Circuito da bomba de carga

A situação é simples - você tem um barramento de alimentação de baixa tensão, digamos 3,3 V, e deseja alimentar algo que precisa de 5 V. Esta é uma decisão difícil, especialmente se houver baterias envolvidas. A única maneira aparente é um conversor de modo switch, mais especificamente um conversor boost.

É aqui que nos deparamos com um obstáculo - os conversores boost são ineficientes em potências baixas, uma vez que muita energia é consumida apenas para manter a regulação no ponto e acionar o interruptor de alimentação. Além disso, os conversores de modo switch deste tipo são barulhentos - isso é um problema se você estiver lidando com circuitos sensíveis. Você está na posição desconfortável de uma solução com excesso de engenharia. Os reguladores lineares não funcionam ao contrário, então isso é descartado como sub-engenharia.

Então, onde traçamos a linha entre a super engenharia e a falta de engenharia?

A resposta para esse problema é a Bomba de carga - que por si só é uma espécie de fonte de alimentação comutada. Como o nome sugere, esse tipo de conversor movimenta cargas discretas e o componente que armazena essas cargas discretas é o capacitor, portanto, esse tipo de conversor também é chamado de Conversor de Capacitor Voador.

Uma bomba de carga cria múltiplos discretos da tensão de entrada usando capacitores.

Como funciona uma bomba de carga?

A melhor maneira de entender isso é imaginar a seguinte situação.

Você carrega um capacitor usando uma bateria de 9 V, de modo que a tensão no capacitor também é de 9 V. Então você pega outro capacitor e carrega até 9V também. Agora conecte os dois capacitores em série e meça a tensão entre eles - 18V.

Este é o princípio básico de operação da bomba de carga - pegue dois capacitores, carregue-os individualmente e depois coloque-os em série, embora em uma bomba de carga real o rearranjo seja feito eletronicamente.

É claro que isso não está limitado a apenas dois capacitores, estágios sucessivos podem ser colocados em cascata para obter tensões mais altas na saída.

Limitações das bombas de carga

Antes de construirmos uma, é uma boa ideia conhecer as limitações das bombas de carga.

1. Corrente de saída disponível - como as bombas de carga nada mais são do que capacitores que são carregados e descarregados em ciclos, a corrente disponível é muito baixa - há casos raros em que usar o chip certo pode obter 100mA, mas com baixa eficiência.

2. Quanto mais estágios você adiciona, não significa que a saída de tensão aumenta tantas vezes - cada estágio carrega a saída do estágio anterior, portanto, a saída não é um múltiplo perfeito da entrada. Esse problema fica pior à medida que mais estágios você adiciona.

Construindo um Circuito de Bomba de Carga

O circuito mostrado aqui é para uma bomba de carga de três estágios simples que usa o CI temporizador 555 perene. Em certo sentido, este circuito é 'modular' - os estágios podem ser colocados em cascata para aumentar a tensão de saída (com a limitação número dois em mente).

Componentes necessários

1. Para o oscilador 555

Temporizador 555 - variante bipolar
Capacitor eletrolítico de 10uF (desacoplamento)
2x capacitor de cerâmica 100nF (desacoplamento)
Capacitor de cerâmica 100pF (tempo)
Resistor 1K (tempo)
Resistor de 10K (tempo)

2. Para a bomba de carga

6x diodos IN4148 (UF4007 também recomendado)
5x 10uF capacitores eletrolíticos
Capacitor eletrolítico 100uF

Uma coisa importante a observar é que todos os capacitores usados na bomba de carga devem ser classificados para alguns volts a mais do que a tensão de saída esperada.

Diagrama de circuito

É assim que fica na placa de ensaio:

Descrição do circuito da bomba de carga

1. O cronômetro 555

O circuito mostrado aqui é um oscilador astável com temporizador 555 direto. Os componentes de tempo resultam em uma frequência de cerca de 500 kHz (o que para um bipolar 555 é uma façanha em si). Essa alta frequência garante que os capacitores na bomba de carga sejam 'atualizados' periodicamente para que a tensão na saída não tenha muita ondulação.

2. A bomba de carga

Esta é a parte mais intimidante de todo o circuito. Como a maioria das outras coisas, pode ser entendido dividindo-o em uma única unidade:

Vamos supor que o pino 3, a saída do temporizador 555, esteja baixo durante a inicialização. Isso resulta na carga do capacitor através do diodo, já que o terminal negativo agora está aterrado. Quando a saída fica alta, o pino negativo também fica alto - mas como já existe uma carga no capacitor (que não pode ir a lugar nenhum por causa do diodo), a tensão vista no terminal positivo do capacitor é efetivamente o dobro da tensão de entrada.

Aqui está o terminal positivo do capacitor:

O resultado final é que você está efetivamente adicionando um deslocamento de V _CC à saída do temporizador 555.

Agora, essa tensão diretamente como uma saída é inútil, já que há uma ondulação massiva de 50%. Para resolver isso, adicionamos um detector de pico, conforme mostrado na figura abaixo:

Esta é a saída do circuito acima:

E duplicamos com sucesso a saída de tensão!

Dicas de construção de circuitos

O bipolar 555 é conhecido pelos picos de alimentação que gera no trilho de alimentação, uma vez que o estágio push-pull de saída quase encurta a alimentação durante as transições. Portanto, o desacoplamento é obrigatório.

Farei um rápido desvio para lhe dizer algo sobre o desacoplamento adequado.

Aqui está o pino V _CC do oscilador sem qualquer desacoplamento:

E aqui está o mesmo pino com desacoplamento adequado:

Você pode ver claramente a diferença que um pouco de desacoplamento faz.

Capacitores SMD de cerâmica de baixa indutância são recomendados para o estágio da bomba de carga. Os diodos Schottky com baixa queda de tensão direta também melhoram o desempenho.

Usar um CMOS 555 com um estágio de saída adequado (talvez até mesmo um driver de gate como o TC4420) pode reduzir (mas não eliminar) os picos de suprimento.

Variações da bomba de carga

As bombas de carga não só aumentam a tensão, mas também podem ser usadas para inverter a polaridade da tensão.

Este circuito funciona da mesma maneira que o dobrador de tensão - quando a saída do 555 fica alta, a tampa carrega e, quando a saída fica baixa, a carga é puxada através do segundo capacitor na direção reversa, criando uma tensão negativa na saída.

Onde eu uso uma bomba de carga?

Fonte de bipolaridade para amplificadores operacionais em um circuito onde apenas uma única voltagem está disponível. Os op-amps não consomem muita corrente, então é um ajuste perfeito. O bom disso é que um inversor e um duplicador podem ser acionados da mesma saída, criando, digamos, uma alimentação de ± 12V a partir de uma fonte de 5V.
Drivers de gate - bootstrapping é uma opção, mas uma bomba de carga tem o potencial de gerar tensão mais alta, digamos, tendo um gate de 12V de uma fonte de 3,3V. A inicialização não daria a você mais do que 7 V neste caso.

Portanto, as bombas de carga são dispositivos simples e eficientes usados para criar múltiplos discretos da tensão de entrada.