Circuito de bomba de carga positiva y negativa

En un artículo anterior, le mostré cómo puede construir su propio circuito convertidor de voltaje de capacitor conmutado usando el clásico estándar industrial LMC7660 IC. Pero a menudo hay situaciones en las que no tiene un IC específico disponible o el costo de un IC adicional está arruinando la armonía de su BOM. Y aquí es donde nuestro querido temporizador 555 IC viene al rescate. Es por eso que para reducir el dolor de encontrar un chip específico para una aplicación específica y también para reducir el costo de BOM; vamos a utilizar nuestros amados temporizadores 555 para construir, demostrar y probar un circuito de bomba de carga positiva y negativa con un temporizador 555 IC.

¿Qué es un circuito de bomba de carga?

Una bomba de carga es un tipo de circuito que está hecho de diodos y condensadores configurando los diodos y condensadores en una configuración específica para obtener el voltaje de salida más alto que el voltaje de entrada o más bajo que el voltaje de entrada. Por menor, quiero decir voltaje negativo con respecto a tierra. Además, al igual que todos los circuitos, este circuito tiene algunas ventajas y desventajas que discutiremos más adelante en el artículo.

Para saber cómo funciona el circuito, primero debemos mirar el esquema de ambos, el refuerzo de la bomba de carga y el circuito del inversor de la bomba de carga.

Circuito de refuerzo de la bomba de carga

Para comprender mejor el circuito, supongamos que estamos usando diodos y capacitores ideales para construir el circuito que se muestra en la Figura-1. Además, asumimos que el circuito alcanzó un estado estable y los capacitores están completamente cargados. Además, no tenemos carga conectada a este circuito con estas condiciones en mente, el principio de funcionamiento se describe a continuación.

Con la ayuda de la Figura 1 y la Figura 2, explicaremos cómo funciona un circuito de bomba de carga.

Ahora supongamos que hemos conectado una señal PWM de un generador de señales y la señal oscila entre 0-5V.

Cuando la señal PWM de entrada en la ubicación 0 está en el estado 0 V, el voltaje en la ubicación 1 es de + 5 V o VCC. Entonces, es por eso que el capacitor se cargó hasta + 5V o VCC. Y en el siguiente ciclo, cuando la señal PWM cambia de 0 V a 5 V, el voltaje en la ubicación 1 es ahora + 10 V. Si observa la Figura 1. y la Figura 2. Puede observar por qué se duplicó el voltaje.

Se duplicó porque la referencia en el terminal del capacitor se tamizó y como la corriente no puede fluir en la dirección inversa a través del diodo debido a la acción del diodo, en la ubicación 1 terminamos con una onda cuadrada desplazada que está por encima del voltaje de polarización o voltaje de entrada. Ahora, puede comprender el efecto en la Figura 2, ubicación 1 de la forma de onda.

Después de eso, la señal se alimenta a un circuito rectificador de diodo único clásico para suavizar la onda cuadrada y obtener un voltaje de +10 V CC en la salida.

En la siguiente etapa en la ubicación 2, el voltaje es de + 10 V, puede verificar que en la Figura 1. Ahora, en el siguiente ciclo, vuelve a ocurrir el mismo fenómeno, terminamos con una salida de + 15 V en la ubicación 4 después de que se realiza la rectificación final con el diodo y los condensadores.

Así es como el circuito elevador de la bomba de carga funciona .

A continuación, veremos cómo funciona un inversor de bomba de carga o una bomba de carga negativa.

Inversor de la bomba de carga

La bomba de carga de voltaje negativo es un poco difícil de explicar, pero quédese conmigo y le explicaré cómo funciona.

En el primer ciclo en la ubicación 0 de la Figura 3, la señal de entrada es 0 V y no sucede nada, pero tan pronto como la señal PWM alcanza los 5 V en la ubicación 0, los condensadores comienzan a cargarse a través del diodo D1 y pronto lo harán. tener 5V en la ubicación-1. Y ahora tenemos un diodo que está en una condición de polarización directa, por lo que el voltaje se convertirá en 0 V en la ubicación 1 casi instantáneamente. Ahora, cuando la señal PWM de entrada vuelve a bajar, el voltaje en la ubicación 1 es 0V. En este momento la señal PWM restará el valor y obtendremos -5V en la ubicación 1.

Y ahora el clásico rectificador de diodo único hará su trabajo y convertirá la señal pulsada en una señal de CC suave y almacenará el voltaje en el condensador C2.

En la siguiente etapa del circuito, que es la ubicación-3 y la ubicación-4, el mismo fenómeno ocurrirá simultáneamente y obtendremos una CC constante de -10 V en la salida del circuito.

