使用555定时器来构建正负电荷泵电路

在上一篇文章中，我已经向您展示了如何使用经典的工业标准LMC7660 IC构建自己的开关电容电压转换器电路。但是通常情况下，当您没有特定的IC可用或额外IC的成本破坏了BOM的和谐时。这就是我们心爱的555定时器IC来拯救的地方。这就是为什么要减少为特定应用寻找特定芯片的痛苦，并降低BOM成本;我们将使用我们心爱的555定时器来构建，演示和测试带有555定时器IC的正负电荷泵电路。

什么是电荷泵电路?

电荷泵是一种由二极管和电容器组成的电路，通过将二极管和电容器配置成特定的配置，使输出电压高于输入电压或低于输入电压。我说的低，是指相对于地的负电压。此外，像每个电路一样，这种电路有一些优点和缺点，我们将在文章后面讨论。

要知道电路是如何工作的，我们需要研究两者的原理图，首先是电荷泵升压电路和电荷泵逆变电路。

电荷泵升压电路

为了更好地理解电路，让我们假设我们正在使用理想的二极管和电容器来构建如图1所示的电路。同样，我们假设电路达到稳定状态，电容器充满电。此外，我们没有负载连接到这个电路，考虑到这些条件，工作原理如下所述。

借助图1和图2，我们将解释电荷泵电路的工作原理。

现在让我们假设我们已经连接了来自信号发生器的PWM信号，并且信号在0-5V范围内振荡。

当位置-0的输入PWM信号为0V时，位置-1的电压为+5V或VCC。所以，这就是为什么电容器被充电到+5V或VCC。在下一个周期中，当PWM信号从0V切换到5V时，位置1的电压现在为+10V。如果您观察图1。&图2你可以观察到为什么电压会翻倍。

它翻了一倍，因为电容器终端的参考被筛选，由于二极管的作用，电流不能在反向流过二极管，所以，在位置1，我们最终得到一个移位的方波，它高于偏置电压或输入电压。现在，您可以理解图2中波形位置1的效果。

之后，信号被馈送到经典的单二极管整流电路以平滑方波并在输出处获得+10V直流电压。

在位置2的下一阶段，电压为+10V，您可以从图1中验证。现在在下一个周期中，同样的现象再次发生，在二极管和电容器完成最终整流后，我们最终在位置4处获得+15V输出。

这就是电荷泵升压电路的工作原理。

接下来，我们将看到电荷泵逆变器或负电荷泵是如何工作的。

电荷泵逆变器

负电压电荷泵是有点棘手的解释，但请留在我，我会解释它是如何工作的。

在图3位置-0的第一个周期中，输入信号为0V，没有任何事情发生，但是一旦PWM信号在位置-0达到5V，电容器开始通过二极管D1充电，很快它将在位置-1具有5V。现在我们有一个处于正偏置状态的二极管，所以在位置1的电压几乎瞬间变为0V。现在，当输入PWM信号再次变低时，位置-1的电压为0V。此时，PWM信号将减去值，我们将在位置1处获得-5V。

现在，经典的单二极管整流器将完成它的工作，将脉冲信号转换成平滑的直流信号，并将电压存储在电容器C2中。

在电路的下一阶段，即位置3和位置4，同样的现象将同时发生，我们将在电路的输出处得到一个稳定的-10V DC。

这就是负电荷泵电路的工作原理。

注意!请注意，我在这一点上没有提到位置2，因为正如你可以从位置2的电路中看到的，电压将是-5V。

组件的要求

•定时器IC - 2

•LM7805稳压器IC - 1

•0.1 uF电容器- 4

•0.01uF电容器- 2

•4.7uF电容器- 8

•肖特基二极管- 8

•680欧姆电阻- 2

•330欧姆电阻- 2

•12V直流电源- 1

•通用单规格线- 18

•通用面包板- 1

原理图

电荷泵增压器电路：

电荷泵逆变器电路：

为了演示，在原理图的帮助下，电路在无焊面包板上构造。所有的组件都放置得尽可能的紧密和整洁，以减少不必要的噪音和纹波。

计算

需要计算555定时器IC的PWM频率和占空比，因此，我已经在555定时器稳定电路计算器工具的帮助下计算了555定时器的频率和占空比。

对于实际电路，我使用了相当高的10 kHz频率，以减少电路中的纹波。计算结果如下所示

正负电荷泵电路测试装置

为了测试电路，使用以下工具和设置：

•12V开关电源(SMPS)

•Meco 108B+万用表

•Meco 450B+万用表

•汉科600BE USB PC示波器

该电路采用1%的金属膜电阻，不考虑电容的容差。在测试期间，室温为30摄氏度。

这里输入电压为5V，我已将12V电源连接到5V 7805稳压器。所以整个系统由+5V直流供电。

上图显示555定时器IC的频率为8KHz，这是因为电阻和电容的容差因素。

从上面两幅图中，你可以计算电路的占空比，结果是63%。我已经事先测量过了，所以我不打算再计算一次。

接下来在上面的图像中，可以看到输出电压下降了相当多的倍压器和电压逆变器电路，因为我已经连接了一个9.1K的负载。

根据欧姆定律可以很容易地计算出通过9.1K电阻的电流，倍压电路的电流为1.21mA，电压逆变电路的电流为0.64mA。

现在只是为了好玩，让我们看看如果我们连接一个1K的电阻作为负载会发生什么。你可以看到倍压电路，它不是在一个状态，用来为任何东西供电。

输出端的纹波是惊人的。如果你想用这种电源给任何东西供电，肯定会毁了你的一天。

为了澄清，这里有一些电路的特写镜头。

进一步增强

•电路可以进一步修改以满足特定应用的特定需要。

•为了产生更好的结果，可以将电路内置到穿孔板或PCB中。

•可以增加一个电位器来进一步提高555电路的输出频率

•纹波可以通过使用更高值的电容器或使用更高频率的PWM信号来减少。

•一个LDO可以添加到电路的输出，以获得一个相对恒定的输出电压。

应用程序

该电路可用于许多不同的应用，如：

•你可以用这个电路驱动运算放大器

•LCD也可以在此电路的帮助下驱动。

•借助电压逆变电路实现双极性供电运放。

•您还可以驱动需要+12V电源的前置放大器电路以达到操作条件。

本文编译自circuitdigest