Grundlegender Spannungsverdoppler-Schaltplan mit 555-Timer-IC

Wie erstelle ich eine grundlegende Spannungsverdopplerschaltung?

Wie der Name des Artikels schon sagt, soll dieser Artikel heute dabei helfen, eine Schaltung zu entwerfen, die an ihrem Ausgang eine Spannung liefert, die doppelt so hoch ist wie die an ihrem Eingang angelegte Spannung. Wenn Sie beispielsweise einen 10-V-Eingang an die Spannungsverdopplerschaltung liefern, werden 20 V an ihrem Ausgang ausgegeben.

Dies ist eine der vielen Schaltungen, die für die Spannungswandlung leicht verfügbar sind, aber dies ist eine billigere und effizientere Möglichkeit, eine Spannung zu verdoppeln, im Gegensatz zur Verwendung eines sperrigen Transformators und manchmal unbequem für kleine Anwendungen.

Diese Schaltungen verwenden Kondensatoren zum Speichern von Energie und sind in gewisser Weise eine Gleichrichterschaltung. Die Schaltdioden sind im Allgemeinen Dioden, die dazu beitragen, die Kosten zu senken, anstatt ein teureres Gegenstück wie beispielsweise einen MOSFET oder einen BJT zu verwenden.

Die Spannungsverdopplerschaltung ist eine Schaltung aus der Familie der Spannungsvervielfacherschaltungen. In diesem Artikel lernen wir, wie man eine Spannungsverdopplungsschaltung mit einem 555-Timer zusammen mit anderen wichtigen Komponenten und deren kurzer Beschreibung herstellt.

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Spannungsverdoppler-Schaltplan

Schließen Sie die Komponenten richtig an, wie in der Abbildung unten gezeigt.

Erforderliche Komponenten

1. 555-Timer-IC
2. Dioden – 1N4007
3. Widerstände – 10 kΩ und 33 kΩ
4. Kondensatoren – 22 μF und 0,01 μF
5. Ein Netzteil

555 Timer-IC

Der 555-Timer-IC ist eine integrierte Schaltung, die in einer Vielzahl von Zeit-, Impulserzeugungs- und Oszillatoranwendungen verwendet wird. Der 1972 eingeführte 555 Timer IC ist aufgrund seines sehr niedrigen Preises und seiner Stabilität immer noch weit verbreitet. Das Pin-Diagramm des 555 Timer IC ist unten angegeben:

555 Timer-IC
Pin-Nr.	Pin-Name	Zweck
1	Masse	Masse-Referenzspannung
2	TRIG	Steuert die Ausgabe
3	AUS	Wird auf ~1,7 V unter VCC getrieben oder auf Masse
4	ZURÜCKSETZEN	Zeitintervall zurücksetzen
5	STRG	Bietet Zugriff auf den internen Spannungsteiler
6	THR	Wirkt als Schwellenwert, wann das Zeitintervall beendet werden soll
7	DIS	Open-Collector-Ausgang zum Entladen des Kondensators
8	VCC	Positive Versorgungsspannung

Es gibt drei Betriebsmodi des Timer-ICs, nämlich bistabiler, monostabiler und astabiler Modus.

• Im bistabilen Modus erzeugt die Schaltung 2-stabile Zustandssignale, die sich in einem niedrigen und einem hohen Zustand befinden. Die Ausgangssignale von Signalen mit niedrigem und hohem Zustand werden durch Zurücksetzen und Aktivieren der Eingangspins gesteuert.
• Im monostabilen Modus erzeugt die Schaltung nur einen einzelnen Impuls, wenn der Timer eine Anzeige vom Eingang der Triggertaste erhält.
• Im astabilen Modus erzeugt die Schaltung des IC einen kontinuierlichen Impuls mit exakter Frequenz basierend auf dem Wert der beiden Widerstände und Kondensatoren, die in der externen Schaltung verbunden sind.

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1N4007-Diode

1N4007 ist eine Gleichrichterdiode mit PN-Übergang. Diese Diodenarten lassen den elektrischen Strom nur in eine Richtung fließen. 1N4007 hat verschiedene reale Anwendungen, z. Anwendungen mit Freilaufdioden, universelle Gleichrichtung von Stromversorgungen, Wechselrichtern, Konvertern usw.

