555 Entegresi ile Voltaj Katlama Devresi Yapımı

30.11.2021 • 5 dk okuma
555 Entegresi ile Voltaj Katlama Devresi Yapımı

Bu içeriğimizde; elektronik devre tasarımında sıklıkla ihtiyaç duyulan, düşük akımlı yüksek DC gerilim üretme yöntemlerinden biri olan 555 Entegresi ile Voltaj Katlama Devresi yapımını, çalışma prensiplerini ve matematiksel temellerini ele alıyoruz. Bu devre, 5\text{ V} ile 15\text{ V} arasındaki bir DC giriş gerilimini alarak çıkışta yaklaşık iki katı seviyede (2 \cdot V_{\text{in}}) bir DC çıkış gerilimi üretir. Örneğin, 12\text{ V} DC besleme uygulandığında, çıkıştan yaklaşık 22\text{ V - } 24\text{ V} seviyesinde gerilim elde etmek mümkün olmaktadır.

Voltaj Katlama Devresi için Gerekli Malzemeler

  • 555 Zamanlayıcı Entegresi (NE555 / LM555)
  • Diyotlar: 2 x (1N4004, 1N4007 veya hızlı anahtarlama için 1N4148 / Schottky 1N5819)
  • Kondansatörler: 2 x 22\ \mu\text{F} (Elektrolitik, minimum 35V dayanımlı), 1 x 1\text{ nF} (Seramik, 102 kodlu)
  • Dirençler: 1 x 33\text{ k}\Omega (veya astable zamanlama için 10\text{ k}\Omega ve 15\text{ k}\Omega kombinasyonu)
  • Deney Tahtası (Breadboard) ve Bağlantı Kabloları
  • Güç Kaynağı: 5\text{ V - } 15\text{ V} arası DC besleme

Voltaj Katlama Devresi Şematiği

555 Voltaj Katlayıcı Devre Şeması
555 Entegresi ile Voltaj Çoğaltıcı Şarj Pompası Devresi

Voltaj Katlama Devresinin Yapısı ve Çalışma Prensibi: Şarj Pompası (Charge Pump) Matematiği

Devrenin kalbinde, astable (kararsız) multivibrator modunda çalıştırılan 555 zamanlayıcı entegresi yer alır. 555 entegresi, dışındaki RC zamanlama bileşenleri (R ve C) vasıtasıyla Pin 3 çıkışından sürekli olarak HIGH (besleme gerilimine yakın) ve LOW (0\text{ V}) durumları arasında salınan bir kare dalga üretir. Bu kare dalganın frekansı (f) şu formülle belirlenir:

    \[f = \frac{1.44}{(R_1 + 2 R_2) \cdot C_t}\]

Reklam Alanı — Click for AD Place

Burada üretilen yüksek frekanslı kare dalga sinyali, diyotlar ve kondansatörlerden oluşan Switched-Capacitor (Şarj Pompası) ağına beslenir. Gerilim katlama işlemi iki ana fazda gerçekleşir:

1. Aşama: Şarj Fası (Pin 3 LOW Durumunda)

555 entegresinin çıkışı (Pin 3) LOW (0\text{ V} veya GND) seviyesine düştüğünde, devredeki birinci kondansatör (C_1 – uçan kondansatör), pozitif besleme rayından (V_{\text{cc}}) başlayan akımla, D_1 diyotu üzerinden şarj olmaya başlar. C_1 üzerindeki gerilim (V_{C1}), diyotun ileri yön gerilim düşümü (V_{d1}) çıkarılarak şu şekilde hesaplanır:

    \[V_{C1} = V_{\text{cc}} - V_{d1}\]

Bu esnada D_2 diyotu ters kutuplu olduğundan yalıtımdadır ve çıkış kondansatörü (C_2) üzerindeki yük korunur.

