Умножитель напряжения – это «истинный» зарядовый насос. Когда уровень напряжения на выходе таймера 555 низкий, конденсатор C4 заряжается от источника питания через диод D1. Когда напряжение на выходе повышается, потенциал положительного вывода C4 также становится высоким (в идеальном случае до +24 В), и его заряд через диод D2 передается в конденсатор C5. Это очень распространенная схема, и она используется почти в каждом когда-либо произведенном драйвере затвора MOSFET верхнего плеча. В этих схемах C4 называется бутстрепным конденсатором. Инвертирующий преобразователь – это простой однополупериодный удвоитель отрицательного напряжения. Почему это удвоитель? Среднеквадратичное напряжение, подаваемое на конденсатор C4, равно половине напряжения питания (так что при скважности 50% это будет 6 В), и чтобы получить –12 В, используется удвоитель напряжения.
Стало общепринятым называть этот класс схем зарядовым насосом, независимо от его реального принципа действия. Нет необходимости использовать альтернативные названия, поскольку, хотя они (на мой взгляд) более описательные, термин «зарядовый насос» настолько распространен, что было бы неразумно пытаться его изменить. Аналогично, было бы неразумно пытаться использовать любую из схем для больших токов, поскольку небольшие модули импульсных преобразователей можно приобрести за очень небольшие деньги, если вам нужно больше 20 мА или если вам требуется разумная стабилизация напряжения.
Обе схемы показаны с конденсаторами по 100 мкФ, но их емкости можно увеличить. Выходной конденсатор (C5) является наиболее критичным, так как он определяет пульсации выходного напряжения. Используя 100 мкФ, вы можете ожидать довольно низких пульсаций при нагрузке 10 мА. Емкость более 220 мкФ вряд ли даст большой выигрыш. Ожидайте, что при емкости 100 мкФ пульсации составят менее 1.5 мВ (3 мВ для инвертирующей схемы). Конденсатор большей емкости также увеличивает среднее выходное напряжение для данной нагрузки, что может быть полезно.
Версия автоколебательного мультивибратора на таймере 555 с «минимальным количеством компонентов» будет немного менять частоту при изменении нагрузки. В основном это не имеет никакого значения, и именно поэтому я использовал его. Частота определяется формулой
где R и C – времязадающие компоненты.
Она неточна и, как уже отмечалось, будет меняться в зависимости от нагрузки. В идеале периоды «высокого» и «низкого» уровней должны быть одинаковыми, но, как вы, вероятно, понимаете, это мало влияет на работу схемы. Простые схемы (по определению) просты, и нет смысла пытаться сделать их идеальными. Ничто, построенное на таймере 555, не является идеальным – это универсальное, утилитарное устройство. Да, с помощью 555-го таймера можно добиться довольно высокой точности, но в основном нас это не очень волнует. Если бы нам действительно нужна была высокая точность, мы бы использовали что-то другое.
Альтернатива
Существует альтернатива зарядовому насосу, и вполне вероятно, что она будет стоить дешевле, чем таймер 555 плюс вспомогательные компоненты. Модуль, изображенный на Рисунке 4, был куплен на eBay, насколько я помню; он стоил менее 4 австралийских долларов. Они выпускаются с разными входными и выходными напряжениями, так что вы можете инвертировать или повысить практически любое напряжение. Показанный на рисунке модуль рассчитан на 1 Вт, поэтому 12-вольтовая версия может обеспечить ток 83 мА. У всех используется одинаковая схема расположения выводов: вывод 1 – входная земля, вывод 2 – входное постоянное напряжение, вывод 3 – выходное отрицательное напряжение, а вывод 4 – выходное положительное напряжение.
