Circuito de bomba de carga positiva e negativa

Em um artigo anterior, mostrei como você pode construir seu próprio circuito conversor de tensão de capacitor chaveado usando o clássico IC LMC7660 padrão da indústria. Mas muitas vezes há situações em que você não tem um IC específico disponível ou o custo de um IC adicional está arruinando a harmonia do seu BOM. E é aqui que nosso amado IC com temporizador 555 vem para resgatar. É por isso que reduzir a dor de encontrar um chip específico para uma aplicação específica e também reduzir o custo do BOM; vamos usar nossos amados temporizadores 555 para construir, demonstrar e testar um circuito de bomba de carga positiva e negativa com um temporizador 555 IC.

O que é um circuito de bomba de carga?

Uma bomba de carga é um tipo de circuito feito de diodos e capacitores, configurando-se os diodos e capacitores em uma configuração específica para obter a tensão de saída superior à tensão de entrada ou inferior à tensão de entrada. Por menor, quero dizer tensão negativa em relação ao aterramento. Além disso, como todo circuito, este circuito tem algumas vantagens e desvantagens que discutiremos mais tarde neste artigo.

Para saber como o circuito funciona, precisamos primeiro examinar o esquema de ambos, o impulsionador da bomba de carga e o circuito inversor da bomba de carga.

Circuito de reforço da bomba de carga

Para entender melhor o circuito, vamos supor que estamos usando diodos e capacitores ideais para construir o circuito mostrado na Figura-1. Além disso, estamos assumindo que o circuito atingiu um estado estacionário e os capacitores estão totalmente carregados. Além disso, não temos nenhuma carga conectada a este circuito com essas condições em mente, o princípio de funcionamento é descrito abaixo.

Com a ajuda da Figura 1 e da Figura 2, vamos explicar como funciona um circuito de bomba de carga.

Agora vamos supor que conectamos um sinal PWM de um gerador de sinal e o sinal oscila entre 0-5V.

Quando o sinal de entrada PWM na localização 0 está no estado 0 V, a tensão na localização 1 é + 5 V ou VCC. Então, é por isso que o capacitor foi carregado até + 5V ou VCC. E no próximo ciclo, quando o sinal PWM muda de 0V para 5V, a tensão no local 1 agora é + 10V. Se você observar a Figura 1. e a Figura 2. Você pode observar porque a tensão dobrou.

Ele dobrou porque a referência no terminal do capacitor foi peneirada e como a corrente não pode fluir na direção reversa através do diodo por causa da ação do diodo, então na localização 1 terminamos com uma onda quadrada deslocada que está acima da tensão de polarização ou da tensão de entrada. Agora, você pode entender o efeito na Figura 2, local 1 da forma de onda.

Depois disso, o sinal é alimentado a um circuito retificador de diodo único clássico para suavizar a onda quadrada e obter tensão de + 10 Vcc na saída.

No próximo estágio na localização 2, a tensão é de + 10V, você pode verificar que na Figura 1. Agora no próximo ciclo, o mesmo fenômeno acontece novamente, acabamos com a saída de + 15V na localização 4 após a retificação final ser feita com o diodo e os capacitores.

É assim que funciona o circuito de reforço da bomba de carga .

A seguir, veremos como funciona um inversor de bomba de carga ou uma bomba de carga negativa.

Inversor de bomba de carga

A bomba de carga de tensão negativa é um pouco complicada de explicar, mas fique comigo e explicarei como ela funciona.

No primeiro ciclo na localização 0 da Figura 3, o sinal de entrada é 0 V e nada está acontecendo, mas assim que o sinal PWM atinge 5 V na localização 0, os capacitores começam a carregar através do diodo D1 e logo irá tem 5V na localização-1. E agora temos um diodo que está em uma condição de polarização direta, então a voltagem se tornará 0 V na localização-1 quase instantaneamente. Agora, quando o sinal de entrada PWM fica baixo novamente, a tensão na localização-1 é 0V. Neste momento, o sinal PWM subtrairá o valor e obteremos -5 V na localização 1.

E agora o retificador de diodo único clássico fará seu trabalho e converterá o sinal pulsado em um sinal DC suave e armazenará a tensão no capacitor C2.

No próximo estágio do circuito, que é a localização 3 e a localização 4, o mesmo fenômeno acontecerá simultaneamente e obteremos uma tensão contínua de -10 Vcc na saída do circuito.

E é assim que o circuito para uma bomba de carga negativa realmente funciona.

