استفاده از اسیلاتور ۵۵۵ RC برای تولید مدارهای ضرب کننده ولتاژ

در ادامه مقاله قبل؛  این مقاله در مورد تایمر ۵۵۵ به برخی کاربردها و مدارهایی که می­‌توانیم در هنگام استفاده از ۵۵۵ به عنوان یک مولتی ویبراتور  آستابل بسازیم، می­‌پردازد.

از مقاله قبلی در مورد تایمر ۵۵۵ به یاد داریم که برای اینکه به عنوان یک اسیلاتور موج مربعی نوسان کند، باید به طور مداوم آن را با دوره زمان­‌بندی T و در نتیجه فرکانس خروجی ƒ تنظیم شده توسط خازن زمان­‌بندی C و مقاومت‌­های فیدبک RA و RB، دوباره فعال کنیم. چرخه کاری D و همچنین فرکانس توسط نسبت این مقاومت‌­های زمان­‌بندی کنترل می­‌شود.

با در نظر گرفتن این موضوع، می‌توانیم مولتی ویبراتور اولیه ۵۵۵ را طوری طراحی کنیم که فرکانس خروجی در حدود ۱۵۰۰ هرتز را با استفاده از مقادیر قطعات مورد نظر، همانطور که نشان داده شده است، فراهم کند.

مدار مولتی ویبراتور ۵۵۵ اولیه

با استفاده از مقادیر قطعات داده شده، مقادیری از: t1 = 375uS، t2 = 325uS، T = 700uS، ƒ = 1430Hz یا ۱.43kHz و یک سیکل کاری D حدود ۰.۵۳۵ یا ۵۳.۵٪ بدست می‌­آید.

همچنین توجه داشته باشید که از آنجایی که چرخه کاری ۵۳.۵ درصد است، هنگامی که نوسان­‌ساز ۵۵۵ به ولتاژ تغذیه ۹ ولت متصل می­‌شود، میانگین ولتاژ معادل DC خروجی موجود در خروجی (پایه ۳) برابر ۹×۰.۵۳۵ یا تقریباً برابر با ۴.۸ ولت خواهد بود. و هنگامی که به ولتاژ تغذیه ۱۵ ولت متصل ‌­شود، ولتاژ خروجی DC معادل ۵×۰.۵۳۵ خواهد بود که حدود ۸ ولت است. این سطح ولتاژ نشان دهنده ولتاژ ورودی DC  (V_IN) به مدار ضرب­‌کننده ولتاژ است.

ضرب‌کننده ولتاژ ۵۵۵

ترانسفورماتورها دستگاه‌­های بسیار کارآمدی برای تبدیل ولتاژ ورودی AC اولیه به ولتاژ خروجی ثانویه هستند که ولتاژ ثانویه را نسبت به ولتاژ اولیه زیاد یا کم می‌­کنند. اما اگر بخواهیم یک ولتاژ DC ثابت را از یک مقدار به مقدار دیگر تبدیل کنیم، نمی‌­توانیم از ترانسفورماتور برای این کار استفاده کنیم.

تایمر ۵۵۵ را می‌­توان برای تبدیل ولتاژ DC به ولتاژ DC بسیار بالاتر و حتی معکوس کردن علامت ولتاژ DC تنها با افزودن چند قطعه اضافی به پین خروجی آن استفاده کرد. بسیاری از کاربردهای الکترونیکی به منابع ولتاژ کم متفاوت برای تغذیه بخش‌های مختلف مدار نیاز دارند و نوسان‌گر ۵۵۵ ساده بالا به‌عنوان یک ضرب‌کننده بدون ترانسفورماتور ولتاژ DC به DC، پیکربندی شده است تا برای برآورده کردن نیاز بسیاری از کاربردهای کم مصرف استفاده شود.

