555 타이머 IC로 전압 승압기(더블러) 회로 만들기 – 단계별 회로도

기본 전압 승압기(더블러) 회로 제작 방법은?

기사 제목에서 알 수 있듯 오늘은 입력 전압의 2배를 출력하는 회로 설계 방법을 다룹니다. 예를 들어 10V 입력 시 출력에서 20V를 얻을 수 있습니다.

전압 변환용 회로는 다양하지만 이 방식은 소형 애플리케이션에서 부피가 크고 불편한 트랜스포머 대신 저렴하고 효율적으로 전압을 2배로 높이는 방법입니다.

이 회로들은 커패시터로 에너지를 저장하며 일종의 정류 회로 형태를 띱니다. 스위칭 다이오드로 일반적으로 다이오드를 사용해 MOSFET나 BJT 같은 비싼 부품 대신 비용을 절감합니다.

전압 승압기(더블러) 회로는 전압 승압 회로 패밀리에 속합니다. 이 글에서는 555 타이머와 기타 중요 부품을 이용해 전압 승압기 회로를 만드는 방법과 각 부품 설명을 다룹니다.

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전압 승압기 회로도

아래 그림과 같이 부품을 정확히 연결하십시오.

필수 부품

1. 555 타이머 IC
2. 다이오드 – 1N4007
3. 저항 – 10kΩ, 33kΩ
4. 커패시터 – 22μF, 0.01μF
5. 전원 공급 장치

555 타이머 IC

555 타이머 IC는 타이밍, 펄스 생성, 발진기 애플리케이션에 널리 쓰이는 집적 회로입니다. 1972년 출시 이후 저렴한 가격과 안정성으로 여전히 광범위하게 사용됩니다. 555 타이머 IC 핀 다이어그램은 아래와 같습니다.

555 타이머 IC
핀 번호	핀 이름	용도
1	GND	기준 전압(그라운드)
2	TRIG	출력 제어
3	OUT	~1.7V 아래 VCC 또는 그라운드로 구동
4	RESET	타이밍 인터벌 리셋
5	CTRL	내부 전압 분할기 접근 제공
6	THR	타이밍 인터벌 중지 임계값 역할
7	DIS	커패시터 방전용 오픈 컬렉터 출력
8	VCC	양의 공급 전압

타이머 IC에는 바이스테이블, 모노스테이블, 아스테이블 3가지 동작 모드가 있습니다.

• 바이스테이블 모드: 로우/하이 2개의 안정된 상태 신호 생성. 로우/하이 출력은 리셋과 입력 핀 활성화로 제어.
• 모노스테이블 모드: 트리거 버튼 입력 신호 수신 시 단일 펄스만 생성.
• 아스테이블 모드: 외부 회로에 연결된 2개 저항과 커패시터 값에 기반해 정확한 주파수의 연속 펄스 생성.

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1N4007 다이오드

1N4007은 PN 접합 정류 다이오드입니다. 이 다이오드는 전류가 한 방향으로만 흐르도록 허용합니다. 프리휠링 다이오드 애플리케이션, 범용 전원 공급 장치 정류, 인버터, 컨버터 등 다양한 실생활 용도가 있습니다.

1N4007 다이오드 핀아웃
핀 번호	핀 이름	극성
1	애노드(Anode)	+극
2	캐소드(Cathode)	-극

위 그림은 1N4007의 심볼과 실물 사진입니다. 전기 회로 부품의 이해는 해당 소자의 전기적 특성을 알 때 크게 향상됩니다.

1N4007 전기적 특성
파라미터	값	단위
정방향 전압 (1.0A에서)	1.1	V
역방향 전류 (25°C에서)	5	μA
총 정전용량 (1.0MHz에서)	15	pF
최대 정격 역방향 전류 (75°에서)	30	μA
평균 정류 순방향 전류	1	A
피크 반복 역방향 전압	1000	V

1N4007 다이오드 특징:

• 낮은 누설 전류
• 낮은 순방향 전압 강하
• 높은 순방향 서지 능력

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이 다이오드는 임베디드 시스템에서 많은 실생활 용도가 있으며 주요 애플리케이션은 다음과 같습니다.