1N4007 Dioden-Pinbelegung
Pin-Nr.	Pin-Name	Gebühr
1	Anode	+V
2	Kathode	-Ve

Das obige Diagramm zeigt das symbolische und das tatsächliche Bild des 1N4007. Das Verständnis jeder Komponente eines elektrischen Schaltkreises wird erheblich verbessert, wenn die elektrischen Eigenschaften dieses Geräts bekannt sind.

1N4007 Elektrische Eigenschaften
Parameter	Werte	Einheiten
Durchlassspannung bei 1,0 A	1.1	V
Rückstrom bei 25°C	5	μA
Gesamtkapazität bei 1,0 MHz	15	pF
Maximaler Rückstrom bei Volllast bei 75°	30	μA
Durchschnittlicher gleichgerichteter Durchlassstrom	1	A
Wiederkehrende Spitzenspannung in Sperrrichtung	1000	V

Die Merkmale der Diode 1N4007 sind wie folgt:

• Niedriger Leckstrom
• Niedriger Durchlassspannungsabfall
• Hohe Vorwärtsstoßfähigkeit

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Diese Diode hat viele reale Anwendungen in eingebetteten Systemen, einige der wichtigsten Anwendungen, die mit der jeweiligen Diode verbunden sind, sind unten aufgeführt:

1. Konverter
2. Für Vermittlungszwecke in eingebetteten Systemen
3. Anwendungen von Freilaufdioden
4. Wechselrichter
5. Allgemeine Leistungsgleichrichtung von Netzteilen
6. Zur Vermeidung von Rückströmen und zum Schutz von Mikrocontrollern wie Arduino oder PIC-Mikrocontrollern.

Arbeitsweise der Spannungsverdopplungsschaltung

Wie im Schaltplan zu sehen, arbeitet die Schaltung in zwei sich ergänzenden Hälften. Der erste Teil der Schaltung, der die Verwendung des 555-Timers beinhaltet, wird im stabilen Modus verwendet, um einen Rechteckimpuls zu erzeugen.

Der zweite Teil der Schaltung ist derjenige, der die Spannung tatsächlich verdoppelt und aus 2 Kondensatoren und 2 Dioden besteht, die wie im Schaltplan gezeigt verbunden sind. Der 555-Timer hat mehrere Modi, bei denen wir uns heute entschieden haben, den astabilen Multivibrator-Modus zu verwenden.

Dieser Modus kann verwendet werden, um mit einer Kombination aus zwei Widerständen und einem Kondensator eine Rechteckwelle von etwa 2 kHz zu erzeugen. Aus der Schaltung können wir sehen, dass, wenn der Pin 3 des Timer-IC einen niedrigen Ausgang hat, die Diode D1 in Vorwärtsrichtung vorgespannt wird, wodurch der Kondensator C3 durch sie aufgeladen wird.

Da der Kondensator direkt von der Versorgung geladen wird, wird der Kondensator auch auf die Spannung aufgeladen, die der Eingangsspannung entspricht. Wenn der Impuls vom Timer-IC hoch ist, zeigt der Pin 3 des IC einen hohen Ausgang. Dadurch wird die Diode D1 in Sperrrichtung vorgespannt und dies blockiert das Laden des Kondensators C3, der nun auf ungefähr die Spannung gleich der Versorgungsspannung aufgeladen wurde.

Wenn die Diode D1 in Sperrichtung vorgespannt ist, wird die Diode D2 in Vorwärtsrichtung vorgespannt und dies wird den Kondensator C4 durch sie aufladen. Der Kondensator C4 wird auch mit der im Kondensator C3 gespeicherten Energie aufgeladen. Jetzt hat der Kondensator C4 die doppelte Spannung der Eingangsspannung, weil er über zwei Pfade geladen wird, einer von dem Kondensator C3, der ursprünglich auf die Versorgungsspannung geladen wurde, und ein anderer Pfad führt direkt durch die Versorgung.

