Circuite multiplicatoare de tensiune explicate

Dispozitivul de circuit electronic care este utilizat pentru creșterea tensiunii la o comandă de 2x prin încărcarea condensatoarelor de la o tensiune de intrare mai mică este cunoscut sub numele de dublator de tensiune.

Curentul de încărcare este comutat în așa fel încât, în orice situație ideală, tensiunea produsă la ieșire este exact de două ori mai mare decât tensiunea la intrare.

Cel mai simplu multiplicator de tensiune folosind diode

Cea mai simplă formă a circuit de dublare a tensiunii sunt un tip de redresor care ia intrarea sub forma tensiunii de curent alternativ (AC) și produce o tensiune dublă (DC) ca ieșire.

Diodele simple sunt utilizate ca elemente de comutare și o intrare sub formă de simplă tensiune alternativă este utilizată pentru a acționa aceste diode într-o stare de comutare.

Este necesar un circuit suplimentar de conducere pentru a controla rata de comutare în cazul în care dublatoarele de tensiune utilizate sunt de tip DC la DC, deoarece nu pot fi comutate în modul de mai sus.

Circuitele convertorului de tensiune DC-DC de cele mai multe ori necesită un alt dispozitiv suplimentar numit element de comutare care poate fi controlat cu ușurință și direct, cum ar fi într-un tranzistor.

Astfel, atunci când folosește element de comutare, nu trebuie să depindă de tensiunea prezentă pe întrerupător, așa cum este cazul într-o formă simplă de curent alternativ la curent continuu.

Dublatorul de tensiune este un tip al circuitului multiplicator de tensiune. Majoritatea circuitelor de dublare a tensiunii, cu puține excepții, pot fi vizualizate sub forma unui multiplicator de ordin superior într-o singură etapă. De asemenea, se obține o cantitate mai mare de multiplicare a tensiunii atunci când există etape identice în cascadă care sunt utilizate împreună.

Circuitul Villard

Circuitul Villard are o compoziție simplă constând dintr-o diodă și un condensator. Pe de o parte, în cazul în care circuitul Villard oferă beneficii în ceea ce privește simplitatea, pe de altă parte, este, de asemenea, cunoscut faptul că produce o ieșire care are caracteristici de ondulare care sunt considerate foarte slabe.

Figura 1. Circuitul Villard

În esență, circuitul Villard este o formă de circuit de fixare a diodei. Ciclurile negative negative sunt utilizate pentru a încărca condensatorul la tensiunea de vârf AC (Vpk). Forma de undă CA ca intrare împreună cu suprapunerea continuă a condensatorului DC formează ieșirea.

Valoarea continuă a formei de undă este modificată utilizând efectul circuitului asupra acestuia. Deoarece dioda fixează vârfurile negative ale formei de undă AC la valoarea de 0V (în termeni reali este –VF, care este tensiunea de polarizare mică a diodei), vârfurile pozitive ale formei de undă de ieșire au valoarea de 2Vpk.

Vârful-la-vârf este dificil de netezit, deoarece are o dimensiune enormă a valorii de 2Vpk și, prin urmare, poate fi netezit numai atunci când circuitul este transformat în orice alte forme mai sofisticate într-un mod eficient.

Tensiunea înaltă negativă este furnizată magnetronului prin utilizarea acestui circuit (care constă din diodă în formă inversă) într-un cuptor cu microunde.

Circuitul Greinacher

Dublatorul de tensiune Greinarcher s-a dovedit a fi mai bun decât circuitul Villard, îmbunătățindu-se semnificativ prin adăugarea unor componente suplimentare pentru un cost mic.

În condițiile încărcării în circuit deschis, ondulația este redusă foarte mult, de cele mai multe ori la o stare zero, dar rezistența sarcinii și valoarea condensatorului utilizat joacă un rol important și afectează curent fiind desenat.

