cung cấp điện áp thấp, chẳng hạn như 3,3V, và bạn muốn cấp nguồn cho thứ gì đó cần 5V. Đây là một cuộc gọi khó khăn, đặc biệt nếu có liên quan đến pin. Cách rõ ràng duy nhất là một bộ chuyển đổi chế độ chuyển đổi, cụ thể hơn là một bộ chuyển đổi tăng cường.

Đây là lúc chúng tôi gặp phải rào cản - bộ chuyển đổi tăng cường hoạt động kém hiệu quả ở công suất thấp, vì rất nhiều năng lượng được tiêu thụ chỉ để giữ quy định tại điểm và điều khiển công tắc nguồn. Ngoài ra, bộ chuyển đổi chế độ chuyển đổi loại này rất ồn - đây là một vấn đề nếu bạn đang xử lý mạch điện nhạy cảm. Bạn đang ở vị trí không thoải mái với một giải pháp được thiết kế quá mức. Bộ điều chỉnh tuyến tính không hoạt động ngược lại, vì vậy điều đó bị loại trừ là được thiết kế kém.

Vậy chúng ta vẽ ranh giới giữa thiết kế quá mức và kém chất lượng ở đâu?

Câu trả lời cho vấn đề này là Charge Pump - bản thân nó là một loại nguồn cung cấp chế độ chuyển đổi. Như tên cho thấy, loại bộ chuyển đổi này di chuyển các điện tích rời rạc xung quanh và thành phần lưu trữ các điện tích rời rạc này là tụ điện, vì vậy loại bộ chuyển đổi này còn được gọi là Bộ chuyển đổi tụ điện bay.

Một máy bơm tích điện tạo ra bội số rời rạc của điện áp đầu vào bằng cách sử dụng tụ điện.

Máy bơm sạc hoạt động như thế nào?

Cách tốt nhất để hiểu điều này là hình dung tình huống sau.

Bạn sạc một tụ điện bằng pin 9V nên hiệu điện thế trên tụ cũng là 9V. Sau đó, bạn lấy một tụ điện khác và sạc nó lên đến 9V. Bây giờ mắc nối tiếp hai tụ điện và đo hiệu điện thế trên chúng - 18V.

Đây là nguyên tắc hoạt động cơ bản của máy bơm sạc - lấy hai tụ điện, sạc riêng lẻ chúng rồi ghép nối tiếp, mặc dù trong máy bơm sạc thực, việc sắp xếp lại được thực hiện bằng điện tử.

Tất nhiên, điều này không chỉ giới hạn ở hai tụ điện, các giai đoạn liên tiếp có thể được xếp tầng để thu được điện áp cao hơn trên đầu ra.

Hạn chế của bơm phí

Trước khi chế tạo, bạn nên biết những hạn chế của máy bơm tích điện.

1. Dòng điện đầu ra khả dụng - vì máy bơm sạc không có gì khác ngoài tụ điện được sạc và xả theo chu kỳ, dòng điện khả dụng rất thấp - có một số trường hợp hiếm khi sử dụng đúng chip có thể giúp bạn có được 100mA, nhưng ở hiệu suất thấp.

2. Bạn thêm nhiều giai đoạn hơn không có nghĩa là đầu ra điện áp tăng lên nhiều lần - mỗi giai đoạn tải đầu ra của giai đoạn trước, vì vậy đầu ra không phải là bội số hoàn hảo của đầu vào. Vấn đề này trở nên tồi tệ hơn khi bạn thêm nhiều giai đoạn.

Xây dựng mạch bơm sạc

Mạch hiển thị ở đây dành cho một máy bơm sạc ba giai đoạn đơn giản sử dụng IC hẹn giờ 555 thường xanh. Theo một nghĩa nào đó, mạch này là 'mô-đun' - các giai đoạn có thể được xếp tầng để tăng điện áp đầu ra (lưu ý đến giới hạn số hai).

Thành phần bắt buộc

1. Đối với Dao động 555

• Bộ đếm thời gian 555 - biến thể lưỡng cực
• Tụ điện 10uF (tách)
• 2x tụ gốm 100nF (tách)
• Tụ gốm 100pF (thời gian)
• Điện trở 1K (thời gian)
• Điện trở 10K (thời gian)

2. Đối với Bơm phí

• 6x điốt IN4148 (UF4007 cũng được khuyến nghị)
• Tụ điện 5x 10uF
• Tụ điện 100uF

Một điều quan trọng cần lưu ý là tất cả các tụ điện được sử dụng trong máy bơm sạc phải được đánh giá cao hơn vài volt so với điện áp đầu ra dự kiến.