Y así es como funciona realmente el circuito de una bomba de carga negativa.

¡Nota! Tenga en cuenta que no mencioné la ubicación 2 en este punto porque, como puede ver en el circuito en la ubicación 2, el voltaje sería de -5V.

Componentes requeridos

• Temporizador NE555 IC - 2
• Regulador de voltaje LM7805 IC - 1
• Condensador de 0,1 uF - 4
• Condensador 0.01uF - 2
• Condensador 4.7uF - 8
• Diodo Schottky 1N5819 - 8
• Resistencia de 680 ohmios - 2
• Resistencia de 330 ohmios - 2
• Fuente de alimentación de 12V CC - 1
• Cable genérico de calibre único - 18
• Protoboard genérico - 1

Diagrama esquemático

Circuito para el amplificador de bomba de carga:

Circuito para el inversor de la bomba de carga:

Para la demostración, el circuito se construye en una placa de prueba sin soldadura con la ayuda del esquema. Todos los componentes se colocan lo más cerca y ordenados posible para disminuir el ruido y la ondulación no deseados.

Cálculos

La frecuencia PWM y el ciclo de trabajo del IC del temporizador 555 deben calcularse, por lo que he calculado la frecuencia y el ciclo de trabajo de los temporizadores 555 con la ayuda de esta herramienta Calculadora de circuito estable del temporizador 555.

Para el circuito práctico, he usado una frecuencia bastante alta de 10 kHz para reducir la ondulación en el circuito. A continuación se muestra el cálculo

Configuración de prueba para circuito de bomba de carga positiva y negativa

Para probar el circuito, se utilizan las siguientes herramientas y configuración,

1. Fuente de alimentación conmutada de 12V (SMPS)
2. Multímetro Meco 108B +
3. Multímetro Meco 450B +
4. Osciloscopio USB para PC Hantech 600BE

Para construir el circuito se utilizaron resistencias de película metálica al 1% y no se consideró la tolerancia de los condensadores. La temperatura ambiente fue de 30 grados Celsius durante el tiempo de prueba.

Aquí el voltaje de entrada es de 5V, he conectado mi suministro de 12V a un regulador de voltaje de 5V 7805. Entonces, el sistema total está alimentado por + 5V DC.

La imagen de arriba muestra que la frecuencia del IC del temporizador 555 es de 8 KHz, esto se debe a los factores de tolerancia de las resistencias y los condensadores.

A partir de las dos imágenes anteriores, puede calcular el ciclo de trabajo del circuito que resultó ser del 63%. Lo he medido de antemano, así que no voy a volver a calcularlo.

A continuación, en la imagen de arriba, se puede ver que el voltaje de salida cayó bastante tanto para el circuito del doblador de voltaje como para el inversor de voltaje, ya que he conectado una carga de 9.1K.

El flujo de corriente a través de la resistencia de 9.1K se puede calcular fácilmente mediante la ley de ohmios, que resultó ser 1.21mA para el circuito duplicador de voltaje y el circuito inversor de voltaje, resultó ser 0.64mA.

Ahora, solo por diversión, veamos qué sucede si conectamos una resistencia de 1K como carga. Y puede ver el circuito duplicador de voltaje donde no está en un estado para usarse para alimentar nada.

Y la ondulación en el terminal de salida es fenomenal. y ciertamente arruinará su día si intenta alimentar algo con este tipo de fuente de alimentación.

Para aclarar, aquí están algunas de las tomas de cerca del circuito.

Mejora adicional

1. El circuito se puede modificar aún más para satisfacer la necesidad específica de una aplicación específica.
2. Para producir mejores resultados, el circuito puede integrarse en una placa de circuito impreso o PCB.
3. Se puede agregar un potenciómetro para mejorar aún más la frecuencia de salida de los circuitos 555
4. La ondulación se puede reducir utilizando un condensador de valor más alto o simplemente utilizando una señal PWM de frecuencia más alta.
5. Se puede agregar un LDO a la salida del circuito para obtener un voltaje de salida relativamente constante.

Aplicaciones

Este circuito se puede utilizar para muchas aplicaciones diferentes como:

1. Puedes conducir un amplificador operacional con este circuito
2. También se puede controlar una pantalla LCD con la ayuda de este circuito.
3. Con la ayuda del circuito inversor de voltaje Op-Amps con alimentación de doble polaridad.
4. También puede controlar circuitos de preamplificador que requieren un suministro de + 12V para llegar a una condición de funcionamiento.

Espero que les haya gustado este artículo y hayan aprendido algo nuevo de él. Si tiene alguna duda, puede preguntar en los comentarios a continuación o puede utilizar nuestros foros para una discusión detallada.