Betrouwbare spanningsverdubbelaar bouwen met 555 timer IC – stapsgewijze diagram

Hoe maak je een basale spanningsverdubbelaar schakeling?

Zoals de titel van het artikel al suggereert, helpt dit artikel vandaag bij het ontwerpen van een schakeling die aan de uitgang een spanning levert die het dubbele is van de ingangsspanning. Bijvoorbeeld: een invoer van 10V aan de spanningsverdubbelaar schakeling levert 20V aan de uitgang.

Dit is een van de vele schakelingen die beschikbaar zijn voor spanningconversie, maar dit is een goedkope en efficiëntere manier om een spanning te verdubbelen in tegenstelling tot het gebruik van een transformator die voluminieus is en soms ongemakkelijk voor kleine toepassingen.

Deze schakelingen gebruiken condensators om energie op te slaan, en zijn in een zekere zin een gelijkrichterschakeling. De schakelende diodes zijn meestal diodes, die helpen de kosten te verlagen in plaats van een duurdere tegenhanger zoals een MOSFET of BJT te gebruiken.

Spanningsverdubbelaar schakeling is een schakeling uit de familie van spanningvermenigvuldigerschakelingen. In dit artikel leren we hoe we een spanningsverdubbelaar schakeling maken met een 555-timer samen met andere belangrijke componenten en hun korte beschrijving.

Gerelateerde projecten:

• Dubbele voeding schakeling – 230VAC naar ±12VDC
• Hoe maak je een spanningsverriedelaar schakeling?
• 12V naar 5V omzetter schakeling

Spanningsverdubbelaar schakelingsschema

Sluit de componenten correct aan op dezelfde manier als in de onderstaande figuur getoond.

Benodigde componenten

1. 555-timer IC
2. Diodes – 1N4007
3. Weerstanden – 10kΩ en 33kΩ
4. Condensators – 22μF en 0.01μF
5. Een voeding

555 timer IC

De 555 timer IC is een geïntegreerde schakeling die gebruikt wordt in een verscheidenheid aan tijd, pulsgeneratie en oscillator toepassingen. Geïntroduceerd in 1972, is de 555 timer IC nog steeds wijdverspreid in gebruik vanwege de zeer lage prijs en stabiliteit. Het pin-diagram van de 555 timer IC is hieronder gegeven:

Er zijn drie werkingsmodi van de timer IC: bistabiel, monostabiel en astabiel.

• In bistabiele modus produceert de schakeling 2-stabiele staatssignalen in lage en hoge toestanden. De uitgangssignalen van lage en hoge toestanden worden gecontroleerd door reset en activeren van de ingangspinnen.
• In monostabiele modus genereert de schakeling slechts één enkele puls wanneer de timer een indicatie krijgt van de ingang van de triggerknop.
• In astabiele modus produceert de schakeling van de IC een continue puls met exacte frequentie gebaseerd op de waarde van de twee weerstanden en condensators die in de externe schakeling zijn aangesloten.

Gerelateerde projecten:

• Automatische badkamer lichtschakelaar schakeling en werking
• Automatische deurbel met objectdetectie door Arduino

1N4007 diode

De 1N4007 is een PN-koppeling gelijkrichterdiode. Deze typen diodes laten alleen de stroom van de elektrische stroom in één richting toe. De 1N4007 heeft verschillende praktische toepassingen, zoals vrije-loop diode toepassingen, algemene gelijkrichting van voedingen, omvormers, converters, enz.

Het bovenstaande diagram toont het symbolische en het daadwerkelijke plaatje van de 1N4007. Het begrip van elk component van een elektrische schakeling wordt aanzienlijk verbeterd wanneer de elektrische kenmerken van dat apparaat bekend zijn.

De kenmerken van de 1N4007 diode zijn als volgt:

• Lage lekkagestroom
• Lage voorwaartse spanningsval
• Hoge voorwaartse golfbelasting

Gerelateerde projecten:

• Hoe maak je een eenvoudige LED knipper schakeling met 555 timer IC
• PCB ontwerp van LED flitser schakeling met 555 timer

Deze diode heeft veel praktische toepassingen in embedded systemen, een paar van de belangrijkste toepassingen die geassocieerd zijn met deze specifieke diode zijn:

1. Converters
2. Voor schakeldoeleinden in embedded systemen
3. Vrije-loop diode toepassingen
4. Omvormers
5. Algemene stroom gelijkrichting van voedingen
6. Om omgekeerde stroom te voorkomen en microcontrollers zoals Arduino of PIC microcontroller te beschermen.

Werking van spanningsverdubbelaar schakeling

Zoals te zien is in het schakelingsschema, werkt de schakeling in twee helften die elkaar aanvullen. Het eerste deel van de schakeling, betreffende het gebruik van de 555 timer, wordt in astabiele modus gebruikt om een puls van een blokgolf te genereren.

Het tweede deel van de schakeling is het deel dat de spanning daadwerkelijk verdubbelt en bestaat uit 2 condensators en 2 diodes aangesloten op de manier zoals getoond in het schakelingsschema. De 555-timer heeft meerdere modi waarin we vandaag besloten hebben om de astabiele multivibrator modus te gebruiken.

Deze modus kan worden gebruikt om een blokgolf van ongeveer 2kHz te genereren met een combinatie van twee weerstanden en een condensator. Uit de schakeling kunnen we zien dat wanneer pin 3 van de timer IC een lage uitgang heeft, de diode D1 voorwaartsgepolariseerd raakt, wat condensator C3 via de diode opladt.

