Circuito de bomba de carga

La situación es simple: tiene un riel de suministro de bajo voltaje, digamos 3.3V, y desea alimentar algo que necesita 5V. Esta es una decisión difícil, especialmente si se trata de baterías. La única forma aparente es un convertidor de modo de conmutación, más específicamente un convertidor elevador.

Aquí es donde nos encontramos con un obstáculo: los convertidores impulsores son ineficientes a bajas potencias, ya que se consume mucha energía solo para mantener la regulación en el punto y accionar el interruptor de encendido. Además, los convertidores de modo de conmutación de este tipo son ruidosos; esto es un problema si se trata de circuitos sensibles. Se encuentra en la incómoda posición de una solución de ingeniería excesiva. Los reguladores lineales no funcionan a la inversa, por lo que se descarta por tener poca ingeniería.

Entonces, ¿dónde trazamos la línea divisoria entre ingeniería excesiva y ingeniería insuficiente?

La respuesta a este problema es la bomba de carga, que en sí misma es una especie de fuente de alimentación conmutada. Como sugiere el nombre, este tipo de convertidor mueve cargas discretas y el componente que almacena estas cargas discretas es el condensador, por lo que este tipo de convertidor también se llama Convertidor de condensador volador.

Una bomba de carga crea múltiplos discretos del voltaje de entrada usando condensadores.

¿Cómo funciona una bomba de carga?

La mejor forma de entender esto es imaginar la siguiente situación.

Carga un condensador con una batería de 9 V, por lo que el voltaje en el condensador también es de 9 V. Luego, toma otro capacitor y lo carga hasta 9V también. Ahora conecte los dos condensadores en serie y mida el voltaje entre ellos: 18V.

Este es el principio básico de funcionamiento de la bomba de carga: tome dos condensadores, cárguelos individualmente y luego colóquelos en serie, aunque en una bomba de carga real la reorganización se realiza electrónicamente.

Por supuesto, esto no se limita a solo dos condensadores, las etapas sucesivas se pueden conectar en cascada para obtener voltajes más altos en la salida.

Limitaciones de las bombas de carga

Antes de construir una, es una buena idea conocer las limitaciones de las bombas de carga.

1. Corriente de salida disponible: dado que las bombas de carga no son más que condensadores que se cargan y descargan en ciclos, la corriente disponible es muy baja; hay casos raros en los que el uso del chip correcto puede proporcionar 100 mA, pero con bajas eficiencias.

2. Cuantas más etapas agregue, no significa que la salida de voltaje aumente tantas veces; cada etapa carga la salida de la etapa anterior, por lo que la salida no es un múltiplo perfecto de la entrada. Este problema empeora cuanto más etapas agrega.

Construcción de un circuito de bomba de carga

El circuito que se muestra aquí es para una bomba de carga simple de tres etapas que usa el IC temporizador 555 de hoja perenne. En cierto sentido, este circuito es 'modular': las etapas se pueden conectar en cascada para aumentar el voltaje de salida (con la limitación número dos en mente).

Componentes requeridos

1. Para el oscilador 555

• Temporizador 555 - variante bipolar
• Condensador electrolítico de 10uF (desacoplamiento)
• Condensador cerámico 2x 100nF (desacoplamiento)
• Condensador cerámico de 100pF (temporización)
• Resistencia de 1K (temporización)
• Resistencia de 10K (temporización)

2. Para la bomba de carga

• 6 diodos IN4148 (también se recomienda UF4007)
• 5 condensadores electrolíticos de 10 uF
• Condensador electrolítico 100uF

Una cosa importante a tener en cuenta es que todos los condensadores utilizados en la bomba de carga deben tener una capacidad nominal de unos pocos voltios más que el voltaje de salida esperado.

Diagrama de circuito

Así es como se ve en la placa de pruebas:

Descripción del circuito de la bomba de carga

1. El temporizador 555

El circuito que se muestra aquí es un sencillo oscilador astable con temporizador 555. Los componentes de tiempo dan como resultado una frecuencia de alrededor de 500 kHz (que para un 555 bipolar es una hazaña en sí misma). Esta alta frecuencia asegura que los condensadores de la bomba de carga se "actualicen" periódicamente para que el voltaje en la salida no tenga demasiada ondulación.

2. La bomba de carga

Esta es la parte más intimidante de todo el circuito. Como la mayoría de las otras cosas, se puede entender dividiéndolo en una sola unidad:

Supongamos que el pin 3, la salida del temporizador 555, está baja durante el inicio. Esto da como resultado que el condensador se cargue a través del diodo, ya que el terminal negativo ahora está conectado a tierra. Cuando la salida sube, el pin negativo también sube, pero como ya hay una carga en el condensador (que no puede ir a ninguna parte debido al diodo), el voltaje visto en el terminal positivo del condensador es efectivamente el doble del voltaje de entrada.

Aquí está el terminal positivo del condensador:

El resultado final es que está agregando efectivamente una compensación de V _CC a la salida del temporizador 555.

Ahora bien, este voltaje directamente como salida es inútil, ya que hay una ondulación masiva del 50%. Para resolver esto, agregamos un detector de picos como se muestra en la siguiente figura:

Esta es la salida del circuito anterior:

¡Y hemos duplicado con éxito la salida de voltaje!

Consejos para la construcción de circuitos

El 555 bipolar es conocido por los picos de suministro que genera en el riel de suministro, ya que la etapa de contrafase de salida casi corta el suministro durante las transiciones. Entonces el desacoplamiento es obligatorio.

Tomaré un desvío rápido para contarles algo sobre el desacoplamiento adecuado.

Aquí está el pin V _CC del oscilador sin ningún desacoplamiento:

Y aquí está el mismo pin con el desacoplamiento adecuado:

Puede ver claramente la diferencia que hace un poco de desacoplamiento.

Se recomiendan condensadores SMD cerámicos de baja inductancia para la etapa de bomba de carga. Los diodos Schottky con una baja caída de tensión directa también mejoran el rendimiento.

El uso de un CMOS 555 con una etapa de salida adecuada (tal vez incluso un controlador de puerta como el TC4420) puede reducir (pero no eliminar) los picos de suministro.

Variaciones de la bomba de carga

Las bombas de carga no solo aumentan el voltaje, sino que pueden usarse para invertir la polaridad del voltaje.

Este circuito funciona de la misma manera que el duplicador de voltaje: cuando la salida del 555 sube, la tapa se carga y cuando la salida baja, la carga pasa a través del segundo condensador en la dirección inversa, creando un voltaje negativo en la salida.

¿Dónde uso una bomba de carga?

• Suministro de bipolaridad para amplificadores operacionales en un circuito donde solo está disponible un voltaje. Los amplificadores operacionales no consumen mucha corriente, por lo que es un ajuste perfecto. Lo bueno de esto es que un inversor y un duplicador pueden manejarse desde la misma salida, creando, digamos, un suministro de ± 12V desde un suministro de 5V.
• Controladores de puerta: el arranque es una opción, pero una bomba de carga tiene el potencial de generar un voltaje más alto, por ejemplo, con un controlador de puerta de 12V de un suministro de 3.3V. Bootstrapping no le daría más de 7V en este caso.

Entonces, las bombas de carga son dispositivos simples y eficientes que se utilizan para crear múltiplos discretos del voltaje de entrada.