Nota! Observe que não mencionei a localização 2 neste ponto porque, como você pode ver no circuito da localização 2, a tensão seria -5V.

Componentes necessários

NE555 Timer IC - 2
LM7805 Regulador de Tensão IC - 1
Capacitor 0,1 uF - 4
Capacitor 0,01uF - 2
Capacitor 4.7uF - 8
1N5819 Diodo Schottky - 8
Resistor de 680 Ohm - 2
Resistor 330 Ohm - 2
Fonte de alimentação 12 V DC - 1
Fio de guia simples genérico - 18
Breadboard genérico - 1

Diagrama esquemático

Circuito para o impulsionador da bomba de carga:

Circuito para o inversor da bomba de carga:

Para demonstração, o circuito é construído em uma placa de ensaio sem solda com a ajuda do esquema. Todos os componentes são colocados o mais próximos e mais organizados possível para diminuir o ruído e ondulação indesejados.

Cálculos

A frequência PWM e o ciclo de trabalho do CI do temporizador 555 precisam ser calculados, então, eu fui em frente e calculei a frequência e o ciclo de trabalho dos temporizadores 555 com a ajuda desta ferramenta 555 Timer Astable Circuit Calculator.

Para o circuito prático, usei uma frequência bastante alta de 10 kHz a fim de reduzir a ondulação no circuito. Abaixo é mostrado o cálculo

Configuração de teste para circuito de bomba de carga positiva e negativa

Para testar o circuito, as seguintes ferramentas e configurações são usadas,

Fonte de alimentação comutada de 12 V (SMPS)
Meco 108B + multímetro
Meco 450B + multímetro
Osciloscópio Hantech 600BE USB PC

Para construir o circuito foram usados resistores de filme metálico de 1% e a tolerância dos capacitores não foi considerada. A temperatura ambiente era de 30 graus Celsius durante o tempo de teste.

Aqui a tensão de entrada é 5 V, conectei minha fonte de 12 V a um regulador de tensão 5 V 7805. Portanto, todo o sistema é alimentado por + 5V DC.

A imagem acima mostra que a frequência do IC do temporizador 555 é de 8 KHz, isso por causa dos fatores de tolerância dos resistores e capacitores.

A partir das duas imagens acima, você pode calcular o ciclo de trabalho do circuito, que acabou sendo 63%. Eu o medi antes, então não irei calculá-lo novamente.

A seguir, na imagem acima, pode-se ver que a tensão de saída caiu um pouco para o duplicador de tensão e para o circuito inversor de tensão, pois conectei uma carga de 9.1K.

O fluxo de corrente através do resistor de 9,1 K pode ser facilmente calculado pela lei de ohms, que acabou sendo 1,21 mA para o circuito duplicador de tensão e o circuito inversor de tensão, acabou sendo 0,64 mA.

Agora, só por diversão, vamos ver o que acontece se conectarmos um resistor de 1K como uma carga. E você pode ver o circuito duplicador de voltagem onde ele não está em um estado para ser usado para alimentar nada.

E a ondulação no terminal de saída é fenomenal. e certamente estragará o seu dia se você tentar alimentar qualquer coisa com esse tipo de fonte de alimentação.

Para esclarecimento, aqui estão algumas das fotos em close do circuito.

Aprimoramento adicional

O circuito pode ser modificado posteriormente para atender à necessidade específica de uma aplicação específica.
Para produzir melhores resultados, o circuito pode ser integrado em uma perf-board ou PCB.
Um potenciômetro pode ser adicionado para melhorar ainda mais a frequência de saída dos circuitos 555
A ondulação pode ser reduzida usando um capacitor de valor mais alto ou apenas usando um sinal PWM de frequência mais alta.
Um LDO pode ser adicionado à saída do circuito para obter uma tensão de saída relativamente constante.

Formulários

Este circuito pode ser usado para muitas aplicações diferentes, como:

Você pode dirigir um Op-Amp com este circuito
Um LCD também pode ser acionado com a ajuda deste circuito.
Com a ajuda do circuito inversor de tensão Op-Amps com alimentação de polaridade dupla.
Você também pode acionar circuitos de pré-amplificador que requerem alimentação de + 12 V para chegar a uma condição operacional.

Espero que tenha gostado deste artigo e aprendido algo novo com ele. Se você tiver alguma dúvida, pode perguntar nos comentários abaixo ou pode usar nossos fóruns para uma discussão detalhada.