In questo articolo impariamo come realizzare un paio di semplici circuiti duplicatori di tensione da CC a CC utilizzando un singolo IC 4049 e IC 555 insieme ad alcuni altri componenti passivi.

Se ti stai chiedendo come utilizzare un semplice IC 555 per creare un potente circuito duplicatore di tensione, questo articolo ti aiuterà a comprendere i dettagli e costruire il design a casa.

Cos'è un duplicatore di tensione

Un duplicatore di tensione è un circuito che utilizza solo diodi e condensatori per aumentare una tensione di ingresso in un'uscita di tensione più alta, il doppio dell'ampiezza dell'ingresso.

Se sei nuovo al concetto di duplicatore di tensione e desideri apprenderlo in profondità, abbiamo un buon articolo elaborato in questo sito web che spiega diversi circuiti moltiplicatori di tensione per tua referenza.

Il concetto di moltiplicatore di tensione è stato scoperto per la prima volta e utilizzato praticamente dai fisici britannici e irlandesi John Douglas Cockcroft ed Ernest Thomas Sinton Walton, quindi è anche chiamato Generatore di Cockcroft – Walton (CW).

Un buon esempio di progetto di un moltiplicatore di tensione può essere studiato attraverso questo articolo che sfrutta il concetto di generazione di aria ionizzata per purificare l'aria nelle abitazioni .

Un circuito duplicatore di tensione è anche una forma di moltiplicatore di tensione in cui lo stadio diodo / condensatore è limitato a un solo paio di stadi, in modo che l'uscita possa produrre una tensione che può essere il doppio della tensione di alimentazione.

“555 timer ritardo off circuito ”

Poiché tutti i circuiti moltiplicatori di tensione richiedono obbligatoriamente un ingresso CA o un ingresso pulsante, un circuito oscillatore diventa essenziale per ottenere i risultati.

Dettagli piedinatura IC 555

Dettagli pinout IC 555, massa, Vcc, reset, soglia, scarica, tensione di controllo

Schema del circuito del duplicatore di tensione con IC 555

Facendo riferimento all'esempio sopra, possiamo vedere un circuito IC 555 configurato come uno stadio multivibratore astabile, che in realtà è una forma di oscillatore ed è progettato per produrre una CC pulsante (ON / OFF) al suo pin di uscita n. 3.

Se ricordi, ne avevamo discusso un circuito torcia LED in questo sito web, che utilizza in modo abbastanza identico un circuito duplicatore di tensione, sebbene la sezione dell'oscillatore sia creata utilizzando un gate IC 4049.

Fondamentalmente, puoi sostituire lo stadio IC 555 con qualsiasi altro circuito oscillatore e ottenere comunque l'effetto di raddoppio della tensione.

Tuttavia, l'utilizzo di IC 555 ha un leggero vantaggio poiché questo IC è in grado di generare più corrente di qualsiasi altro circuito oscillatore basato su IC senza utilizzare alcuno stadio amplificatore di corrente esterno.

Come funziona lo stadio di raddoppio della tensione

Come si può vedere nel diagramma sopra, la moltiplicazione della tensione effettiva è implementata dallo stadio D1, D2, C2, C3, che sono configurati come una rete moltiplicatrice di tensione a due stadi a mezzo ponte.

Simulare questa fase in risposta alla situazione del pin n. 3 dell'IC 555 può essere un po 'difficile e sto ancora lottando per farlo funzionare correttamente nel mio cervello.

Secondo la mia simulazione mentale, il funzionamento dello stadio duplicatore di tensione menzionato può essere spiegato come indicato nei seguenti punti:

Quando il pin di uscita IC # 3 è nella sua logica bassa o livello di massa, D1 è in grado di caricare C2, poiché è in grado di essere polarizzato in avanti attraverso il potenziale negativo di C2 e del pin # 3, anche simultaneamente C3 viene caricato tramite D1 e D2 .
Ora, nell'istante successivo, non appena il pin # 3 diventa ad alta logica o al potenziale di alimentazione positivo, le cose si confondono leggermente.
Qui C2 non è in grado di scaricare tramite D1, quindi abbiamo un'uscita del livello di alimentazione da D1, da C2 e anche da C3.
Molti degli altri siti online dicono che a questo punto la tensione immagazzinata all'interno di C2 e il positivo di D1 dovrebbero combinarsi con l'uscita di C3 per produrre una tensione raddoppiata, tuttavia ciò non ha senso.
Perché, quando le tensioni si combinano in parallelo, la tensione netta non aumenta. Le tensioni devono combinarsi in serie per provocare il boosting desiderato o l'effetto di raddoppio.
L'unica spiegazione logica che può essere derivata è che, quando il pin # 3 diventa alto, essendo il negativo di C2 a livello positivo e la sua estremità positiva mantenuta anche a livello di alimentazione, è costretto a produrre un impulso di carica inversa che si somma con il C3 carica, provocando un picco potenziale istantaneo avente una tensione di picco doppia rispetto a quella del livello di alimentazione.