مدار دو برابر‌کننده ولتاژ ۵۵۵

ابتدایی­‌ترین و ساده­‌ترین ضرب­‌کننده ولتاژ DC به DC که به راحتی ساخته می­‌شود، دو برابر­کننده ولتاژ است. ۵۵۵ به عنوان یک مولتی ویبراتور ناپایدار پیکربندی شده است تا شرایط ورودی برای مدار “پمپ شارژ” (charge pump) ایجاد شده با استفاده از دیود و شبکه خازن را تامین کند.

مدار دو برابر‌کننده ولتاژ ۵۵۵

این مدار دو برابرکننده ولتاژ ۵۵۵ ساده شامل یک نوسان­‌ساز ۵۵۵ و یک شبکه دو برابر­کننده ولتاژ خازن-دیود تشکیل شده توسط C3، D1، D2 و C4 است. این مدار دو برابرکننده ولتاژ، ولتاژ تغذیه را چند برابر کرده و خروجی‌­ای تولید می­‌کند که تقریباً دو برابر مقدار ولتاژ ورودی منهای افت ولتاژ دیود است.

هنگامی که خروجی در پایه ۳ در حالت کم است، خازن ۵۰ میکروفاراد (C_۳) تا ولتاژ تغذیه از طریق دیود  D1 با دیود D2 خاموش، شارژ می‌‌­شود. هنگامی که خروجی ۵۵۵ زیاد می‌­شود، ولتاژ در C3 از طریق دیود D2 تخلیه می شود، زیرا D1 بایاس معکوس است و این ولتاژ به ولتاژ منبع اضافه می‌­شود زیرا VCC و C3 اکنون مانند دو منبع ولتاژ سری هستند.

چرخه زمان‌­بندی ۵۵۵ مجدداً از زیاد به کم تغییر حالت داده و یک بار دیگر تکرار می­‌شود، بنابراین یک ولتاژ بار DC تولید می­‌شود که دو برابر ولتاژ ورودی اصلی است (دو برابرکننده ولتاژ). بنابراین مدار دو برابرکننده ولتاژ ۵۵۵ می­‌تواند ولتاژ خروجی از حدود ۱۰ تا ۳۰ ولت در جریان بسیار کم تولید کند.

نکته دیگری که باید به آن توجه داشت این است که فرکانس نوسان مولتی ویبراتور ۵۵۵ آستابل که برای تولید سیگنال ورودی موج مربعی استفاده می‌شود، مقدار خازن‌های مورد استفاده را تعیین می‌کند، زیرا آن­ها به همراه مقدار بار متصل­‌شده، یک مدار شارژ/تخلیه RC برای فیلتر ولتاژ خروجی تولید می‌کنند. مقدار خازن خیلی کم یا فرکانس نوسان خیلی کم باعث ایجاد اعوجاج در شکل موج ولتاژ خروجی و در نتیجه ولتاژ خروجی متوسط ​​DC کمتری می‌­شود.

با اتصال بدون بار، ولتاژ خروجی دو برابر ولتاژ اولیه تغذیه ۵۵۵ خواهد بود. ولتاژ خروجی واقعی به مقدار بار متصل RL و جریان بار IL بستگی دارد. همانطور که گفته شد، مدار دو برابرکننده ولتاژ ۵۵۵ بالا می­‌تواند حدود ۳۰ میلی آمپر را در ولتاژ نامی تامین کند.

انواع زیادی از مدار دو برابرکننده ولتاژ بالا وجود دارد، اما همه آن­ها از دو جفت دیود/خازن برای فراهم کردن ضریب ۲ استفاده می‌­کنند. با افزودن شبکه‌های دیود/خازن بیشتر به دو برابرکننده ولتاژ، می‌توانیم مدارهایی ایجاد کنیم که نسبت‌های ضرب ولتاژ را به همان اندازه که می‌خواهیم ایجاد می‌­کنند.

به عنوان مثال، با افزودن نیمی از ترکیب دیود/خازن به مدار دو برابرکننده ولتاژ ۵۵۵، یک مدار سه برابرکننده ولتاژ با ضریب ۳ ایجاد می­‌شود و با افزودن یک بخش دیود/خازن کامل دوم به مدار دو برابرکننده ولتاژ ۵۵۵، یک چهار برابرکننده ولتاژ با ضریب ۴ تولید می­‌شود که در زیر نشان داده شده است.