Figura 2. Circuitul Greinacher

Etapa celulei Villard este urmată de circuit pentru a funcționa folosind un etaj detector de plic sau un detector de vârf.

Efectul detectorului de vârf este de așa natură încât o mare parte din ondulație este îndepărtată în timp ce ieșirea tensiunii de vârf este păstrată ca atare.

Heinrich Greinacher a fost prima persoană care a inventat acest circuit în 1913 (care a fost publicat în 1914) pentru a furniza tensiunea de 200-300V de care era nevoie pentru ionometrul său, care a fost din nou o nouă invenție a lui.

Cerința de a inventa acest circuit pentru a obține atât de multă tensiune a apărut deoarece puterea furnizată de centralele electrice din Zurich era de numai 110V AC și, prin urmare, era insuficientă.

Heinrich a dezvoltat această idee mai mult în 1920 și a extins-o pentru a face o cascadă de multiplicatori. De cele mai multe ori, oamenii se referă la această cascadă de multiplicatori inventată de Heinrich Greinacher ca o cascadă Villard care este inexactă și nu este adevărată.

Această cascadă de multiplicatori este cunoscută și sub numele de Cockroft-Walton după oamenii de știință John Cockroft și Ernest Walton care construiseră mașina de accelerare a particulelor și redescoperiseră circuitul independent în 1932.

Utilizarea a două celule Greinacher care au polarități opuse una față de alta, dar fiind conduse de la aceeași sursă de curent alternativ, poate extinde conceptul acestui tip de topologie la un circuit de cvadruplare de tensiune.

Cele două ieșiri individuale sunt utilizate pentru a descărca ieșirea din ele. Împământarea intrării și ieșirii simultan în acest circuit este destul de imposibilă, așa cum este cazul unui circuit de punte.

Circuitul podului

Tipul de topologie utilizat de un circuit Delon pentru a dubla tensiunea este cunoscut sub numele de topologie de punte.

Una dintre utilizările obișnuite ale acestui tip de circuit delon sa dovedit a fi în televizoarele cu tub catodic. Circuitul delon din aceste televizoare a fost utilizat pentru a furniza e.h.t. alimentarea cu tensiune.

Figura 3. Cvadrupler de tensiune - două celule Greinacher cu polarități opuse

Există multe pericole de siguranță și probleme asociate cu generarea de tensiuni mai mari de 5kV, împreună cu faptul că sunt extrem de neeconomice într-un transformator, în principal în echipamentele care sunt echipamente domestice.

Dar un e.h.t. de 10kV este o cerință de bază pentru televizoarele care sunt alb-negru, în timp ce televizoarele color necesită și mai mult e.h.t.

Există diferite moduri și mijloace prin care e.h.t. de astfel de dimensiuni se realizează, cum ar fi: dublarea tensiunii de pe transformatorul de rețea într-o înfășurare e.h.t pe acesta utilizând dublatoare de tensiune sau prin aplicarea dublurilor de tensiune pe forma de undă pe bobinele flyback ale liniei.

Cei doi detectori de vârf constând din jumătate de undă într-un circuit sunt funcțional similari cu celulele detectorului de vârf găsite în circuitul Greinacher.

Semiciclurile care sunt opuse unul față de celălalt al formei de undă de intrare sunt utilizate pentru funcționarea fiecăreia dintre cele două celule detector de vârf. Se constată întotdeauna că ieșirea este dublă față de tensiunea de intrare de vârf, deoarece ieșirile produse de acestea sunt în serie.

Figura 4. Dublatorul de tensiune Bridge (Delon)

Circuite condensatoare comutate

Tensiunea unei surse de curent continuu poate fi dublată prin utilizarea circuitelor diodă-condensator, care sunt suficient de simple și au fost descrise în secțiunea de mai sus, precedând dublatorul de tensiune cu utilizarea unui circuit de tăiere.

