在上一篇文章中，我向您展示了如何使用经典的行业标准LMC7660 IC构建自己的开关电容器电压转换器电路。但是，在某些情况下，您可能没有可用的特定IC，或者附加IC的成本破坏了BOM的协调性。这就是我们钟爱的555定时器IC抢救的地方。这就是为什么减轻为特定应用找到特定芯片的麻烦并降低BOM成本的原因；我们将使用我们钟爱的555定时器来构建，演示和测试带有555定时器IC的正电荷泵和负电荷泵电路。
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为特定配置以使输出电压高于输入电压或低于输入电压。更低，我的意思是说相对于地的负电压。同样，与每个电路一样，该电路也有一些优点和缺点，我们将在本文后面讨论。
要了解该电路的工作原理，我们首先需要看一下电荷泵升压器和电荷泵逆变器电路的原理图。
电荷泵升压电路
为了更好地理解电路，我们假设我们使用理想的二极管和电容器来构建图1所示的电路。另外，我们假设电路达到稳定状态并且电容器已充满电。此外，考虑到这些条件，我们没有负载连接到该电路，其工作原理如下所述。
借助图1和图2，我们将解释电荷泵电路的工作原理。
现在，我们假设已连接来自信号发生器的PWM信号，并且信号在0-5V范围内振荡。
当在输入PWM信号位置0是在0V状态，在电压位置-1是+ 5V或VCC。因此，这就是电容器被充电至+ 5V或VCC的原因。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和图2。您可以观察为什么电压加倍。
之所以增加一倍，是因为电容器端子处的参考电压已经过筛分，并且由于二极管的作用电流无法反向流过二极管，因此，在位置1处，我们将得到一个高于偏置电压或输入电压的方波。现在，您可以了解图2中波形1的影响。
之后，信号被馈送到经典的单二极管整流器电路，以平滑方波并在输出端获得+ 10V直流电压。
在位置2的下一阶段，电压为+ 10V，可以从图1验证。现在，在下一个周期中，同样的现象再次发生，在经过最后的整流后，我们在位置4输出+ 15V。二极管和电容器。
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的工作原理。
电荷泵逆变器
负电压电荷泵很难解释，但是请与我呆在一起，我将解释其工作原理。
在第一次循环位置的0的图-3中，输入信号是0V和什么也没有发生，但只要将PWM信号达到5V在位置0时，电容器开始通过二极管充电D1和很快便在位置1处有5V的电压。现在我们有了一个处于正向偏置状态的二极管，因此电压在位置1几乎立即变为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信号将减去该值，我们将在位置1获得-5V。
现在，经典的单二极管整流器将发挥作用，将脉冲信号转换为平滑的直流信号，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，相同的现象将同时发生，我们将在电路的输出端获得稳定的-10V DC。
这就是负电荷泵电路的实际工作方式。
注意！请注意，此时我未提及位置2，因为从位置2的电路可以看到，电压为-5V。
所需组件
- NE555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
- 1N5819肖特基二极管-8
- 680欧姆电阻-2
- 330欧姆电阻-2
- 12V DC电源-1
- 通用单线规-18
- 通用面包板-1
原理图，示意图
电荷泵升压器电路：
电荷泵逆变器电路：
为了演示，该电路借助原理图构建在无焊面包板上。所有组件都放置得尽可能靠近且整齐，以减少不必要的噪声和波纹。
计算方式
需要计算555定时器IC的PWM频率和占空比，因此，我继续使用此555定时器非稳态电路计算器工具来计算555定时器的频率和占空比。
对于实际电路，我使用了10 kHz的较高频率，以减少电路中的纹波。下面显示的是计算
正负电荷泵电路的测试设置
要测试电路，请使用以下工具和设置，
- 12V开关模式电源（SMPS）
- Meco 108B +万用表
- Meco 450B +万用表
- Hantech 600BE USB PC示波器
为了构建电路，使用了1％的金属膜电阻器，并且未考虑电容器的容差。在测试期间，室温为30摄氏度。
这里的输入电压为5V，我已将12V电源连接到5V 7805稳压器。因此整个系统由+ 5V DC供电。
上图显示555定时器IC的频率为8KHz，这是由于电阻器和电容器的容差因素所致。
从以上两个图像，您可以计算出电路的占空比，结果是63％。我已经事先对其进行了测量，因此我将不再进行计算。
在上图中的下一个图像中，可以看出，当我连接了9.1K的负载时，倍压器和逆变器电路的输出电压均下降了很多。
电流流过电阻9.1K可通过原来是欧姆定律容易计算1.21毫安用于倍压电路和所述逆变器电路的电压，它被证明是0.64毫安。
现在只是为了好玩，让我们看看如果连接一个1K电阻作为负载会发生什么。您会看到倍压器电路处于未用于供电的状态。
并且输出端子处的波纹非常大。如果您尝试使用这种电源为任何东西供电，那肯定会破坏您的一天。
为了澄清起见，下面是电路的一些特写镜头。
进一步增强
- 该电路可以进一步修改以满足特定应用的特定需求。
- 为了产生更好的结果，该电路可以内置在穿孔板或PCB中。
- 可以添加一个电位计以进一步改善555电路的输出频率
- 可以通过使用更高容量的电容器或仅通过使用更高频率的PWM信号来降低纹波。
- 可以将LDO添加到电路的输出以获得相对恒定的输出电压。
应用领域
该电路可用于许多不同的应用，例如：
- 您可以使用此电路驱动运算放大器
- 也可以借助该电路来驱动LCD。
- 借助电压逆变器电路，双极性电源的运算放大器。
- 您也可以驱动需要+ 12V电源才能进入工作状态的前置放大器电路。
希望您喜欢本文并从中学到新东西。如有任何疑问，可以在下面的评论中提问，也可以使用我们的论坛进行详细讨论。