使用555定时器来构建电荷泵电路

本文将使用我们心爱的 555 定时器来构建、演示和测试带有 555 定时器 IC 的正负电荷泵电路。

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，以获得高于输入电压或低于输入电压的输出电压。较低，我的意思是说相对于地的负电压。此外，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。

要了解电路的工作原理，我们需要先查看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，假设我们使用理想二极管和电容器来构建图 1所示的电路。此外，我们假设电路达到稳态并且电容器已充满电。此外，考虑到这些条件，我们没有连接到该电路的负载，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。

现在假设我们连接了来自信号发生器的 PWM 信号，并且信号在 0-5V 范围内振荡。

当位置 0的输入 PWM 信号处于0V 状态时，位置 1的电压为+5V 或 VCC。所以，这就是电容器充电到+5V 或 VCC 的原因。而在下一个周期，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。您可以观察到为什么电压会增加一倍。

它翻了一番，因为电容器端子处的参考被筛选了，并且由于二极管的作用，电流不能反向流过二极管，所以在位置 1，我们最终得到一个偏移的方波，它高于偏置电压或输入电压。 现在，您可以了解图 2 中波形位置 1 中的效果。

之后，信号被馈送到经典的单二极管整流电路以平滑方波并在输出端获得+10V直流电压。

在位置 2 的下一个阶段，电压为+10V，您可以从图 1 中验证。现在在下一个周期中，同样的现象再次发生，在最终整流完成后，位置 4的输出为+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，我们将了解电荷泵逆变器或负电荷泵的工作原理。

电荷泵逆变器

负电压电荷泵解释起来有点棘手，但请留下来，我将解释它是如何工作的。

在图 3的位置 0的第一个周期中，输入信号为0V，没有发生任何事情，但是一旦PWM 信号在位置 0处达到5V，电容器就开始通过二极管D1充电，很快就会在位置 1有5V 。现在我们有一个处于正向偏置状态的二极管，因此位置 1 的电压几乎会立即变为 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 处得到 -5V。

现在经典的单二极管整流器将完成其工作，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上。

在电路的下一个阶段，即位置 3 和位置 4，将同时发生相同的现象，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。

笔记！请注意，此时我没有提到位置 2，因为从位置 2 的电路可以看出，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 - 4

0.01uF 电容 - 2

4.7uF 电容 - 8

1N5819 肖特基二极管 - 8

680欧姆电阻 - 2

330欧姆电阻 - 2

12V 直流电源 - 1

通用单线 - 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，电路在原理图的帮助下构建在无焊面包板上。所有组件都尽可能靠近和整齐放置，以减少不必要的噪声和纹波。

计算

需要计算 555 定时器 IC 的 PWM 频率和占空比，所以我已经在这个555 定时器非稳定电路计算器工具的帮助下继续计算了 555 定时器的频率和占空比。

对于实际电路，我使用了相当高的10 kHz 频率，以减少电路中的纹波。下图是计算

正负电荷泵电路的测试设置

为了测试电路，使用以下工具和设置，

12V 开关电源 （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，并且没有考虑电容器的容差。测试期间室温为30摄氏度。

这里输入电压为 5V，我已将 12V 电源连接到 5V 7805 稳压器。所以整个系统由+5V DC供电。

上图显示555定时器IC的频率为8KHz，这是因为电阻和电容的容差因素。

从上面两张图，你可以计算出电路的占空比为63%。我已经事先测量过了，所以我不会再计算了。

接下来在上图中，可以看出，当我连接了9.1K的负载时，倍压器和电压逆变器电路的输出电压都下降了很多。

流经 9.1K 电阻的电流可以很容易地用欧姆定律计算出来，对于倍压器电路和电压逆变器电路，结果是1.21mA，结果是0.64mA。

现在只是为了好玩，让我们看看如果我们连接一个 1K 电阻作为负载会发生什么。你可以看到倍压器电路，它不处于用于为任何东西供电的状态。

输出端的纹波非常惊人。如果你试图用这种电源为任何东西供电，那肯定会毁了你的一天。

为了澄清，这里有一些电路的特写镜头。

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，可以将电路内置到穿孔板或 PCB 中。

可以加一个电位器，进一步提高555电路的输出频率

纹波可以通过使用更高值的电容器或仅通过使用更高频率的 PWM 信号来降低。

可以在电路的输出端添加一个 LDO，以获得相对恒定的输出电压。

应用

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

借助该电路也可以驱动 LCD。

借助具有双极性电源的电压逆变器电路运算放大器。

您还可以驱动需要 +12V 电源才能进入工作状态的前置放大器电路。