Neste artigo, aprendemos como fazer alguns circuitos duplicadores de tensão DC para DC simples usando um único IC 4049 e IC 555, juntamente com alguns outros componentes passivos.
Se você está se perguntando como um simples IC 555 pode ser usado para fazer um poderoso circuito dobrador de tensão, este artigo o ajudará a entender os detalhes e construir o projeto em casa.
O que é um dobrador de tensão
Em um circuito dobrador de tensão, um circuito oscilador alimenta uma tensão de alta frequência em uma rede de capacitores de resistor especialmente arranjada, o que resulta em uma saída DC que é duas vezes maior que a fonte DC de entrada.
Se você é novo no conceito de duplicador de tensão e deseja aprender o conceito em profundidade, temos um artigo bem elaborado neste site explicando diferentes circuitos multiplicadores de tensão para sua referência.
O conceito de multiplicador de tensão foi descoberto e usado praticamente pelos físicos britânicos e irlandeses John Douglas Cockcroft e Ernest Thomas Sinton Walton, por isso também é chamado de Gerador Cockcroft-Walton (CW).
Um bom exemplo de projeto de multiplicador de tensão pode ser estudado através deste artigo que explora o conceito de geração de ar ionizado para purificação do ar em residências.
Um circuito dobrador de tensão também é uma forma de multiplicador de tensão em que o estágio de diodo/capacitor é restrito a apenas alguns estágios, de modo que a saída pode produzir uma tensão que pode ser o dobro da tensão de alimentação.
Como todos os circuitos multiplicadores de tensão requerem obrigatoriamente uma entrada CA ou uma entrada pulsante, um circuito oscilador torna-se essencial para alcançar os resultados.
Detalhes da Pinagem IC 555
Diagrama de Circuito do Dobrador de Tensão usando IC 555
Referindo-se ao exemplo acima, podemos ver um circuito IC 555 configurado como um estágio multivibrador astável, que na verdade é uma forma de oscilador, e é projetado para produzir uma CC pulsante (ON/OFF) em seu pino de saída 3.
Se você se lembra, discutimos um circuito de tocha de LED neste site, que usa de maneira idêntica um circuito dobrador de tensão, embora a seção do oscilador seja criada usando portas IC 4049.
Basicamente, você pode substituir o estágio IC 555 por qualquer outro circuito oscilador e ainda obter o efeito de duplicação de tensão.
No entanto, o uso do IC 555 tem um pequeno benefício, pois este IC é capaz de gerar mais corrente do que qualquer outro circuito oscilador baseado em IC sem usar nenhum estágio amplificador de corrente externo.
Como funciona o estágio do dobrador de tensão
Como pode ser visto no diagrama acima, a multiplicação de tensão real é implementada pelos estágios D1, D2, C2, C3, que são configurados como uma rede multiplicadora de tensão de 2 estágios meia ponte.
Simular este estágio em resposta à situação do pino 3 do IC 555 pode ser um pouco difícil, e ainda estou lutando para fazê-lo funcionar corretamente no meu cérebro.
De acordo com a minha simulação mental, o funcionamento do estágio dobrador de tensão mencionado pode ser explicado como dado nos seguintes pontos:
- Quando o pino 3 de saída do IC está em sua lógica baixa ou nível de terra, D1 é capaz de carregar C2, uma vez que é capaz de avançar polarizado através do potencial negativo de C2 e pino 3, também simultaneamente C3 é carregado via D1 e D2 .
- Agora, no instante seguinte, assim que o pino 3 ficar em alta lógica ou no potencial de fornecimento positivo, as coisas ficam um pouco confusas.
- Aqui C2 não pode descarregar via D1, então temos uma saída de nível de alimentação de D1, de C2 e também de C3.
- Muitos dos outros sites online dizem que neste ponto a tensão armazenada dentro de C2 e o positivo de D1 devem combinar com a saída de C3 para produzir uma tensão dobrada, no entanto, isso não faz sentido.
- Porque, quando as tensões se combinam em paralelo, a tensão da rede não aumenta. As tensões devem ser combinadas em série para causar o efeito de reforço ou duplicação desejado.
- A única explicação lógica que pode ser derivada é que, quando o pino 3 fica alto, o negativo de C2 está no nível positivo e sua extremidade positiva também é mantida no nível de alimentação, ele é forçado a produzir um pulso de carga reversa que se soma ao C3 carga, causando um pico de potencial instantâneo com uma tensão de pico duas vezes maior do que o nível de alimentação.
Se você tiver uma explicação melhor ou tecnicamente mais correta, sinta-se à vontade para explicá-la através de seus comentários.
Quanta corrente?
O pino 3 do IC é atribuído para fornecer uma corrente máxima de 200mA, portanto, a corrente máxima de pico pode ser esperada neste nível de 200mA, no entanto, os picos ficarão mais estreitos dependendo dos valores C2, C3. Capacitores de valor mais alto podem permitir uma transferência de corrente mais completa na saída, portanto, certifique-se de que os valores C2, C3 sejam selecionados de maneira ideal, cerca de 100uF / 25V será suficiente
Uma aplicação prática
Embora um circuito dobrador de tensão possa ser útil para muitas aplicações de circuitos eletrônicos, uma aplicação baseada em hobby pode ser iluminar um LED de alta tensão a partir de uma fonte de baixa tensão, conforme mostrado abaixo:
No diagrama de circuito acima, podemos ver como o circuito é usado para iluminar uma lâmpada LED de 9V de uma fonte de alimentação de 5V, o que normalmente seria impossível se os 5V fossem aplicados diretamente no LED.
