Модифицированная схема зарядового насоса извлекает энергию из цифрового сигнала

Журнал РАДИОЛОЦМАН, сентябрь 2015

Luca Bruno и Duilio Pozzoni

EDN

Описанный в этой статье удвоитель напряжения представляет собой модифицированный зарядовый насос Диксона. В отличие от базовой схемы, предлагаемое решение не нуждается в постоянном входном напряжении, а формирует выходное напряжение только из импульсного сигнала.

Схема Рисунке 1 работает как зарядовый насос, в котором конденсатор C1 заряжается при высоком уровне входных импульсов, а в паузах разряжается через диод D2 в конденсатор C2. В свою очередь C2 разряжается через диод D3 в конденсатор C3 в то время, когда уровень входного сигнала высокий.

Рисунок 1.	Удвоитель напряжения.

В отсутствие нагрузки на выходе схемы будет удвоенное пиковое входное напряжение за вычетом прямого падения напряжения на трех диодах – в сумме порядка 0.75 В. Выходное напряжение устанавливается в течение десяти периодов тактовой частоты, достигая примерно 60% от окончательного значения уже после двух импульсов. Установившееся значение напряжения зависит от тока нагрузки и пиковой амплитуды входных импульсов, поэтому, если вам потребуется стабильное выходное напряжение, придется добавить микросхему регулятора.

Чтобы выбрать емкости конденсаторов для вашего приложения, можете воспользоваться следующей формулой:

где

I_LOAD – ток нагрузки,
T_LOW – длительность паузы между импульсами,
V_{R (ПИК-ПИК)} – максимально допустимая пиковая амплитуда пульсаций выходного напряжения.

Схема была испытана с RC-генератором, сделанным на основе микросхемы инвертирующего триггера Шмитта 74HC14 и работающим на частоте 200 кГц при напряжении питания 5 В (Рисунок 2). Результаты измерений для случая, когда генератор подключался к входу удвоителя напряжения витой парой длиной 10 м, представлены ниже в таблице. 

RLOAD	VOUT	VR (пик-пик)
Без нагрузки	9 В	0 В
2.2 кОм	8 В	120 мВ

D4 уменьшает звон, возникающий на спадающих фронтах входных импульсов.

Рисунок 2.	Для подавления звона, возникающего на фронтах входных импульсов, в схему добавлен диод D4.

Получая энергию от любой цифровой линии данных, эта схема может использоваться для получения повышенного напряжения в удаленных микромощных приложениях без использования местных батарей, например, в сети однопроводного интерфейса 1-Wire.

Рисунок 3.	Утроитель напряжения.

Если же вам потребуется еще более высокое напряжение питания, можно дополнить схему так, чтобы получить N-кратное умножение. На Рисунке 3 показан преобразователь, умножающий напряжение в три раза.

Рисунок 4.	Удвоитель с отрицательным выходным напряжением.

Можно получить также отрицательное напряжение, для чего нужно изменить полярность включения всех диодов и развязать вход по постоянному току. На Рисунке 4 изображена схема удвоителя с отрицательным выходным напряжением, в которой цепь C4, D4 обрезает входные пиковые уровни до нуля. Аналогично можно получить более высокое отрицательное напряжение, модифицировав схему на Рисунке 3.