Circuito pompa di carica

La situazione è semplice: hai una linea di alimentazione a bassa tensione, diciamo 3,3 V, e vuoi alimentare qualcosa che necessita di 5 V. Questa è una chiamata difficile, soprattutto se sono coinvolte le batterie. L'unico modo apparente è un convertitore di modalità switch, più specificamente un convertitore boost.

È qui che incontriamo un ostacolo: i convertitori boost sono inefficienti a basse potenze, poiché molta energia viene consumata solo per mantenere la regolazione in vigore e azionare l'interruttore di alimentazione. Inoltre, i convertitori di modalità switch di questo tipo sono rumorosi: questo è un problema se hai a che fare con circuiti sensibili. Sei nella scomoda posizione di una soluzione ingegnerizzata. I regolatori lineari non funzionano al contrario, quindi è escluso come sotto-ingegnerizzato.

Quindi dove tracciamo il confine tra ingegnerizzato e sotto-ingegnerizzato?

La risposta a questo problema è la pompa di carica, che di per sé è una sorta di alimentatore a commutazione. Come suggerisce il nome, questo tipo di convertitore sposta le cariche discrete e il componente che immagazzina queste cariche discrete è il condensatore, quindi questo tipo di convertitore è anche chiamato convertitore di condensatori volanti.

Una pompa di carica crea multipli discreti della tensione di ingresso utilizzando condensatori.

Come funziona una pompa di carica?

Il modo migliore per capirlo è immaginare la seguente situazione.

Si carica un condensatore utilizzando una batteria da 9V, quindi anche la tensione ai capi del condensatore è di 9V. Quindi prendi un altro condensatore e lo carichi fino a 9V. Ora collega i due condensatori in serie e misura la tensione su di essi - 18V.

Questo è il principio di base del funzionamento della pompa di carica: prendi due condensatori, caricali individualmente e poi mettili in serie, anche se in una vera pompa di carica la riorganizzazione avviene elettronicamente.

Naturalmente questo non è limitato a due soli condensatori, è possibile collegare in cascata stadi successivi per ottenere tensioni più elevate in uscita.

Limitazioni delle pompe di carica

Prima di costruirne uno, è una buona idea conoscere i limiti delle pompe di carica.

1. Corrente di uscita disponibile - poiché le pompe di carica non sono altro che condensatori che vengono caricati e scaricati in cicli, la corrente disponibile è molto bassa - ci sono rari casi in cui l'uso del chip giusto può ottenere 100 mA, ma a basse efficienze.

2. Più stadi si aggiungono non significa che l'uscita di tensione aumenti di tante volte: ogni stadio carica l'uscita dello stadio precedente, quindi l' uscita non è un multiplo perfetto dell'ingresso. Questo problema peggiora con il numero di fasi che aggiungi.

Costruzione di un circuito della pompa di carica

Il circuito mostrato qui è per una semplice pompa di carica a tre stadi che utilizza il sempreverde 555 timer IC. In un certo senso, questo circuito è "modulare": gli stadi possono essere collegati in cascata per aumentare la tensione di uscita (tenendo presente la limitazione numero due).

Componenti richiesti

1. Per l'oscillatore 555

• Timer 555 - variante bipolare
• Condensatore elettrolitico 10uF (disaccoppiamento)
• Condensatore ceramico 2x 100nF (disaccoppiamento)
• Condensatore ceramico 100pF (temporizzazione)
• Resistenza 1K (temporizzazione)
• Resistenza 10K (temporizzazione)

2. Per la pompa di carica

• 6 diodi IN4148 (consigliato anche UF4007)
• Condensatori elettrolitici 5x 10uF
• Condensatore elettrolitico 100uF

Una cosa importante da notare è che tutti i condensatori utilizzati nella pompa di carica devono essere classificati per alcuni volt in più rispetto alla tensione di uscita prevista.

Schema elettrico

Ecco come appare sulla breadboard:

Descrizione del circuito della pompa di carica

1. Il 555 Timer

Il circuito mostrato qui è un semplice oscillatore regolabile con timer 555. I componenti di temporizzazione risultano in una frequenza di circa 500kHz (che per un bipolare 555 è un'impresa in sé). Questa alta frequenza assicura che i condensatori sulla pompa di carica vengano "rinfrescati" periodicamente in modo che la tensione sull'uscita non abbia troppe ondulazioni.

2. La pompa di carica

Questa è la parte più intimidatoria dell'intero circuito. Come la maggior parte delle altre cose, può essere compreso suddividendolo in una singola unità:

Supponiamo che il pin 3, l'uscita del timer 555, sia basso durante l'avvio. Ciò si traduce nella carica del condensatore attraverso il diodo poiché il terminale negativo è ora collegato a terra. Quando l'uscita diventa alta, anche il pin negativo diventa alto, ma poiché c'è già una carica sul condensatore (che non può andare da nessuna parte a causa del diodo) la tensione vista al terminale positivo del condensatore è effettivamente il doppio della tensione di ingresso.

Ecco il terminale positivo del condensatore:

Il risultato finale è che stai effettivamente aggiungendo un offset di V _CC all'uscita del timer 555.

Ora questa tensione direttamente come uscita è inutile, poiché c'è un'enorme ondulazione del 50%. Per risolvere questo problema, aggiungiamo un rilevatore di picco come mostrato nella figura seguente:

Questa è l'uscita del circuito sopra:

E abbiamo raddoppiato con successo l'uscita di tensione!

Suggerimenti per la costruzione del circuito

Il bipolare 555 è noto per i picchi di alimentazione che genera sulla guida di alimentazione, poiché lo stadio di uscita push-pull quasi accorcia l'alimentazione durante le transizioni. Quindi il disaccoppiamento è obbligatorio.

Farò una breve deviazione per dirti qualcosa sul corretto disaccoppiamento.

Ecco il pin V _CC dell'oscillatore senza alcun disaccoppiamento:

Ed ecco lo stesso pin con il corretto disaccoppiamento:

Puoi vedere chiaramente la differenza che fa un po 'di disaccoppiamento.

I condensatori SMD ceramici a bassa induttanza sono consigliati per lo stadio della pompa di carica. Anche i diodi Schottky con una bassa caduta di tensione diretta migliorano le prestazioni.

L'uso di un CMOS 555 con uno stadio di uscita appropriato (forse anche un gate driver come il TC4420) può ridurre (ma non eliminare) i picchi di alimentazione.

Varianti della pompa di carica

Le pompe di carica non solo aumentano la tensione, ma possono essere utilizzate per invertire la polarità della tensione.

Questo circuito funziona allo stesso modo del duplicatore di tensione: quando l'uscita 555 diventa alta, il tappo si carica e quando l'uscita va bassa la carica viene tirata attraverso il secondo condensatore nella direzione inversa, creando una tensione negativa sull'uscita.

Dove si usa una pompa di carica?

• Alimentazione bipolare per amplificatori operazionali in un circuito in cui è disponibile una sola tensione. Gli amplificatori operazionali non consumano molta corrente, quindi si adattano perfettamente. La cosa bella di questo è che un inverter e un duplicatore possono essere pilotati dalla stessa uscita, creando, diciamo, un'alimentazione a ± 12V da un'alimentazione a 5V.
• Gate driver: il bootstrap è un'opzione, ma una pompa di carica ha il potenziale per generare una tensione più elevata, ad esempio con un gate drive a 12V da un'alimentazione a 3,3 V. Il bootstrap non ti darebbe più di 7V in questo caso.

Quindi le pompe di carica sono dispositivi semplici ed efficienti utilizzati per creare multipli discreti della tensione di ingresso.