Astfel, acest lucru este eficient în conversia DC în AC înainte ca acesta să treacă prin dublatorul de tensiune. Pentru a obține și a construi circuite care sunt mai eficiente, dispozitivele de comutare sunt conduse de la un ceas extern care este capabil să funcționeze atât în ​​ceea ce privește tăierea, cât și multiplicarea și poate fi realizat simultan.

Figura 5.

Dublatorul de tensiune al condensatorului comutat realizat prin simpla comutare a condensatoarelor încărcate din paralel în serie Aceste tipuri de circuite sunt cunoscute sub numele de circuite condensatoare comutate.

Aplicațiile care sunt alimentate de joasă tensiune sunt aplicațiile care utilizează în mod special această abordare, deoarece circuitele integrate au cerința unei alimentări cu o cantitate specifică de tensiune, care este mai mult decât ceea ce bateria poate livra sau produce efectiv.

În majoritatea cazurilor, există întotdeauna disponibilitatea unui semnal de ceas la bordul circuitului integrat și, prin urmare, nu este necesar să existe alte circuite suplimentare sau este nevoie doar de puține circuite pentru a-l genera.

Astfel, diagrama din Figura 5 afișează schematic cea mai simplă formă de configurație a condensatorului comutat. În această diagramă, există doi condensatori care au fost încărcați la aceeași tensiune simultan în paralel.

Postați acest condensatori sunt comutați în serie după oprirea sursei. Astfel, tensiunea de ieșire produsă este de două ori tensiunea de alimentare sau de intrare în cazul în care ieșirea este derivată de la cei doi condensatori în serie.

Există diferite tipuri de dispozitive de comutare care pot fi utilizate în astfel de circuite, dar dispozitivele MOSFET sunt cele mai frecvent utilizate dispozitive de comutare în cazul circuitelor integrate.

Figura 6. Schema dublului tensiunii pompei de încărcare

Diagrama din Figura 6 afișează schematic unul dintre celelalte concepte de bază ale „pompei de încărcare”. Tensiunea de intrare este utilizată pentru a încărca mai întâi Cp, condensatorul pompei de încărcare.

După aceasta, condensatorul de ieșire, C0 este încărcat prin comutarea în serie cu tensiunea de intrare, ceea ce duce la încărcarea C0 dublu față de tensiunea de intrare. Pentru a încărca cu succes C0 complet, pompa de încărcare poate fi necesară pentru a dura mai multe cicluri.

Dar odată ce a fost dobândită o stare de echilibru, singurul lucru esențial pentru condensatorul pompei de încărcare, Cp este de a pompa încărcarea în cantități mici, care este echivalentă cu sarcina furnizată de la condensatorul de ieșire, C0 la sarcină.

O tensiune se formează pe tensiunea de ieșire atunci când C0 este descărcat parțial în sarcină în timp ce este deconectat de la pompa de încărcare. Această ondulare formată în acest proces are caracteristica unui timp de descărcare mai scurt și ușor de filtrat și astfel aceste caracteristici le fac mai mici pentru frecvențe pentru frecvențe de ceas mai mari.

Astfel, pentru orice ripple specifică, condensatorii pot fi micșorați. Cantitatea maximă de frecvență de ceas pentru toate scopurile practice din circuitele integrate se încadrează de obicei în intervalul de sute de kHz.

Pompa de încărcare Dickson

Pompa de încărcare Dickson, cunoscută și sub numele de multiplicator Dickson, constă dintr-o cascadă de diode / celule condensatoare în care un tren de impulsuri de ceas acționează placa inferioară a fiecărui condensator.

Circuitul este considerat a fi o modificare a multiplicatorului Cockcroft-Walton, dar cu singura excepție că semnalul de comutare este furnizat de intrarea de curent continuu cu trenuri de ceas în loc de o intrare de curent alternativ, cum este cazul multiplicatorului Cockcroft-Walton.