مدار سه برابرکننده ولتاژ ۵۵۵

چهار برابرکننده ولتاژ با استفاده از تایمر ۵۵۵ با اتصال آبشاری (cascading) دو شبکه دو برابرکننده ولتاژ در صورت نادیده گرفتن تلفات و افت ولتاژ دیود، ولتاژ خروجی تقریباً 4V_IN را تولید می­‌کند.

مدار چهار برابرکننده ولتاژ ۵۵۵

علاوه بر تولید ضرب‌کننده‌های ولتاژ با ولتاژهای خروجی مثبت مختلف، می‌توانیم آن‌ها را برای تولید ولتاژ خروجی منفی به سادگی با معکوس کردن جهت‌ها و قطبیت‌های دیودها و خازن‌های مورد استفاده، مطابق شکل زیر، پیکربندی کنیم.

دو برابرکننده ولتاژ منفی ۵۵۵

دیدیم که ضرب­‌کننده ولتاژ مبتنی بر تایمر ۵۵۵ می­‌تواند برای دو برابر کردن، سه برابر کردن یا حتی چهار برابر کردن یک ولتاژ منبع تغذیه برای تولید ولتاژهای مختلف مثبت و منفی استفاده شود. در تئوری هیچ محدودیتی برای مقدار ضریب ولتاژ که با اتصال چندین بخش دیود/خازن با هم تولید می­‌شود، وجود ندارد تا ولتاژهای به تدریج بالاتر مانند ولتاژهایی که در یونیزرهای هوا (air ionizer) یا حشره­‌کش‌­های برقی (bug zapper) استفاده می‌شوند، تولید شود. با این حال، هنگام برخورد با چنین ولتاژهای خروجی بالا باید مراقب شوک الکتریکی بود.

مدار مبدل DC به AC با ۵۵۵

می‌توانیم ایده ضرب‌­کننده ولتاژ ۵۵۵ را با استفاده از مدار تایمر پایه ۵۵۵ برای تولید یک اینورتر DC به AC، گسترش دهیم. با ۵۵۵ پیکربندی شده برای عمل به عنوان یک نوسانگر موج مربعی و چند قطعه اضافی، می­‌توانیم یک خروجی موج سینوسی در سطح ولتاژ مورد نظر ۱۲۰ ولت یا ۲۴۰ ولت همانطور که نشان داده شده است، تولید کنیم.

معکوس‌کننده (Inverter) DC به AC

مدار اینورتر DC به AC چگونه کار می­‌کند؟ تایمر ۵۵۵ طوری پیکربندی شده است که به عنوان یک مولتی ویبراتور آستابل نوسان داشته باشد که خروجی موج مربعی را مانند قبل تولید کند. اما این بار می‌خواهیم فرکانس خروجی همان فرکانس شبکه AC باشد، یعنی ۵۰ هرتز یا ۶۰ هرتز که با استفاده از یک پتانسیومتر ۴۷ کیلو اهم بدست می‌آید.

مقاومت زمان‌­بندی RB از یک مقاومت با مقدار ثابت ۱۰۰ کیلو اهم به صورت سری با پتانسیومتر ۴۷ کیلو اهم تشکیل شده است. هنگامی که پتانسیومتر طوری تنظیم می‌­شود که درجه آن در موقعیت صفر قرار گیرد، R_B = 100kΩ (۰ + 100kΩ) و هنگامی که در جهت مخالف موقعیت حداکثر خود تنظیم می‌­شود، R_B = 147kΩ (47kΩ + 100kΩ) می­‌باشد.

بنابراین با استفاده از فرمول های قبلی، فرکانس خروجی ۵۵۵ را می­‌توان با استفاده از پتانسیومتر از حدود ۴۶ هرتز تا ۶۵ هرتز تنظیم کرد و فرکانس های خروجی ۵۰ هرتز یا ۶۰ هرتز مورد نیاز را همانطور که از منبع تغذیه AC انتظار داریم، مشاهده کنیم.

