tankevurpa spänningsdubblare?

[jesse]

Jag kom på något genialiskt , trodde jag....

Först hade jag en vanlig oscillator med en 555:a som skickade ut en signal.
Den drivs av 12 volt DC.

I samma krets behövde jag en högre spänning för att driva en OP-förstärkare. Jag tänkte att jag kan slå två flugor i en smäll och använda oscillatorsignalen till en chargepump. Så jag kopplade på dioder och kondensatorer och det blev en chargepump.

spdubl.png

Men så ville jag gärna boosta utsignalen på 555:an. Den hade inte skadat om den hade haft lite högre spänning ut.

Då kom jag på den geniala idén att som matningsspänning till 555:an ta utgången från chargepumpen, som alltså drivs av samma 555:a..... rundgång....

Så här tänkte jag.... jag har 12 volt in. Eftersom det är 2 dioder i serie kommer 555:an att få matningsspänningen 10.8 volt i början. Men när den börjar oscillera kommer givetvis denna spänning att fördubblas.... och fördubblas... och fördubblas....
Skulle jag får 24, 36 , 48 eller 1000 volt ut???

Jag skissade upp det i LTspice, men blev besviken. Hur jag än gjorde så fick jag ut mellan 6 och 9 volt.... hur sjutton gick det till..... jag hade ju två dioder i serie från spänningskällan 12 volt.... När jag kollade strömmarna förstod jag att något var väldig fel med den här kopplingen.... strömmar på upp till 72 Ampere genom dioderna.... Riktigt tokfel den här gången med andra ord.

Frågan är: vad hade hänt i verkligheten? hade 555:an brunnit upp? Dioderna? Eller hade jag fåt 10.000 volt ut?

[prototypen]

En del swltchade (step up) fungerar på det viset att de drivs av sin egen spänning.

Men som jag alltid tycker/skriver PROVA, men ha högspänningsprober tillgänliga.

Om du har problem med dåligt swing från 555 så sätt en 4069 med alla inverterarna i parallell.
Jag har gjort en dubblare för att kunna ta ut 500 mA under mycket kort stund, 555 höll inte men 4069 bara tuffar på.

Protte

[Icecap]

Du kommer att få ut dubbla spänningsmatning - 2 diodsträckor och det gäller bara obelastat. Belastar du ska man räkna på impedans o skit.

[bearing]

När utgången stiger kommer en ström gå genom högra dioden och in i högra kondensatorn. Samma ström tar 555an från Vcc. Eftersom att Vcc är ansluten till högra kondensatorn blir summan av strömmarna 0.

[kasfrosk]

Du verkar verkligen ha snöat in på 555:or
Själv blev jag mer eller mindre allergisk mot dom redan på 90-talet. Vänta du bara. Fast CMOS-varianten var ett riktigt lyft, förstås. Men vid det laget behövde jag inga 555:or längre.

Jag vet faktiskt inte hur jag ska förklara det här på ett bra sätt, men den där 555:an kommer inte att ladda upp sin egen matning. Tänk som så att den vanliga matningen kan bara ge max dubbel matning med en enstegs diodpump, och om du återmatar utgången från en regulator till dess egen matning så kommer den förstås att till slut gå ner i spänning. Lägg ihop dom två principerna, och du har en rimlig förklaring till att hela skiten inte dör i en rökpuff. (Det är inte riktigt så enkelt. Men jag suger på förklaringar, och i just det här fallet så stämmer det nog tillräckligt bra.)

[jesse]

jag kan tänka mig följande (komponenterna kallar jag D1,C1 och D2,C2):

a) nedre transistorn leder - det innebär 0V på utgången och C1 (vänstra kondensatorn) laddas till 12 volt.
b) övre transistorn leder => Vut kortsluts till C1:s nedre del. Eftersom C1:s övre del har direktkontakt med Vut via dioden så kommer C1 att kortslutas, laddas ur helt och omedelbart via D2.
c) nedre transistorn leder igen - C1 laddas upp igen.

I praktiken kommer detta att bli en kortslutning... så det var väl därför LTspice visade 72 ampere genom dioderna !
I praktiken hinner något brinna långt innan dess (jag kan gissa att 555:an brinner).

Varför 555:a? Nej.. egentligen... visst funkar t.ex. 4069 eller 4093 också bra som oscillator , men de är ju så klumpiga. (om man vill köra på 5 volt VCC så finns ju tiny-logic-kretsar, t.ex. 74LVC1G14 i SOT-23-5 kapsel för endast 1.61 kr/st (25st), en enkel scmitt-trigger-inverter. Vill man ha två komplementerande utgångar så köper man SN74LVC2G14 - SOT23-6

men ha högspänningsprober tillgänliga.

De flesta 555:or tål ju bara 16 eller 20 volt VCC max, så jag antar att idén var körd redan från början, egentligen.

[kasfrosk]

Alltså, ditt tänk är inte helt fel, men du försummar lite förlust i varje steg, och i några steg du inte har med.

En perpetuum mobile är lite svår att bygga, har det visat sig.

[Nerre]

Tankefelet är väl att utspänningen kommer inte att bero på "pulsens" amplitud utan på dess duty cycle.

