Neste artigo, aprendemos como fazer alguns circuitos duplicadores de tensão DC para DC simples usando um único IC 4049 e IC 555 junto com alguns outros componentes passivos.

Se você está se perguntando como um simples IC 555 pode ser usado para fazer um poderoso circuito duplicador de tensão, este artigo o ajudará a entender os detalhes e construir o design em casa.

O que é um dobrador de tensão

Um dobrador de tensão é um circuito que usa apenas diodos e capacitores para elevar uma tensão de entrada em uma saída de tensão mais alta, duas vezes a magnitude da entrada.

Se você é novo no conceito de dobrador de tensão e deseja aprender o conceito em profundidade, temos um bom artigo 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 por meio deste artigo, que explora o conceito de geração de ar ionizado para purificar o ar nas residências .

Um circuito duplicador 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.

“testando um capacitor com multímetro ”

Como todos os circuitos multiplicadores de tensão exigem obrigatoriamente uma entrada CA ou uma entrada pulsante, um circuito oscilador torna-se essencial para a obtenção dos resultados.

Detalhes de pinagem do IC 555

Diagrama de circuito do dobrador de tensão usando IC 555

Com referência ao exemplo acima, podemos ver um circuito IC 555 configurado como um estágio multivibrador astável, que é na verdade uma forma de oscilador e é projetado para produzir uma CC pulsante (ON / OFF) em seu pino de saída # 3.

Se você se lembra, nós discutimos um circuito de tocha LED neste site, que usa um circuito duplicador de tensão de forma idêntica, 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, usar o IC 555 tem um pequeno benefício, já que este IC é capaz de gerar mais corrente do que qualquer outro circuito oscilador baseado em IC sem usar nenhum estágio de amplificador de corrente externo.

Como o Voltage Doubler Stage opera

Como pode ser visto no diagrama acima, a multiplicação da tensão real é implementada pelo estágio D1, D2, C2, C3, que são configurados como uma rede multiplicadora de tensão de meia ponte de 2 estágios.

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 em meu cérebro.

De acordo com a minha simulação mental, o funcionamento do estágio duplicador de tensão mencionado pode ser explicado como dado nos seguintes pontos:

Quando a saída IC pino # 3 está em sua lógica baixa ou nível de terra, D1 é capaz de carregar C2, uma vez que é capaz de obter polarização direta através de C2 e potencial negativo do pino # 3, também simultaneamente C3 é carregado via D1 e D2 .
Agora, no próximo instante, assim que o pino # 3 se torna lógico alto ou com potencial de alimentação positivo, as coisas ficam um pouco confusas.
Aqui, C2 não pode descarregar via D1, portanto, temos uma saída de nível de alimentação de D1, de C2 e de C3 também.
Muitos dos outros sites online dizem que neste ponto a voltagem armazenada dentro de C2 e o positivo de D1 devem se combinar com a saída de C3 para produzir uma voltagem dobrada, mas isso não faz sentido.
Porque, quando as tensões se combinam em paralelo, a tensão líquida não aumenta. As tensões devem combinar em série para causar o aumento desejado ou o efeito de duplicação.
A única explicação lógica que pode ser derivada é, quando o pino # 3 torna-se alto, o negativo de C2 estando no nível positivo e sua extremidade positiva também mantida no nível de fornecimento, 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 que o nível de alimentação.

Se você tiver uma explicação melhor ou tecnicamente mais correta, sinta-se à vontade para explicá-la por meio de seus comentários.

Quanta atual?

O pino # 3 do IC é designado para fornecer uma corrente máxima de 200mA, portanto, pode-se esperar que a corrente de pico máxima esteja neste nível de 200mA, no entanto, os picos ficarão mais estreitos dependendo dos valores C2, C3. Capacitores de valor mais alto podem permitir transferência de corrente mais completa através da saída, portanto, certifique-se de que os valores C2, C3 sejam selecionados de forma otimizada, cerca de 100uF / 25V será apenas o suficiente

Uma aplicação prática

Embora um circuito duplicador de voltagem possa ser útil para muitas aplicações de circuito eletrônico, uma aplicação baseada em hobby pode ser iluminar um LED de alta voltagem de uma fonte de baixa voltagem, conforme mostrado abaixo:

Circuito duplicador de tensão IC 555 com LED

No diagrama de circuito acima, podemos ver como o circuito é usado para iluminar uma lâmpada LED de 9 V de uma fonte de alimentação de 5 V, o que normalmente seria impossível se os 5 V fossem aplicados diretamente no LED.

Relação entre frequência, PWM e o nível de saída de tensão

A frequência em qualquer circuito duplicador de tensão não é crucial, no entanto, uma frequência mais rápida o ajudará a obter melhores resultados do que frequências mais lentas.

Da mesma forma para a faixa PWM, o ciclo de trabalho deve ser de cerca de 50%, pulsos mais estreitos causarão menor corrente na saída , ao passo que pulsos muito amplos 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. Consequentemente, C1 pode estar em qualquer lugar entre 50nF a 0,5uF.

O R2 basicamente permitirá que você controle o PWM, portanto, ele pode ser transformado em um resistor variável por meio de um potenciômetro de 100K.

Usando portas IC 4049 NÃO

O seguinte circuito baseado em IC CMOS pode ser usado para dobrar qualquer tensão de fonte CC (até 15 V CC). 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 DC emprega apenas um único IC 4049 para atingir o resultado proposto.

Pinouts IC 4049

Especificações do diagrama de pinagem IC 4049

Operação de Circuito

O IC 4049 tem seis portas ao todo, que são todas eficazes para gerar as ações de duplicação de tensão discutidas. Duas das seis portas são configuradas como um oscilador.

A extrema 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 ações de escalonamento de tensão precisam ser implementadas, portanto, também aqui o envolvimento de um oscilador se torna necessário.

Essas oscilações tornam-se úteis para inicializar o carregamento e descarregar um conjunto de capacitores na saída, o que equivale à multiplicação da tensão através do conjunto de capacitores de tal forma que o resultado seja o dobro da tensão de alimentação aplicada.

Porém, a tensão do oscilador não pode ser aplicada preferencialmente diretamente nos capacitores, mas sim através de um conjunto de portas do CI dispostas em paralelo.

Juntas, essas portas paralelas 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 do 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 a entrada de alimentação para o IC, uma saída de cerca de 22 volts pode ser adquirida deste circuito duplicador de tensão baseado em IC 4049.