Theoretisch muss der Ausgang dieser Schaltung eine Spannung am Ausgang erzeugen, die der doppelten Spannung am Eingang entspricht, aber in Wirklichkeit ist das Laden und Entladen eines Kondensators nicht a verlustfreier Prozess, die in einem Kondensator gespeicherte Energie wird nicht vollständig auf den anderen Kondensator übertragen und auch die Aufladung des Kondensators ist nicht optimal.

Für das Experiment, das mit einer Eingangsspannung von 5 V durchgeführt wurde, beträgt die Ausgabe mit der Schaltung etwa 8,7 bis 8,8 V anstelle der theoretischen 10 V.

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Nachteile

Obwohl die Schaltung eine einfache und leichte Möglichkeit ist, die Eingangsspannung in ihren doppelten Wert umzuwandeln, hat sie auch Nachteile. Wenn wir im Voraus alles über die Vor- und Nachteile der Schaltung wissen, können wir die Ergebnisse richtig analysieren. Die Nachteile sind unten aufgeführt.

1. Die Schaltung ist ein sehr nützlicher Trick, um aus einem niedrigen Wert eine höhere Spannung zu erzeugen, aber die Schaltung kann nur so verwendet werden, dass der Ausgangsstrom weniger als 50 mA beträgt. Das heißt, er kann nur Anwendungen antreiben, die sehr niedrige Nennströme erfordern.
2. Da der Ausgang das Laden und Entladen von Kondensatoren und Schaltgeräten wie Dioden beinhaltet, ist der Ausgang der Schaltung im Allgemeinen instabil, sodass ein Regler-IC verwendet werden kann, um die Ausgangswellenform zu regulieren und zu glätten. Aber dieser IC nimmt seinen eigenen Stromanteil auf, daher müssen die entsprechenden Berechnungen und Einstellungen vorgenommen werden, damit die Schaltung nicht über der Grenze des Stromdurchgangs funktioniert.

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Vorsichtsmaßnahmen

Beim Erstellen und Arbeiten mit der Schaltung sind einige Vorsichtsmaßnahmen zu treffen. Diese sind unten aufgelistet.

1. Aufgrund der Einschränkungen des Timer-ICs darf die Eingangsspannung der Schaltung nicht größer als 12 V und kleiner als 3 V sein, die Wahl einer Spannung zwischen 3 und 12 V gewährleistet ein sicheres Arbeiten und Die Komponenten werden nicht beschädigt.
2. Wie oben erläutert, hängt die Funktion der Schaltung vom Laden und Entladen von Kondensatoren ab, und daher gibt die Schaltung nicht sofort den erforderlichen Wert aus, sobald die Schaltung eingeschaltet ist wird mit einer Versorgungsspannung verbunden, es dauert jedoch eine Weile, bis sie sich auf die doppelte Eingangsspannung einpendelt.
3. Der Laststrom sollte einen schaltungsabhängig eingestellten Wert nicht überschreiten. Im Allgemeinen liegt der Strom bei etwa 50 bis 70 mA.
4. Da der Kondensator C4 auf das Doppelte der Versorgungsspannung geladen wird, sollte die Nennspannung dieses speziellen Kondensators mindestens doppelt so hoch sein wie die Eingangsspannung, im Gegensatz zu anderen Kondensatoren, deren Nennspannung möglicherweise so hoch ist mindestens gleich dem Versorgungsspannungswert.
5. Wie oben besprochen, hängt die Spannung am Ausgang der Schaltung vom Laden und Entladen der Kondensatoren ab. Die Lade- und Entladezeiten eines Kondensators variieren unregelmäßig, sodass die genauen Messungen möglicherweise nicht mit den theoretischen Werten übereinstimmen. Dies summiert sich weiter, da das Laden und Entladen von Kondensatoren keine energieeffizienten, nicht energiegesperrten Prozesse sind. Das bedeutet, dass die Energie nicht vollständig übertragen wird und zu Verlusten führt. Der Ausgangswert der Schaltung mit 5 V Eingangsspannung beträgt etwa 8,7 V, während der Ausgangswert der Schaltung mit 12 V Eingangsspannung etwa 18–20 V beträgt.

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