När den drar ström från matningen så laddas kondingen på 555:ans utgång upp under den tid signalen är låg. Eftersom spänningsskillnaden kommer hinna ändras så mycket så kommer det mer eller mindre att bli en konstant ström och kondensatorns laddning beror enbart på tiden.

När utgången sen går hög så trycks den laddningen ut genom den högra dioden och även där blir det mer eller mindre konstant ström eftersom spänningsskillnaden inte kommer hinna ändras så mycket.

[bearing]

Nja, utspänningen har inte med duty att göra. De här spänningspumparna är ju väldigt ineffektiva eftersom att de bara överför energi i flankerna (i transistorernas linjära område). De duger väl för att skapa en spänning, men inte någon ström att tala om.

Vad var det som inte stämde med min förklaring?

Hur lyckades du få 72 A ur en 555:a? verkar ju som att modellen inte är särskilt riktig isf, eller använde du inte den modell av NE555 som följer med LTspice?

[Nerre]

Nej, det var tankefel av mig också där, det är ju frekvensen som påverkar spänningen, inte duty cycle.

[bearing]

Hur menar du med att frekvensen påverkar?

Som jag ser det blir utspänningen dubbla inspänningen, minus några diodframspänningsfall och resistiva förluster. Detta förutsätter att frekvensen är så låg så att kondensatorn hinner laddas mellan varje flank, och det ser jag som en förutsättning för att det ska funka.

[Nerre]

Det förutsätter att kondensatorn som sitter på 555:ans utgång hinner laddas fullt i varje "negativ" puls.

Men om frekvensen är för hög kommer kondensatorn inte att laddas fullt och "lyftet" blir inte en dubblering.

Om du börjar med utgångspunkten att 555:ans utgång är låg så kommer kondingen där att laddas upp via den vänstra dioden. Det tar en viss tid för kondingen att laddas upp. Det tar VÄLDIGT lång tid för kondingen att laddas fullt (eftersom laddströmmen är proportionell mot spänningsskillnaden, som minskar vartefter kondingen laddas).

Om du väntar tills kondingen är laddad till 70% och sen växlar så kommer du att "lyfta" kondingen med 555:ans utgångsspänning och du får alltså 170% spänning före den högra dioden. Men sen ska den laddning som ligger i kondensatorn på 555:ans utgång tryckas över i kondensatorn på andra sidan. Tänk också på att den ström som går genom dioden kommer att delas mellan kondingen och en eventuell last.

Spänningen över kondingen som sitter på 555:ans utgång kommer att bli triangelformad (spänningen mellan kondingens "höga" sida och jord kommer att bli "husformad", en fyrkantvåg med trekantigt tak typ).


När man räknar dynamiskt med kondingar så kan man i princip strunta i spänningen, det du ska räkna på är ström och tid. Q=I*t

(Fast strömmen kommer ju att påverkas av spänningen, men ignorera för tillfället att kondingen laddas med en viss spänning. Kondingen laddas med en laddning, den laddningen beror på strömmen och tiden.)

[Icecap]

Grejen är att om oscillatorn drivs av Vut kommer den först att ladda upp kondensatorn som sitter på utgången när oscillatorutgången är 0V.

När den sedan växlar till Vut (vi låtsas att allt är ideellt) kommer den att kortslutas till Vut via dioden. Om oscillatorn alltså drivs av Vut får du INGEN spänningshöjning!

[jesse]

Eftersom man inte har en resistor i serie utan i princip släpper spänning rakt på kondingen så laddas den upp i princip omedelbart. Så det är först vid extremt korta tider som frekvens och duty-cycle kan påverka egentligen. Du får samma utspänning (om det är rätt kopplat, som i bilden i första inlägget) oberoende av frekvens, om du så har 200 kHz eller 0.1 Hz så blir det samma. Uut = Uin*2-2*Vf volt. Däremot , om den belastas med ström så kommer C2 att laddas ur beroende på strömmen och det uppstår ett rippel - och då sjunker medelspänningen, men topparna är desamma.

72A... ja , det var LTspice egna modell på 555a.. givetvis en förenklad modell och jag fattade förstås att det inte speglade någon verklighet. Däremot förstod jag att om jag får dessa värden i LTspice så är det något riktigt fel med kopplingen, och det kommer inte att fungera. I verkligheten hade jag kunnat tänka mig att med spänningsfall och inre motstånd mm så hade det gått ett par ampere genom komponenterna (om inte 555_an har nån slags kortslutningsskydd) i några millisekunder innan det säger poff.

[bearing]

Det tar VÄLDIGT lång tid för kondingen att laddas fullt (eftersom laddströmmen är proportionell mot spänningsskillnaden, som minskar vartefter kondingen laddas).

Håller inte med. Det är som jesse skriver ovan. Kondensatorn (ifall den har rimlig storlek) kommer laddas upp under omslagsförloppet, varefter den har full spänning. Möjligtvis kan det ta en stund extra att ladda kondensatorn ifall den har betydande ESR. Men med plast- eller keramkondensatorer kommer kondensatorn vara fullt laddad när omslagsförloppet är över.