 |
|
| Рисунок 4. | Дешевый (китайский) DC/DC преобразователь 12 В/12 В. |
Поскольку модули изолированы, вторичная обмотка может находиться под любым напряжением в пределах указанного в техническом описании диапазона. Несмотря на то, что большинство из них испытываются напряжением 1 кВ, разность напряжений обычно должна быть в пределах диапазона SELV (безопасное сверхнизкое напряжение), который составляет 42.4 В пик-пик (30 В переменного тока) или 60 В постоянного тока, хотя в разных странах он определяется по-разному. Я бы не стал превышать на изолирующем барьере постоянного напряжения порядка 150 В. Texas Instruments выпускает микросхему UCC12050DVE, содержащую внутренний трансформатор (похожая микросхема – UCC12051-Q1). Ее максимальное выходное напряжение ограничено значением примерно 5 В при токе 100 мА. Для нее требуется несколько внешних компонентов, но она рассчитана на рабочее напряжение изоляции 1.2 кВ и стоит около 12 австралийских долларов за штуку. Немногим любительским приложениям потребуется такой уровень изоляции, но очевидно, что потребность в этих устройствах существует (предсказуемо, только в корпусах SMD).
Подобные модули можно приобрести у всех крупных поставщиков, причем стоимость многих из них не превышает 5 австралийских долларов. Если вам нужно сделать что-то более авантюрное, вы можете поэкспериментировать, но эти небольшие (12 × 10 × 6 мм) изолированные DC/DC преобразователи часто оказываются гораздо более хорошим выбором и занимают намного меньше места на печатной плате, чем дискретные решения. Они предназначены для повышающего, понижающего или прямого преобразования, а их выходные напряжения обычно составляют 5, 12, 15 и 24 В. Среди производителей – AimTec, CUI, Mornsun, Murata, Recom и Traco Power, а также бесчисленное множество азиатских версий (часто без нанесенного на корпус названия).
Если вы покупаете их на eBay, будьте осторожны. Некоторые продавцы хотят 15 австралийских долларов или больше за модуль, который должен стоить менее 3 австралийских долларов, а в некоторых случаях стоимость выше, чем у крупных поставщиков. Таким дистрибьюторам, как, например, Element14, Digikey, Mouser, RS и т.д., вы можете заплатить от 5 до 15 австралийских долларов или около того, при этом никакой видимой разницы, кроме цены, между модулями нет. Меня это озадачивает, но что есть, то есть. Ассортимент этих устройств постоянно расширяется, и я ожидаю, что они будут существовать еще долгое время, поскольку они очень удобны. Одним из недостатков является шум, поскольку они не особенно тихие. Однако простой выходной RC-фильтр избавит от большей части шума.
Обратите внимание, что в некоторых технических описаниях указано, что для минимизации шума требуется входной конденсатор (включенный между +VE и землей). В некоторых также указывается максимальная емкость, которую можно подключать параллельно выходу. Использование емкости большей рекомендуемого максимума может вызвать проблемы при запуске.
Выводы
Эти схемы показаны только в их простейшем виде. Несомненно, во многих случаях схема на основе 555-го таймера будет вполне нормальной, но маленькие модули типа того, который показан на Рисунке 4, – это очень трудный пример для подражания. Впрочем, они настолько просты в использовании, что все остальное не имеет значения.
Я предлагал эти модули в ряде других проектов и использовал их в различных конструкциях. Однако иногда нужно просто сделать что-то из того, что есть под рукой, и зарядовые насосы на таймере 555 идеально подходят для малых токов и там, где стабилизация напряжения просто не имеет значения. В частности, они находят применение для питания операционных усилителей, которым требуется два источника питания, когда доступен только один.
Большинству операционных усилителей безразлично, что напряжения питания неодинаковы, и единственным недостатком является то, что ограничение выходного сигнала будет асимметричным. Если сигнал не ограничивается, то никаких проблем, кроме ограниченного тока питания, вообще нет.
Иногда вам просто нужна работающая схема, которая не требует деталей, отсутствующих в ваших запасах, и которую легко (и дешево) собрать на небольшом кусочке макетной платы. Такие схемы существуют уже давно, и хотя 555-й таймер не идеален, он работает, и вы можете достать его где угодно. Печатные платы для этих зарядовых насосов никогда не появятся по той простой причине, что при таком небольшом количестве деталей это было бы глупо.
Купить TC7660 на РадиоЛоцман.Цены