Omdat de condensator direct van de voeding wordt opgeladen, zal de condensator ook opgeladen worden tot een spanning gelijk aan de invoerspanning. Wanneer de puls van de timer IC hoog is, zal pin 3 van de IC een hoge uitgang tonen. Dit zal de diode D1 omgekeerd gepolariseerd maken en dit blokkeert het opladen van condensator C3 die nu is opgeladen tot ongeveer de spanning gelijk aan de voedingsspanning.

Wanneer de diode D1 omgekeerd gepolariseerd is, zal de diode D2 voorwaartsgepolariseerd worden en dit zal condensator C4 opladen via de diode. De C4 condensator zal ook worden opgeladen met de energie opgeslagen in condensator C3. Nu heeft condensator C4 het dubbele van de invoerspanning omdat het opgeladen wordt via twee paden: één van condensator C3 die initieel was opgeladen tot de voedingsspanning en een ander pad direct via de voeding.

In theorie moet de uitgang van deze schakeling een spanning produceren aan de uitgang gelijk aan het dubbele van de spanning aan de ingang, maar in de praktijk is het opladen en ontladen van een condensator geen verliesvrij proces, de energie opgeslagen in een condensator wordt niet volledig overgedragen aan de andere condensator, en het opladen van de condensator is ook niet ideaal.

Voor het experiment met een invoerspanning van 5V is de uitgang met de schakeling ongeveer 8,7 tot 8,8V in plaats van de theoretische 10V.

Gerelateerde projecten:

• LED roulette schakeling met 555 timer & 4017 teller
• Eenvoudige gevoelige aanraakschakelaar schakeling met 555 timer & BC547 transistor

Nadelen

Hoewel de schakeling een eenvoudige en gemakkelijke manier is om de invoerspanning om te zetten in het dubbele van de waarde, heeft het zijn deel nadelen. Alle voor- en nadelen van de schakeling van tevoren te kennen, stelt ons in staat om de resultaten correct te analyseren. De nadelen zijn hieronder vermeld.

1. De schakeling is een handig trucje om hogere spanning te produceren uit een lage waarde, maar de schakeling kan alleen worden gebruikt zodat de uitgangsstroom minder dan 50mA is. Dat betekent dat het alleen toepassingen kan aansturen die zeer lage stroomwaarden vereisen.
2. Omdat de uitgang het opladen en ontladen van condensators en schakelende componenten zoals diodes omvat, is de uitgang van de schakeling doorgaans onstabiel, dus een regelaar IC kan worden gebruikt om de uitgangsgolf te regelen en glad te maken. Maar deze IC zal zijn eigen deel stroom consumeren, dus de relevante berekeningen en aanpassingen moeten worden gemaakt zodat de schakeling niet boven de limiet van de stroomdoorgang functioneert.

Gerelateerde projecten:

• Hoe maak je een eenvoudige LED knipper schakeling met 555 timer IC
• Klapschakelaar schakeling met IC 555 timer & zonder timer

Voorzorgsmaatregelen

Er zijn enkele voorzorgsmaatregelen die genomen moeten worden tijdens het maken en werken met de schakeling. Die zijn hieronder vermeld.

1. Vanwege de beperkingen van de timer IC mag de invoerspanning van de schakeling niet groter zijn dan 12V en niet kleiner dan 3V. Het kiezen van een spanning tussen 3 en 12V zal veilig werken en geen schade aan de componenten veroorzaken.
2. Zoals hierboven besproken, hangt de werking van de schakeling af van het opladen en ontladen van condensators, en daarom zal de schakeling niet direct de vereiste uitgangswaarde geven zodra de schakeling met een voedingsspanning wordt aangesloten, maar het duurt even voordat het zich vestigt op het dubbele van de invoerspanning.
3. De laststroom mag niet een ingestelde waarde overschrijden die afhangt van de schakeling. Over het algemeen is dit ongeveer 50 tot 70mA stroom.
4. Omdat condensator C4 zal worden opgeladen tot het dubbele van de voedingsspanning, moet de spanningswaarde van deze specifieke condensator ten minste tweemaal de invoerspanning zijn, in tegenstelling tot andere condensators wier spanningswaarde ten minste gelijk kan zijn aan de voedingsspanningswaarde.
5. Zoals hierboven besproken, is de spanning aan de uitgang van de schakeling afhankelijk van het opladen en ontladen van de condensators. Oplaad- en ontlaadtijden van een condensator varieren willekeurig, dus de exacte metingen mogen niet in overeenstemming zijn met de theoretische waarden. Dit verergerd verder omdat het opladen en ontladen van condensators geen energie-efficiënte of energie-vaste processen zijn. Dat betekent dat de energie niet volledig wordt overgedragen en resulteert in verliezen. De uitgangswaarde van de schakeling met 5V invoerspanning zal rond de 8,7V liggen, terwijl de uitgangswaarde van de schakeling met 12V invoerspanning rond de 18-20V zal liggen.

Gerelateerde projecten:

• Verkeerslicht regeling elektronisch project met IC 4017 & 555 timer
• Eenvoudige GSM lader schakeling – 5V van 230V AC
• Automatisch spoorwegovergang controle systeem – Schakeling & broncode
• Elektronische relais schakeling – NPN, PNP, N & P kanaal relais schakelaars
• LED roulette schakeling met 555 timer & 4017 teller
• Elektronische stroomonderbreker – schema en werking
• Slimme irrigatie systeem – Schakelingsschema en code
• Variabele voeding met Arduino UNO – Schakeling en code
• Automatische nachtlamp met Arduino
• Infrarood bewegingdetector schakeling
• Eenvoudige gevoelige aanraakschakelaar schakeling