Sơ đồ mạch

Đây là cách nó trông trên breadboard:

Mô tả mạch bơm sạc

1. Bộ hẹn giờ 555

Mạch hiển thị ở đây là một bộ dao động ổn định thời gian 555 đơn giản. Các thành phần thời gian dẫn đến tần số khoảng 500kHz (đối với một chiếc 555 lưỡng cực tự nó đã là một kỳ tích). Tần số cao này đảm bảo rằng các tụ điện trên máy bơm sạc được 'làm mới' định kỳ để điện áp trên đầu ra không có quá nhiều gợn sóng.

2. Máy bơm phí

Đây là phần đáng sợ nhất của toàn bộ mạch. Giống như hầu hết những thứ khác, nó có thể được hiểu bằng cách chia nhỏ nó thành một đơn vị duy nhất:

Giả sử rằng chân 3, đầu ra của bộ định thời 555, ở mức thấp trong khi khởi động. Điều này dẫn đến việc sạc tụ điện qua diode vì cực âm bây giờ đã được nối đất. Khi đầu ra tăng cao, chân âm cũng tăng cao - nhưng vì đã có điện tích trên tụ điện (không thể đi bất cứ đâu do diode) nên điện áp nhìn thấy ở cực dương của tụ điện có hiệu quả gấp đôi điện áp đầu vào.

Đây là cực dương của tụ điện:

Kết quả cuối cùng là bạn đang thêm hiệu quả bù V _CC vào đầu ra của bộ định thời 555.

Bây giờ điện áp này trực tiếp như một đầu ra là vô dụng, vì có một gợn sóng lớn 50%. Để giải quyết vấn đề này, chúng tôi thêm một bộ dò đỉnh như trong hình dưới đây:

Đây là đầu ra của mạch trên:

Và chúng tôi đã nhân đôi thành công sản lượng điện áp!

Mẹo xây dựng mạch

Lưỡng cực 555 được biết đến với nguồn cung tăng đột biến mà nó tạo ra trên đường cung cấp, vì giai đoạn đẩy-kéo đầu ra gần như làm thiếu nguồn cung trong quá trình chuyển đổi. Vì vậy việc tách là bắt buộc.

Tôi sẽ đi đường vòng nhanh để cho bạn biết điều gì đó về cách tách phù hợp.

Đây là chân V _CC của bộ dao động không có bất kỳ bộ tách nào:

Và đây là cùng một chốt với sự tách rời phù hợp:

Bạn có thể thấy rõ ràng sự khác biệt mà một chút tách rời tạo ra.

Các tụ điện SMD gốm có độ tự cảm thấp được khuyến nghị cho giai đoạn bơm sạc. Điốt Schottky có điện áp giảm thấp cũng cải thiện hiệu suất.

Sử dụng CMOS 555 với giai đoạn đầu ra thích hợp (thậm chí có thể là trình điều khiển cổng như TC4420) có thể giảm (nhưng không loại bỏ) mức tăng đột biến nguồn cung cấp.

Các biến thể bơm sạc

Máy bơm sạc không chỉ làm tăng điện áp, chúng có thể được sử dụng để đảo cực điện áp.

Mạch này hoạt động theo cách tương tự như bộ nghi ngờ điện áp - khi đầu ra 555 tăng cao, nắp sạc lên và khi đầu ra đi xuống điện tích thấp được kéo qua tụ điện thứ hai theo chiều ngược lại, tạo ra điện áp âm trên đầu ra.

Tôi sử dụng Máy bơm sạc ở đâu?

• Nguồn cung cấp lưỡng cực cho op-amps trong một mạch chỉ có một điện áp duy nhất. Op-amps không tiêu thụ nhiều dòng điện vì vậy đây là một sự phù hợp hoàn hảo. Điều thú vị về điều này là một bộ biến tần và bộ phân tần có thể được điều khiển từ cùng một đầu ra, tạo ra nguồn cung cấp ± 12V từ nguồn 5V.
• Trình điều khiển cổng - bootstrapping là một tùy chọn nhưng một máy bơm sạc có khả năng tạo ra điện áp cao hơn, chẳng hạn, có ổ cổng 12V từ nguồn cung cấp 3,3V. Bootstrapping sẽ không cung cấp cho bạn nhiều hơn 7V trong trường hợp này.

Vì vậy, máy bơm sạc là thiết bị đơn giản và hiệu quả được sử dụng để tạo ra bội số rời rạc của điện áp đầu vào.