2. Aşama: Aktarım / Katlama Fası (Pin 3 HIGH Durumunda)

555 entegresinin çıkışı (Pin 3) HIGH seviyesine (V_{\text{pin3}}) çıktığında, C_1 kondansatörünün negatif ucu aniden bu HIGH potansiyeline yükseltilir. Kondansatör üzerindeki yük aniden yok olamayacağından (V = Q/C), C_1‘in pozitif ucundaki potansiyel, Pin 3 geriliminin üzerine eklenir:

    \[V_{\text{düğüm}} = V_{\text{pin3}} + V_{C1} = (V_{\text{cc}} - V_{\text{sat}}) + (V_{\text{cc}} - V_{d1}) = 2 V_{\text{cc}} - V_{\text{sat}} - V_{d1}\]

Burada V_{\text{sat}}, bipolar 555 entegresinin çıkış katındaki push-pull transistörlerinin saturation (doyum) gerilim düşümüdür (tipik olarak 1.3\text{ V - } 1.7\text{ V} aralığındadır). Bu yüksek potansiyel nedeniyle D_1 diyotu ters kutuplanarak kesime gider. D_2 diyotu ise iletime geçerek bu biriken gerilimi çıkış depolama kondansatörü olan C_2 üzerine aktarır. Çıkış gerilimi (V_{\text{out}}) şu şekilde elde edilir:

    \[V_{\text{out}} = V_{\text{düğüm}} - V_{d2} = 2 V_{\text{cc}} - V_{\text{sat}} - V_{d1} - V_{d2}\]

Eğer klasik silikon diyotlar (1N4007, V_d \approx 0.7\text{ V}) ve bipolar 555 kullanıyorsak gerilim katlama verimi bir miktar düşer. Ancak Schottky diyotlar (1N5819, V_d \approx 0.3\text{ V}) ve CMOS tabanlı düşük doyum gerilimli bir 555 zamanlayıcı kullanılarak çıkış gerilimi teorik 2 \cdot V_{\text{cc}} limitine çok daha fazla yaklaştırılabilir.

Yük Altında Kararlılık ve Eşdeğer Çıkış Direnci

Devreden bir I_{\text{out}} yük akımı çekildiğinde, çıkış gerilimi charge pump devresinin anahtarlama frekansı (f) ve uçan kondansatör (C_1) değerine bağlı olarak düşer. Devrenin eşdeğer çıkış direnci (R_{\text{out}}) şu formülle modellenir:

    \[R_{\text{out}} \approx \frac{1}{f \cdot C_1}\]

    \[V_{\text{out, gerçek}} \approx V_{\text{out, ideal}} - I_{\text{out}} \cdot R_{\text{out}}\]

Bu denklemden anlaşılacağı üzere, devrenin yük altındaki kararlılığını artırmak ve dalgalanmayı (ripple) azaltmak için 555 entegresinin anahtarlama frekansı (f) veya C_1 kondansatör kapasitesi makul seviyelerde yüksek tutulmalıdır.

Kademeli Gerilim Çoğaltıcılar (Voltage Multipliers)

Eğer çıkışta daha da yüksek voltaj değerlerine ihtiyaç duyulursa, bu şarj pompası blokları (diyot-kondansatör ikilileri) birbirine seri şekilde kademelendirilebilir (Cockcroft-Walton jeneratörü mimarisi). n kademeli bir gerilim çoğaltıcı devrenin teorik çıkış gerilimi şu şekilde doğrusal olarak artar:

    \[V_{\text{out}} \approx n \cdot V_{\text{giriş}}\]

Kullanım Alanları ve Uygulamalar

  • Alçak Gerilim Beslemeli Sistemler: Sadece tek bir pil veya 5\text{ V} USB beslemesiyle çalışan mikrokontrolcü kartlarında, op-amp beslemeleri veya LCD kontrast gerilimleri için ihtiyaç duyulan daha yüksek voltajların pratik şekilde üretilmesinde kullanılır.
  • Katot Işınlı Tüpler (CRT) ve Mikrodalga Fırınlar: Transformatör boyutlarının sınırlı olduğu yüksek voltaj gerektiren elektrostatik alan oluşturma devrelerinde yaygın olarak yer alırlar.
  • Sensör Polarizasyonu: Yüksek DC gerilim altında çalışan gaz dedektörleri, Geiger-Müller tüpleri veya piezoelektrik dönüştürücüler için kararlı ön gerilim beslemesi sağlar.

Kondansatörlerin şarj depolama mekanizmalarını ve dielektrik kayıp karakteristiklerini daha detaylı incelemek isterseniz Kapasitör (Kondansatör) Nedir? başlıklı makalemizi; devredeki direnç hesaplamaları için ise Direnç Nedir ve Nasıl Kullanılır? rehberimizi inceleyebilirsiniz.

555 entegresinin veri sayfasına buradan ulaşabilirsiniz.

Yorum yapma özelliği, forum tarafından gelen istek sebebiyle kapatılmıştır. Lütfen tartışmalar ve sorularınız için topluluk forumumuza katılın.

İlgili Yazılar