Circuit de la bomba de càrrega

La situació és senzilla: teniu un cable d'alimentació de baixa tensió, per exemple, 3,3 V, i voleu alimentar quelcom que necessiti 5 V. Es tracta d’una trucada difícil, sobretot si es tracta de piles. L’única manera aparent és un convertidor de mode de commutació, més concretament un convertidor d’augment.

Aquí és on ens enfrontem a un obstacle: els convertidors d’augment són ineficients a baixes potències, ja que es consumeix molta energia només per mantenir la regulació puntual i accionar l’interruptor d’alimentació. A més, els convertidors de mode de commutació d’aquest tipus són sorollosos; això és un problema si es tracta de circuits sensibles. Estàs en la posició incòmoda d’una solució sobreexplotada. Els reguladors lineals no funcionen a la inversa, de manera que es descarta com a poc dissenyat.

Llavors, on dibuixem la línia entre la sobreexplotació i la subenginyeria?

La resposta a aquest problema és la bomba de càrrega, que per si mateixa és una mena d’alimentació en mode de commutació. Com el seu nom indica, aquest tipus de convertidor mou càrregues discretes i el component que emmagatzema aquestes càrregues discretes és el condensador, de manera que aquest tipus de convertidor també s’anomena convertidor de condensador volador.

Una bomba de càrrega crea múltiples discrets de la tensió d'entrada mitjançant condensadors.

Com funciona una bomba de càrrega?

La millor manera d’entendre-ho és imaginar la següent situació.

Es carrega un condensador mitjançant una bateria de 9V, de manera que el voltatge del condensador també és de 9V. Després agafeu un altre condensador i el carregueu fins a 9V també. Ara connecteu els dos condensadors en sèrie i mesureu la tensió a través d’ells: 18V.

Aquest és el principi bàsic de funcionament de la bomba de càrrega: agafeu dos condensadors, carregueu-los individualment i poseu-los en sèrie, tot i que en una bomba de càrrega real la reordenació es fa electrònicament.

Per descomptat, això no es limita a només dos condensadors, es poden fer fases successives en cascada per obtenir tensions més altes a la sortida.

Limitacions de les bombes de càrrega

Abans de crear-ne una, és una bona idea conèixer les limitacions de les bombes de càrrega.

1. Corrent de sortida disponible: atès que les bombes de càrrega no són més que condensadors que es carreguen i descarreguen en cicles, el corrent disponible és molt baix; hi ha casos rars en què l’ús del xip adequat pugui obtenir 100mA, però amb una eficiència baixa.

2. Com més fases afegiu no vol dir que la sortida de tensió augmenti moltes vegades: cada etapa carrega la sortida de l'etapa anterior, de manera que la sortida no és un múltiple perfecte de l'entrada. Aquest problema empitjora quan més fases afegiu.

Construint un circuit de bomba de càrrega

El circuit que es mostra aquí és per a una simple bomba de càrrega de tres etapes que utilitza el temporitzador perifèric 555 IC. En certa manera, aquest circuit és "modular": es poden fer fases en cascada per augmentar el voltatge de sortida (tenint en compte la limitació número dos).

Components necessaris

1. Per a l’oscil·lador 555

• Temporitzador 555 - variant bipolar
• Condensador electrolític de 10uF (desacoblament)
• Condensador ceràmic 2x 100nF (desacoblament)
• Condensador ceràmic 100pF (temporització)
• 1K resistència (temporització)
• Resistència de 10K (temporització)

2. Per a la bomba de càrrega

• 6 díodes IN4148 (també es recomana UF4007)
• Condensadors electrolítics de 5x 10uF
• Condensador electrolític de 100uF

Una cosa important a tenir en compte és que tots els condensadors que s’utilitzen a la bomba de càrrega s’han de classificar uns volts més que el voltatge de sortida esperat.

Esquema de connexions

Així es veu a la taula de proves:

Descripció del circuit de la bomba de càrrega

1. El temporitzador 555

El circuit que es mostra aquí és un oscil·lador estable 555 temporitzador senzill. Els components de temporització donen lloc a una freqüència d’uns 500 kHz (que per a un 555 bipolar és una gesta en si mateixa). Aquesta alta freqüència garanteix que els condensadors de la bomba de càrrega s’actualitzin periòdicament de manera que la tensió de la sortida no tingui massa ondulació.

2. La bomba de càrrega

Aquesta és la part més intimidant de tot el circuit. Com la majoria d’altres coses, es pot entendre dividint-lo en una sola unitat:

Suposem que el pin 3, la sortida del temporitzador 555, és baix durant l’inici. Això fa que el condensador es carregui a través del díode, ja que el terminal negatiu ara està connectat a terra. Quan la sortida augmenta, el pin negatiu també augmenta, però com que ja hi ha una càrrega al condensador (que no pot anar enlloc a causa del díode), la tensió que es veu al terminal positiu del condensador és efectivament el doble de la tensió d'entrada.

Aquí teniu el terminal positiu del condensador:

El resultat final és que efectivament afegiu un desplaçament de V _CC a la sortida del temporitzador 555.

Ara aquest voltatge directament com a sortida no serveix de res, ja que hi ha una ondulació massiva del 50%. Per solucionar-ho, afegim un detector de pics com es mostra a la figura següent:

Aquesta és la sortida del circuit anterior:

I hem duplicat amb èxit la tensió de sortida.

Consells sobre la construcció de circuits

El bipolar 555 és conegut per les puntes de subministrament que genera al carril de subministrament, ja que la fase push-pull de la sortida gairebé redueix el subministrament durant les transicions. Per tant, el desacoblament és obligatori.

Faré un ràpid desviament per explicar-vos alguna cosa sobre el correcte desacoblament.

Aquí teniu el pin V _CC de l’oscil·lador sense cap desacoblament:

I aquí teniu el mateix passador amb un desacoblament adequat:

Podeu veure clarament la diferència que fa una mica de desacoblament.

Es recomanen condensadors SMD ceràmics de baixa inductància per a la fase de la bomba de càrrega. Els díodes Schottky amb una baixa caiguda de tensió directa també milloren el rendiment.

L’ús d’un CMOS 555 amb una etapa de sortida adequada (potser fins i tot un controlador de porta com el TC4420) pot reduir (però no eliminar) els pics de subministrament.

Variacions de la bomba de càrrega

Les bombes de càrrega no només augmenten la tensió, sinó que es poden utilitzar per invertir la polaritat de la tensió.

Aquest circuit funciona de la mateixa manera que el duplicador de tensió: quan la sortida 555 augmenta, la tapa es carrega i, quan la sortida baixa, es carrega pel segon condensador en la direcció inversa, creant un voltatge negatiu a la sortida.

On puc utilitzar una bomba de càrrega?

• Subministrament de bipolaritat per a amplificadors operatius en un circuit on només hi ha disponible una sola tensió. Els amplificadors operatius no consumeixen molta intensitat, de manera que s’adapta perfectament. El més interessant d’això és que es pot accionar un inversor i un duplicador des de la mateixa sortida, creant, per exemple, un subministrament de ± 12 V a partir d’un subministrament de 5 V.
• Controladors de porta: el bootstrapping és una opció, però una bomba de càrrega pot generar un voltatge més elevat, per exemple, que tingui una unitat de porta de 12 V a partir d’un subministrament de 3,3 V. Bootstrapping no us donaria més de 7V en aquest cas.

Per tant, les bombes de càrrega són dispositius simples i eficients que s’utilitzen per crear múltiples discrets de la tensió d’entrada.