在上一篇文章中，我已經(jīng)向您展示了如何使用經(jīng)典的工業(yè)標準LMC7660 IC構建自己的開關電容電壓轉(zhuǎn)換器電路。但是通常情況下，當您沒有特定的IC可用或額外IC的成本破壞了BOM的和諧時。這就是我們心愛的555定時器IC來拯救的地方。這就是為什么要減少為特定應用尋找特定芯片的痛苦，并降低BOM成本;我們將使用我們心愛的555定時器來構建，演示和測試帶有555定時器IC的正負電荷泵電路。

什么是電荷泵電路?

電荷泵是一種由二極管和電容器組成的電路，通過將二極管和電容器配置成特定的配置，使輸出電壓高于輸入電壓或低于輸入電壓。我說的低，是指相對于地的負電壓。此外，像每個電路一樣，這種電路有一些優(yōu)點和缺點，我們將在文章后面討論。

要知道電路是如何工作的，我們需要研究兩者的原理圖，首先是電荷泵升壓電路和電荷泵逆變電路。

電荷泵升壓電路

為了更好地理解電路，讓我們假設我們正在使用理想的二極管和電容器來構建如圖1所示的電路。同樣，我們假設電路達到穩(wěn)定狀態(tài)，電容器充滿電。此外，我們沒有負載連接到這個電路，考慮到這些條件，工作原理如下所述。

借助圖1和圖2，我們將解釋電荷泵電路的工作原理。

現(xiàn)在讓我們假設我們已經(jīng)連接了來自信號發(fā)生器的PWM信號，并且信號在0-5V范圍內(nèi)振蕩。

當位置-0的輸入PWM信號為0V時，位置-1的電壓為+5V或VCC。所以，這就是為什么電容器被充電到+5V或VCC。在下一個周期中，當PWM信號從0V切換到5V時，位置1的電壓現(xiàn)在為+10V。如果您觀察圖1。&圖2你可以觀察到為什么電壓會翻倍。

它翻了一倍，因為電容器終端的參考被篩選，由于二極管的作用，電流不能在反向流過二極管，所以，在位置1，我們最終得到一個移位的方波，它高于偏置電壓或輸入電壓。現(xiàn)在，您可以理解圖2中波形位置1的效果。

之后，信號被饋送到經(jīng)典的單二極管整流電路以平滑方波并在輸出處獲得+10V直流電壓。

在位置2的下一階段，電壓為+10V，您可以從圖1中驗證。現(xiàn)在在下一個周期中，同樣的現(xiàn)象再次發(fā)生，在二極管和電容器完成最終整流后，我們最終在位置4處獲得+15V輸出。

這就是電荷泵升壓電路的工作原理。

接下來，我們將看到電荷泵逆變器或負電荷泵是如何工作的。

電荷泵逆變器

負電壓電荷泵是有點棘手的解釋，但請留在我，我會解釋它是如何工作的。

在圖3位置-0的第一個周期中，輸入信號為0V，沒有任何事情發(fā)生，但是一旦PWM信號在位置-0達到5V，電容器開始通過二極管D1充電，很快它將在位置-1具有5V?，F(xiàn)在我們有一個處于正偏置狀態(tài)的二極管，所以在位置1的電壓幾乎瞬間變?yōu)?V?，F(xiàn)在，當輸入PWM信號再次變低時，位置-1的電壓為0V。此時，PWM信號將減去值，我們將在位置1處獲得-5V。

現(xiàn)在，經(jīng)典的單二極管整流器將完成它的工作，將脈沖信號轉(zhuǎn)換成平滑的直流信號，并將電壓存儲在電容器C2中。

在電路的下一階段，即位置3和位置4，同樣的現(xiàn)象將同時發(fā)生，我們將在電路的輸出處得到一個穩(wěn)定的-10V DC。

這就是負電荷泵電路的工作原理。

注意!請注意，我在這一點上沒有提到位置2，因為正如你可以從位置2的電路中看到的，電壓將是-5V。

組件的要求

?定時器IC - 2

?LM7805穩(wěn)壓器IC - 1

?0.1 uF電容器- 4

?0.01uF電容器- 2

?4.7uF電容器- 8

?肖特基二極管- 8

?680歐姆電阻- 2

?330歐姆電阻- 2

?12V直流電源- 1

?通用單規(guī)格線- 18

?通用面包板- 1

原理圖

電荷泵增壓器電路：

電荷泵逆變器電路：

為了演示，在原理圖的幫助下，電路在無焊面包板上構造。所有的組件都放置得盡可能的緊密和整潔，以減少不必要的噪音和紋波。

計算

需要計算555定時器IC的PWM頻率和占空比，因此，我已經(jīng)在555定時器穩(wěn)定電路計算器工具的幫助下計算了555定時器的頻率和占空比。

對于實際電路，我使用了相當高的10 kHz頻率，以減少電路中的紋波。計算結(jié)果如下所示

正負電荷泵電路測試裝置

為了測試電路，使用以下工具和設置：

?12V開關電源(SMPS)

?Meco 108B+萬用表

?Meco 450B+萬用表

?漢科600BE USB PC示波器

該電路采用1%的金屬膜電阻，不考慮電容的容差。在測試期間，室溫為30攝氏度。

這里輸入電壓為5V，我已將12V電源連接到5V 7805穩(wěn)壓器。所以整個系統(tǒng)由+5V直流供電。

上圖顯示555定時器IC的頻率為8KHz，這是因為電阻和電容的容差因素。

從上面兩幅圖中，你可以計算電路的占空比，結(jié)果是63%。我已經(jīng)事先測量過了，所以我不打算再計算一次。

接下來在上面的圖像中，可以看到輸出電壓下降了相當多的倍壓器和電壓逆變器電路，因為我已經(jīng)連接了一個9.1K的負載。

根據(jù)歐姆定律可以很容易地計算出通過9.1K電阻的電流，倍壓電路的電流為1.21mA，電壓逆變電路的電流為0.64mA。

現(xiàn)在只是為了好玩，讓我們看看如果我們連接一個1K的電阻作為負載會發(fā)生什么。你可以看到倍壓電路，它不是在一個狀態(tài)，用來為任何東西供電。

輸出端的紋波是驚人的。如果你想用這種電源給任何東西供電，肯定會毀了你的一天。

為了澄清，這里有一些電路的特寫鏡頭。

進一步增強

?電路可以進一步修改以滿足特定應用的特定需要。

?為了產(chǎn)生更好的結(jié)果，可以將電路內(nèi)置到穿孔板或PCB中。

?可以增加一個電位器來進一步提高555電路的輸出頻率

?紋波可以通過使用更高值的電容器或使用更高頻率的PWM信號來減少。

?一個LDO可以添加到電路的輸出，以獲得一個相對恒定的輸出電壓。

應用程序

該電路可用于許多不同的應用，如：

?你可以用這個電路驅(qū)動運算放大器

?LCD也可以在此電路的幫助下驅(qū)動。

?借助電壓逆變電路實現(xiàn)雙極性供電運放。

?您還可以驅(qū)動需要+12V電源的前置放大器電路以達到操作條件。

本文編譯自circuitdigest