本文將使用我們心愛(ài)的 555 定時(shí)器來(lái)構(gòu)建、演示和測(cè)試帶有 555 定時(shí)器 IC 的正負(fù)電荷泵電路。

什么是電荷泵電路？

電荷泵是一種由二極管和電容器組成的電路，通過(guò)將二極管和電容器配置為特定配置，以獲得高于輸入電壓或低于輸入電壓的輸出電壓。較低，我的意思是說(shuō)相對(duì)于地的負(fù)電壓。此外，與每個(gè)電路一樣，該電路也有一些優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，我們將在本文后面討論。

要了解電路的工作原理，我們需要先查看電荷泵升壓器和電荷泵逆變器電路的原理圖。

電荷泵升壓電路

為了更好地理解電路，假設(shè)我們使用理想二極管和電容器來(lái)構(gòu)建圖 1所示的電路。此外，我們假設(shè)電路達(dá)到穩(wěn)態(tài)并且電容器已充滿電。此外，考慮到這些條件，我們沒(méi)有連接到該電路的負(fù)載，工作原理如下所述。

借助圖 1 和圖 2，我們將解釋電荷泵電路的工作原理。

現(xiàn)在假設(shè)我們連接了來(lái)自信號(hào)發(fā)生器的 PWM 信號(hào)，并且信號(hào)在 0-5V 范圍內(nèi)振蕩。

當(dāng)位置 0的輸入 PWM 信號(hào)處于0V 狀態(tài)時(shí)，位置 1的電壓為+5V 或 VCC。所以，這就是電容器充電到+5V 或 VCC 的原因。而在下一個(gè)周期，當(dāng) PWM 信號(hào)從0V 切換到 5V時(shí)，位置 1 的電壓現(xiàn)在為+10V。如果您觀察圖 1. 和圖 2。您可以觀察到為什么電壓會(huì)增加一倍。

它翻了一番，因?yàn)殡娙萜?a target="_blank">端子處的參考被篩選了，并且由于二極管的作用，電流不能反向流過(guò)二極管，所以在位置 1，我們最終得到一個(gè)偏移的方波，它高于偏置電壓或輸入電壓。 現(xiàn)在，您可以了解圖 2 中波形位置 1 中的效果。

之后，信號(hào)被饋送到經(jīng)典的單二極管整流電路以平滑方波并在輸出端獲得+10V直流電壓。

在位置 2 的下一個(gè)階段，電壓為+10V，您可以從圖 1 中驗(yàn)證。現(xiàn)在在下一個(gè)周期中，同樣的現(xiàn)象再次發(fā)生，在最終整流完成后，位置 4的輸出為+15V二極管和電容器。

這就是電荷泵升壓電路的工作原理。

接下來(lái)，我們將了解電荷泵逆變器或負(fù)電荷泵的工作原理。

電荷泵逆變器

負(fù)電壓電荷泵解釋起來(lái)有點(diǎn)棘手，但請(qǐng)留下來(lái)，我將解釋它是如何工作的。

在圖 3的位置 0的第一個(gè)周期中，輸入信號(hào)為0V，沒(méi)有發(fā)生任何事情，但是一旦PWM 信號(hào)在位置 0處達(dá)到5V，電容器就開(kāi)始通過(guò)二極管D1充電，很快就會(huì)在位置 1有5V ?，F(xiàn)在我們有一個(gè)處于正向偏置狀態(tài)的二極管，因此位置 1 的電壓幾乎會(huì)立即變?yōu)?0V?，F(xiàn)在，當(dāng)輸入 PWM 信號(hào)再次變低時(shí)，位置 1 的電壓為 0V。此時(shí) PWM 信號(hào)將減去該值，我們將在位置 1 處得到 -5V。

現(xiàn)在經(jīng)典的單二極管整流器將完成其工作，將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為平滑的直流信號(hào)，并將電壓存儲(chǔ)在電容器C2上。