Se hai una spiegazione migliore o tecnicamente più corretta, sentiti libero di spiegarla attraverso i tuoi commenti.

Quanta corrente?

Il pin n. 3 dell'IC è assegnato per fornire una corrente massima di 200 mA, pertanto la corrente di picco massima può essere prevista a questo livello di 200 mA, tuttavia i picchi si restringeranno a seconda dei valori C2, C3. Condensatori di valore più alto potrebbero consentire un trasferimento di corrente più completo attraverso l'uscita, quindi assicurati che i valori C2, C3 siano selezionati in modo ottimale, circa 100uF / 25V saranno appena sufficienti

Un'applicazione pratica

Sebbene un circuito duplicatore di tensione possa essere utile per molte applicazioni di circuiti elettronici, un'applicazione per hobby potrebbe essere quella di illuminare un LED ad alta tensione da una sorgente a bassa tensione, come mostrato di seguito:

Circuito duplicatore di tensione IC 555 con LED

Nello schema circuitale sopra possiamo vedere come il circuito viene utilizzato per illuminare una lampadina LED da 9V da una fonte di alimentazione 5V, cosa che normalmente sarebbe impossibile se i 5V fossero applicati direttamente sul LED.

Relazione tra frequenza, PWM e livello di uscita in tensione

La frequenza in qualsiasi circuito duplicatore di tensione non è cruciale, tuttavia una frequenza più veloce ti aiuterà a ottenere risultati migliori rispetto alle frequenze più lente.

Allo stesso modo per la gamma PWM, il ciclo di lavoro dovrebbe essere di circa il 50%, impulsi più stretti causeranno una riduzione corrente in uscita , mentre impulsi troppo ampi non consentiranno ai relativi condensatori di scaricarsi in modo ottimale, risultando nuovamente in una potenza di uscita inefficace.

Nel discusso circuito astabile IC 555, R1 può essere ovunque tra 10K e 100K, questo resistore insieme al C1 decide la frequenza. Di conseguenza, C1 può essere ovunque tra 50 nF e 0,5 uF.

R2 fondamentalmente ti consentirà di controllare il PWM, quindi questo può essere trasformato in un resistore variabile tramite un potenziometro da 100 K.

Utilizzo di porte IC 4049 NOT

Il seguente circuito basato su IC CMOS può essere utilizzato per raddoppiare qualsiasi tensione sorgente CC (fino a 15 V CC). Il design presentato raddoppierà qualsiasi tensione compresa tra 4 e 15 V CC e sarà in grado di far funzionare carichi a una corrente non superiore a 30 mA.

Come si può vedere nel diagramma, questo circuito duplicatore di tensione CC impiega un solo IC 4049 per ottenere il risultato proposto.

Pinout IC 4049

Funzionamento del circuito

L'IC 4049 ha sei porte in tutto che sono tutte efficaci per generare le azioni di raddoppio della tensione discusse. Due dei gate dei sei sono configurati come un oscillatore.

L'estrema sinistra del diagramma mostra la sezione dell'oscillatore.

Il resistore da 100 K e il condensatore da 0,01 costituiscono i componenti di base che determinano la frequenza.
Una frequenza è obbligatoriamente richiesta se è necessario implementare azioni di gradino di tensione, quindi anche qui diventa necessario il coinvolgimento di un oscillatore.

Queste oscillazioni diventano utili per avviare la carica e la scarica di una serie di condensatori in uscita che equivale alla moltiplicazione della tensione attraverso la serie di condensatori in modo tale che il risultato diventi il doppio della tensione di alimentazione applicata.

Tuttavia la tensione proveniente dall'oscillatore non può essere preferibilmente applicata direttamente ai condensatori, bensì avviene tramite un gruppo di gate dell'IC disposti in modo parallelo.

Queste porte parallele insieme producono un buon tamponamento alla frequenza applicata dalle porte del generatore in modo che la frequenza risultante sia più forte rispetto alla corrente e non vacilli con carichi relativamente più alti alle uscite.

Tuttavia, tenendo sempre presenti le specifiche di un CI CMOS, non ci si può aspettare che la capacità di gestione della corrente di uscita sia superiore a 40 mA.

Carichi superiori a questo provocheranno il deterioramento del livello di tensione verso il livello di alimentazione.

I valori del condensatore di uscita possono essere aumentati a 100uF per ottenere livelli di efficienza ragionevolmente più elevati dal circuito.

Con 12 volt come ingresso di alimentazione all'IC, è possibile acquisire un'uscita di circa 22 volt da questo circuito duplicatore di tensione basato su IC 4049.