فرکانس خروجی موج مربعی از پین ۳ تایمر ۵۵۵ از طریق یک مقاومت محدود کننده جریان R1 به بیس‌­های دو ترانزیستور مکمل می‌­رسد. هنگامی که خروجی زیاد است (تامین جریان)، ترانزیستور NPN هدایت کرده و ترانزیستور PNP خاموش است، و زمانی که خروجی کم است (جذب جریان)، ترانزیستور PNP هدایت کرده و ترانزیستور NPN خاموش است. بنابراین، همانطور که سیگنال خروجی موج مربعی بین زیاد و کم نوسان می‌­کند، ترانزیستور دیگر را سوئیچ می­‌کند زیرا آن­ها جفت‌­های مکمل هستند.

ترانزیستورهای TR_۱ و TR_۲ می­‌توانند هر ترانزیستور NPN و PNP مکمل معقولی مانند TIP41، 2N2222 و TIP42، 2N2907، یا یک جفت دارلینگتون منطبق مانند NPN TIP140، TIP3055 و PNP TIP145،TIP2955 ، باشند. انتخاب ترانزیستورهای خروجی به ولتاژ و جریان مجاز سیم پیچ اولیه ترانسفورماتور بستگی دارد، اما در حالت ایده­آل باید دارای VA پایینی باشند.

حالت خروجی مکمل TR1 و TR2 برای تحریک سیم پیچ اولیه ترانسفورماتور کوچکی که نسبت پیچ‌­های اولیه به ثانویه آن ولتاژ خروجی مورد نظر را تولید می‌­کند، استفاده می‌­شود. با این حال، اگر بخواهیم ترانسفورماتورها را مستقیماً از قسمت ترانزیستوری تغذیه کنیم، شکل موج خروجی از سیم­‌پیچ ثانویه ترانسفورماتور مانند موج مربعی خواهد بود. بنابراین، به دلیل اینکه در حال ساخت یک اینورتر DC به AC هستیم، به روشی برای تبدیل خروجی موج مربعی تایمر ۵۵۵ در پین ۳ به شکل موج سینوسی از سیم پیچ ثانویه ترانسفورماتور نیاز داریم.

مدار فیلتر RLC متصل بین قسمت ترانزیستوری و سیم پیچ اولیه به عنوان یک مدار تشدید RLC که با فرکانس خروجی مورد نیاز تنظیم شده است، عمل می­‌کند. با این حال، از آنجایی که می‌توانیم فرکانس خروجی را با استفاده از پتانسیومتر از ۴۶ هرتز تا ۶۵ هرتز تنظیم کنیم، فرکانس تشدید مدارهای تشدید RLC برای فرکانس‌های ۵۰ هرتز یا ۶۰ هرتز دقیق نخواهد بود، اما می‌توانیم مقادیر را برای مقداری بین این دو محاسبه کنیم.

با استفاده از مقادیر استاندارد قطعات، شبکه فیلتر مقاومت R2، سلف L1 و خازن C3، یک مدار تشدید RLC تنظیم شده روی حدود ۵۲ هرتز تولید می­کنند. سیم‌­پیچ اولیه ترانسفورماتور به خازن متصل شده و یک شکل موج سینوسی منطقی در سیم‌­پیچ ثانویه در ولتاژ مورد نیاز تعیین شده توسط نسبت چرخش ترانسفورماتورها، ایجاد می­‌کند.

بنابراین، می‌توانیم از تایمر ۵۵۵ برای تولید یک اینورتر DC به AC بسیار ابتدایی با ولتاژ و فرکانس خروجی AC مورد نیاز، برای مثال ۱۲۰ ولت در ۶۰ هرتز، یا ۲۴۰ ولت در ۵۰ هرتز، از یک منبع تغذیه ۱۲ ولتی DC با درجه وات خروجی وابسته به قسمت ترانزیستوری خروجی و ترانسفورماتور استفاده شده، استفاده کنیم.