在電路的下一個(gè)階段，即位置 3 和位置 4，將同時(shí)發(fā)生相同的現(xiàn)象，我們將在電路的輸出端獲得穩(wěn)定的-10V DC。

這就是負(fù)電荷泵電路的實(shí)際工作方式。

筆記！請(qǐng)注意，此時(shí)我沒(méi)有提到位置 2，因?yàn)閺奈恢?2 的電路可以看出，電壓為-5V。

所需組件

NE555定時(shí)器IC - 2

LM7805 穩(wěn)壓器 IC - 1

0.1 uF 電容 - 4

0.01uF 電容 - 2

4.7uF 電容 - 8

1N5819 肖特基二極管 - 8

680歐姆電阻 - 2

330歐姆電阻 - 2

12V 直流電源 - 1

通用單線 - 18

通用面包板 - 1

原理圖，示意圖

電荷泵升壓器電路：

電荷泵逆變器電路：

為了演示，電路在原理圖的幫助下構(gòu)建在無(wú)焊面包板上。所有組件都盡可能靠近和整齊放置，以減少不必要的噪聲和紋波。

計(jì)算

需要計(jì)算 555 定時(shí)器 IC 的 PWM 頻率和占空比，所以我已經(jīng)在這個(gè)555 定時(shí)器非穩(wěn)定電路計(jì)算器工具的幫助下繼續(xù)計(jì)算了 555 定時(shí)器的頻率和占空比。

對(duì)于實(shí)際電路，我使用了相當(dāng)高的10 kHz 頻率，以減少電路中的紋波。下圖是計(jì)算

正負(fù)電荷泵電路的測(cè)試設(shè)置

為了測(cè)試電路，使用以下工具和設(shè)置，

12V 開(kāi)關(guān)電源 （SMPS）

Meco 108B+ 萬(wàn)用表

Meco 450B+ 萬(wàn)用表

Hantech 600BE USB PC 示波器

為了構(gòu)建電路，使用了 1% 的金屬膜電阻器，并且沒(méi)有考慮電容器的容差。測(cè)試期間室溫為30攝氏度。

這里輸入電壓為 5V，我已將 12V 電源連接到 5V 7805 穩(wěn)壓器。所以整個(gè)系統(tǒng)由+5V DC供電。

上圖顯示555定時(shí)器IC的頻率為8KHz，這是因?yàn)殡娮韬碗娙莸娜莶钜蛩亍?/p>

從上面兩張圖，你可以計(jì)算出電路的占空比為63%。我已經(jīng)事先測(cè)量過(guò)了，所以我不會(huì)再計(jì)算了。

接下來(lái)在上圖中，可以看出，當(dāng)我連接了9.1K的負(fù)載時(shí)，倍壓器和電壓逆變器電路的輸出電壓都下降了很多。

流經(jīng) 9.1K 電阻的電流可以很容易地用歐姆定律計(jì)算出來(lái)，對(duì)于倍壓器電路和電壓逆變器電路，結(jié)果是1.21mA，結(jié)果是0.64mA。

現(xiàn)在只是為了好玩，讓我們看看如果我們連接一個(gè) 1K 電阻作為負(fù)載會(huì)發(fā)生什么。你可以看到倍壓器電路，它不處于用于為任何東西供電的狀態(tài)。

輸出端的紋波非常驚人。如果你試圖用這種電源為任何東西供電，那肯定會(huì)毀了你的一天。

為了澄清，這里有一些電路的特寫(xiě)鏡頭。

進(jìn)一步增強(qiáng)

該電路可以進(jìn)一步修改以滿足特定應(yīng)用的特定需求。

為了產(chǎn)生更好的結(jié)果，可以將電路內(nèi)置到穿孔板或 PCB 中。

可以加一個(gè)電位器，進(jìn)一步提高555電路的輸出頻率

紋波可以通過(guò)使用更高值的電容器或僅通過(guò)使用更高頻率的 PWM 信號(hào)來(lái)降低。

可以在電路的輸出端添加一個(gè) LDO，以獲得相對(duì)恒定的輸出電壓。

應(yīng)用

該電路可用于許多不同的應(yīng)用，例如：

您可以使用此電路驅(qū)動(dòng)運(yùn)算放大器

借助該電路也可以驅(qū)動(dòng) LCD。

借助具有雙極性電源的電壓逆變器電路運(yùn)算放大器。

您還可以驅(qū)動(dòng)需要 +12V 電源才能進(jìn)入工作狀態(tài)的前置放大器電路。