Relação entre Frequência, PWM e Nível de Saída de Tensão
A frequência em qualquer circuito dobrador de tensão não é crucial, no entanto, uma frequência mais rápida ajudará você a obter melhores resultados do que frequências mais lentas.
Da mesma forma para a faixa PWM, o ciclo de trabalho deve ser de aproximadamente 50%, pulsos mais estreitos causarão uma corrente mais baixa na saída, enquanto pulsos muito largos não permitirão que os capacitores relevantes descarreguem de maneira ideal, novamente resultando em uma potência de saída ineficaz.
No circuito astável IC 555 discutido, o R1 pode estar em qualquer lugar entre 10K e 100K, este resistor junto com o C1 decide a frequência. C1 consequentemente pode estar em qualquer lugar entre 50nF a 0.5uF.
O R2 permitirá fundamentalmente que você controle o PWM, portanto, isso pode ser transformado em um resistor variável através de um potenciômetro de 100K.
Outro dobrador de tensão 555
O circuito mostrado abaixo é outro duplicador de tensão CC baseado em IC 555, que produz uma tensão de saída CC que é quase o dobro da tensão de alimentação.
A saída do 555 é conectada a um circuito duplicador de tensão que consiste nos capacitores C4 e C5, bem como nos diodos D1 e D2. Contanto que a saída esteja descarregada, o circuito fornece uma saída que é aproximadamente o dobro da tensão de alimentação. O valor exato da saída é:
VFora = 2 x Vpico (Vfd1 + Vfd2)
Onde Vpico representa a tensão de saída de pico do gerador de onda quadrada, e Vfd1 e Vfd2 indicam as quedas de tensão direta dos diodos multiplicadores D1 e D2 (aproximadamente 600 milivolts).
Assim que a saída do circuito é carregada, a tensão de saída cai. Qualquer fonte DC entre 5 e 15 volts pode operar com o circuito dobrador de tensão mostrado acima. Isso pode fornecer saídas de tensão em uma faixa de aproximadamente 10 a 30 volts devido ao seu efeito de duplicação de tensão. A aplicação de estágios multiplicadores adicionais ao circuito resultará em uma tensão mais alta.
Usando portas IC 4049 NOT
O seguinte circuito baseado em CMOS IC pode ser usado para dobrar qualquer tensão de fonte DC (até 15 V DC). O projeto apresentado dobrará qualquer tensão entre 4 a 15 V DC e será capaz de operar cargas com corrente não superior a 30 mA.
Como pode ser visto no diagrama, este circuito duplicador de tensão CC emprega apenas um único IC 4049 para alcançar o resultado proposto.
Pinagens IC 4049
Operação do Circuito
O IC 4049 tem seis portas no total, todas elas efetivamente para gerar as ações de duplicação de tensão discutidas. Dois dos portões dos seis são configurados como um oscilador.
A extremidade esquerda do diagrama mostra a seção do oscilador.
O resistor de 100 K e o capacitor de 0,01 formam os componentes básicos determinantes da frequência.
Uma frequência é obrigatoriamente necessária se uma ação de escalonamento de tensão precisar ser implementada, portanto, também aqui o envolvimento de um oscilador se torna necessário.
Essas oscilações tornam-se úteis para inicializar a carga e descarga de um conjunto de capacitores na saída, o que equivale à multiplicação da tensão no conjunto de capacitores de tal forma que o resultado se torna o dobro da tensão de alimentação aplicada.
No entanto, a tensão do oscilador não pode ser aplicada preferencialmente diretamente aos capacitores, mas sim através de um grupo de portas do CI dispostas em paralelo.
Essas portas paralelas juntas produzem um bom buffer para a frequência aplicada das portas do gerador, de modo que a frequência resultante seja mais forte em relação à corrente e não vacile com cargas relativamente mais altas nas saídas.
Mas ainda mantendo as especificações de um CMOS IC em mente, a capacidade de manuseio da corrente de saída não pode ser maior que 40 mA.
Cargas mais altas do que isso resultarão na deterioração do nível de tensão em direção ao nível de alimentação.
Os valores do capacitor de saída podem ser aumentados para 100uF para obter níveis de eficiência razoavelmente mais altos do circuito.
Com 12 volts como entrada de alimentação para o IC, uma saída de cerca de 22 volts pode ser adquirida a partir deste circuito dobrador de tensão baseado no IC 4049.
Lista de peças
- R1 = 68K,
- C1 = 680pF,
- C2, C3 = 100 uF/25V,
- D1, D2 = 1N4148,
- N1, N2, N3, N4 = IC 4049,
- LEDs Branco = 3 nos.
Circuitos triplicadores e quádruplos de tensão
As tensões de saída que podem ser obtidas do seguinte circuito triplicador de tensão CC podem variar de 15 a 45 volts.
O circuito quadruplicador de tensão CC mostrado na próxima figura pode ser usado para gerar tensões de saída que variam de 20 a 60 volts.
Circuito Dobrador de Tensão Negativa
O layout para um gerador de tensão negativa CC é mostrado na figura a seguir, que pode produzir uma tensão de saída que é aproximadamente semelhante em amplitude (duplo), mas com uma polaridade negativa.
Ele também funciona a 3 Hz e alimenta um estágio de saída que inclui os capacitores C4 e C5, bem como os diodos D1 e D2. A saída dupla deste circuito pode ser usada para alimentar CIs que precisam de energia positiva e negativa de uma fonte de polaridade única.
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