1. 컨버터
2. 임베디드 시스템 스위칭 용도
3. 프리휠링 다이오드 애플리케이션
4. 인버터
5. 전원 공급 장치 범용 정류
6. 아두이노나 PIC 마이크로컨트롤러 보호용 역전류 방지

전압 승압기 회로 작동 원리

회로도에서 볼 수 있듯 회로는 서로 보완하는 두 부분으로 작동합니다. 첫 번째 부분은 555 타이머를 아스테이블 모드로 사용해 펄스 형태의 사각파를 생성합니다.

두 번째 부분이 실제로 전압을 2배로 높이는 부분으로, 회로도에 표시된 대로 2개 커패시터와 2개 다이오드로 구성됩니다. 555 타이머는 여러 모드 중 오늘 아스테이블 멀티바이브레이터 모드를 사용합니다.

이 모드는 2개 저항과 1개 커패시터 조합으로 약 2kHz 사각파를 생성합니다. 회로에서 타이머 IC 3번 핀 출력이 로우일 때 다이오드 D1이 순방향 바이어스되어 커패시터 C3가 이를 통해 충전됩니다.

커패시터가 전원에서 직접 충전되므로 입력 전압과 동일한 전압으로 충전됩니다. 타이머 IC 펄스가 하이이면 3번 핀이 하이 출력을 냅니다. 이로 인해 D1이 역방향 바이어스되어 C3 충전이 차단되며, C3는 약 공급 전압만큼 충전된 상태를 유지합니다.

D1이 역방향 바이어스되면 D2가 순방향 바이어스되어 C4를 충전합니다. C4는 C3에 저장된 에너지로 충전됩니다. 이제 C4는 두 경로(초기 공급 전압으로 충전된 C3 경로와 전원에서 직접 공급되는 경로)로 충전되어 입력 전압의 2배 전압을 갖게 됩니다.

이론상 이 회로 출력은 입력 전압의 2배여야 하지만, 실제로는 커패시터 충방전이 무손실 과정이 아니며 에너지가 완전히 전달되지 않고 충전도 이상적이지 않습니다.

5V 입력 실험 시 이론값 10V 대신 약 8.7~8.8V 출력이 나왔습니다.

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단점

입력 전압을 2배로 변환하는 간편한 방법이지만 단점도 있습니다. 장단점을 미리 알면 결과를 제대로 분석할 수 있습니다.

1. 출력 전류가 50mA 미만으로만 사용 가능합니다. 즉, 매우 낮은 전류 정격이 필요한 애플리케이션만 구동할 수 있습니다.
2. 커패시터 충방전과 다이오드 같은 스위칭 소자 관여로 출력이 일반적으로 불안정합니다. 레귤레이터 IC로 출력을 정류/평활화할 수 있지만 이 IC도 전류를 소모하므로 관련 계산과 조정을 통해 회로가 전류 한계 이상으로 동작하지 않게 해야 합니다.

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주의사항

회로 제작 및 작업 시 다음 주의사항을 지키십시오.

1. 타이머 IC 한계로 입력 전압은 3V~12V 사이여야 합니다. 이 범위 선택 시 안전한 작동과 부품 손상 방지가 보장됩니다.

회로 작동이 커패시터 충방전에 의존하므로 전원 연결 즉시 이론값이 나오지 않고 잠시 후 입력 전압의 2배로 안정화됩니다.

2. 부하 전류는 회로에 따라 설정된 값을 초과하지 않아야 합니다. 일반적으로 50~70mA 정도입니다.
3. 커패시터 C4가 공급 전압의 2배로 충전되므로 이 커패시터의 내압은 최소 입력 전압의 2배 이상이어야 합니다(다른 커패시터는 최소 공급 전압 이상이면 됨).
4. 커패시터 충방전 시간이 불규칙하게 변하므로 정확한 측정값이 이론값과 다를 수 있습니다. 충방전이 에너지 효율적이지 않고 에너지 잠금 과정이 아니므로 에너지가 완전히 전달되지 않고 손실이 발생합니다. 5V 입력 시 출력 약 8.7V, 12V 입력 시 출력 약 18~20V 나옵니다.

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