Сборка надежного удвоителя напряжения на таймере 555 — пошаговая схема

Как сделать базовую схему удвоителя напряжения?

Как следует из названия, статья помогает спроектировать схему, выдающую на выходе напряжение в 2 раза выше входного. Например, подача 10В на вход даст 20В на выходе.

Это один из многих доступных схем преобразования напряжения, но дешевый и эффективный способ удвоения без громоздкого трансформатора, неудобного для малых применений.

Эти схемы используют конденсаторы для накопления энергии и являются разновидностью выпрямительных схем. Ключевые диоды снижают стоимость вместо дорогих MOSFET или биполярных транзисторов.

Удвоитель напряжения — схема из семейства умножителей напряжения. Здесь рассмотрим удвоитель на таймере 555 с компонентами и описанием.

Связанные проекты:

• Двухполярный источник питания 230ВAC → ±12ВDC
• Как сделать схему утроителя напряжения?
• Преобразователь 12В в 5В

Схема удвоителя напряжения

Соберете компоненты точно так, как показано на рисунке ниже.

Необходимые компоненты

1. Таймер 555 (IC 555)
2. Диоды — 1N4007
3. Резисторы — 10 кОм и 33 кОм
4. Конденсаторы — 22 мкФ и 0.01 мкФ
5. Источник питания

Таймер 555 (IC 555)

IC 555 — интегральная схема для таймеров, генерации импульсов, осцилляторов. Введена в 1972 г., все еще широко используется благодаря низкой цене и стабильности. Распиновка ниже:

Таймер 555
Ножка	Имя	Назначение
1	GND	Опорное напряжение (земля)
2	TRIG	Управление выходом
3	OUT	Выход ~1.7В ниже Vcc или земля
4	RESET	Сброс временного интервала
5	CTRL	Доступ к внутреннему делителю напряжения
6	THR	Порог остановки тайминга
7	DIS	Коллектор с открытым коллектором для разрядки конденсатора
8	Vcc	Положительное питание

Три режима работы:

• Бистабильный: 2 стабильных состояния (LOW/HIGH), управляются RESET и TRIG.
• Моностабильный: Один импульс при срабатывании триггера.
• Астабильный: Непрерывная последовательность импульсов с точной частотой, задаваемой 2 резисторами и конденсатором во внешней цепи.

Связанные проекты:

• Автоматический выключатель света в ванной — схема и принцип
• Автоматический дверной звонок с детекцией объектов на Arduino

Диод 1N4007

1N4007 — выпрямительный p-n переход. Пропускает ток только в одном направлении. Применения: свободно-вращающиеся диоды, выпрямление источников питания, инвертеры, преобразователи.

Распиновка 1N4007
Ножка	Имя	Заряд
1	Анод	+
2	Катод	-

Понимание компонента улучшается знанием его электрических характеристик.

Электрические характеристики 1N4007
Параметр	Значение	Единицы
Прямое напряжение при 1.0 А	1.1	В
Обратный ток при 25°C	5	мкА
Полная емкость при 1.0 МГц	15	пФ
Макс. обратный ток при нагрузке 75°	30	мкА
Средний выпрямленный прямой ток	1	А
Пиковое повторяющееся обратное напряжение	1000	В

Особенности 1N4007:

• Низкий утеточный ток
• Низкое прямое падение напряжения
• Высокая импульсная пропускная способность

Связанные проекты:

• Как сделать простую мигающую LED-схему на 555
• PCB дизайн LED мигалки на 555

Основные реальные применения:

1. Преобразователи
2. Коммутация во встраиваемых системах
3. Свободно-вращающиеся диоды
4. Инвертеры
5. Общее выпрямление источников питания
6. Защита от обратного тока микроконтроллеров (Arduino, PIC)

Принцип работы удвоителя напряжения

Схема работает в двух половинах, дополняющих друг друга. Первая часть с таймером 555 работает в астабильном режиме, генерируя прямоугольные импульсы.

Вторая часть удваивает напряжение: 2 конденсатора и 2 диода, соединенные как на схеме. 555 используется в режиме астабильного мультивибратора.

Этот режим генерирует прямоугольную волну ~2 кГц с комбинацией 2 резисторов и конденсатора. По схеме: когда ножка 3 таймера LOW — диод D1 открыт (прямое смещение), заряжает конденсатор C3 через себя. Конденсатор заряжается прямо от питания до напряжения входа.

Когда импульс от таймера HIGH — ножка 3 выдает HIGH. D1 закрыт (обратное смещение), блокирует зарядку C3, заряженного до напряжения питания.

При закрытом D1 диод D2 открыт и заряжает конденсатор C4 через себя. C4 заряжается энергией из C3 (уже заряженного до напряжения питания) ПЛЮС напряжением от питания напрямую. Таким образом, на C4 напряжение в 2 раза выше входного.

Теоретически выход должен давать ровно 2× входное напряжение, но зарядка/разрядка конденсаторов не без потерь, энергия не полностью передается, зарядка не идеальна.

При эксперименте с 5В на входе выход дал ~8.7–8.8В вместо теоретических 10В.

Связанные проекты:

• Схема LED рулетки на 555 и 4017
• Простой сенсорный выключатель на 555 и BC547

Недостатки

Хотя схема простая и дешевая для получения повышенного напряжения, у нее есть недостатки. Знание их заранее позволяет правильно анализировать результаты.

1. Схема полезна для получения высокого напряжения от низкого, но ток нагрузки < 50 мА. Только для применений с очень низким потреблением тока.
2. Выход нестабилен из-за зарядки/разрядки конденсаторов и коммутации диодов. Можно использовать стабилизатор для выравнивания, но он потребляет свой ток — нужны расчеты, чтобы не превысить лимит тока схемы.

Связанные проекты:

• Как сделать простую мигающую LED-схему на 555
• Хлопушный выключатель на 555 и без таймера

Меры предосторожности

1. Из-за ограничений таймера 555 входное напряжение не может быть > 12В и < 3В. Работа в диапазоне 3–12В гарантирует безопасность компонентов.
2. Схема зависит от зарядки/разрядки конденсаторов — выход не установится на 2× входном напряжении сразу после включения, потребуется время для стабилизации.
3. Ток нагрузки не должен превышать установленное значение (обычно 50–70 мА).
4. Так как C4 заряжается до 2× напряжения питания, его номинальное напряжение должно быть минимум в 2 раза выше входного, в отличие от других конденсаторов (номинал ≥ входного напряжения).
5. Выходное напряжение зависит от зарядки/разрядки конденсаторов. Время зарядки/разрядки варьируется, точные измерения могут не совпадать с теоретическими. Потери энергии при зарядке/разрядке неидеальны. При 5В входе выход ~8.7В, при 12В — ~18–20В.

Связанные проекты:

• Управление светофором на IC 4017 и 555
• Простая схема зарядки телефона 5В от 230В
• Автоматическая система управления железнодорожными шлагбаумами — схема и код
• Схема электронного реле — NPN, PNP, N и P-канал
• Схема LED рулетки на 555 и 4017
• Электронный автомат — схема и принцип
• Умная ирригация — схема и код
• Регулируемый источник питания на Arduino UNO — схема и код
• Автоматический ночной светильник на Arduino
• ИК-детектор движения
• Простой сенсорный выключатель