Cerința de bază a unui multiplicator Dickson este ca impulsurile de ceas ale fazelor opuse unul altuia să conducă celulele alternative. Dar, în cazul unui dublor de tensiune, descris în Figura 7, este necesar doar un singur semnal de ceas, deoarece există o singură etapă de multiplicare.

Figura 7. Dublatorul de tensiune al pompei de încărcare Dickson

Circuitele în care multiplicatorii Dickson sunt utilizate în cea mai mare parte și frecvent sunt circuitele integrate în care tensiunea de alimentare, cum ar fi de la orice baterie, este mai mică decât cea cerută de circuite.

Faptul că toți semiconductorii utilizați în acest sens sunt practic asemănători acționează ca un avantaj pentru producătorii circuitului integrat.

Blocul logic standard care este cel mai frecvent găsit și utilizat în numeroase circuite integrate este dispozitivele MOSFET.

Acesta este unul dintre motivele pentru care diodele sunt înlocuite de multe ori cu tranzistorul de acest tip, dar sunt, de asemenea, conectate la o funcție sub forma unei diode.

Acest aranjament este, de asemenea, cunoscut sub numele de MOSFET cu fir diodic. Diagrama din Figura 8 descrie un dublor de tensiune Dickson care utilizează acest tip de dispozitive MOSFET de tip îmbunătățire cu canale n cu diodă.

Figura 8. Dublatorul de tensiune Dickson utilizând MOSFET-uri cu diodă

Forma de bază a pompei de încărcare Dickson a suferit multe îmbunătățiri și variații. Majoritatea acestor îmbunătățiri se referă la reducerea efectului produs de tensiunea sursei de scurgere a tranzistorului. Această îmbunătățire este considerată semnificativă în cazul în care tensiunea de intrare este mică, la fel ca în cazul unei baterii de joasă tensiune.

Tensiunea de ieșire este întotdeauna un multiplu integral al tensiunii de intrare (de două ori în cazul unui dublor de tensiune) atunci când sunt utilizate elemente de comutare ideale.

Dar în cazul în care o baterie cu o singură celulă este utilizată ca sursă de intrare împreună cu comutatoarele MOSFET, ieșirea în astfel de cazuri este mult mai mică decât această valoare, deoarece va exista o scădere a tensiunii pe tranzistoare.

Datorită căderii extrem de reduse a tensiunii în starea de pornire a unui circuit care utilizează componente discrete, dioda Schottky este considerată o alegere bună ca element de comutare.

Însă proiectanții circuitelor integrate preferă în cea mai mare parte MOSFET, deoarece este mai ușor disponibil, ceea ce compensează mai mult decât prezența inadecvărilor și complexității ridicate în circuitul prezent în dispozitivele MOSFET.

Pentru a ilustra acest lucru, să luăm un exemplu: o tensiune nominală a tonului de 1,5 V este prezentă într-o baterie alcalină.

Ieșirea din aceasta poate fi dublată la 3,0V utilizând un dublor de tensiune împreună cu elemente de comutare ideale care au o cădere de tensiune zero.

Dar căderea de tensiune a sursei de scurgere a MOSFET-ului cu fir de diodă atunci când se află în starea activată trebuie să fie la minimum egal cu tensiunea pragului porții, care este de obicei în tonul de 0,9V.

Tensiunea de ieșire poate fi ridicată de dublatorul de tensiune cu succes numai cu aproximativ 0,6V până la 2,1V.

Creșterea tensiunii de către circuit nu poate fi realizată fără utilizarea mai multor etape în cazul în care este luată în considerare și luată în considerare căderea transistorului de netezire finală.

Pe de altă parte, tensiunea pe scenă a unei diode tipice Schottky este de 0,3 V. tensiunea de ieșire produsă de un dublor de tensiune va fi în intervalul de 2,7 V dacă folosește dioda Schottky sau de 2,4 V dacă folosește dioda de netezire.

Condensatori comutați cuplați încrucișat

Circuitele condensatoarelor cuplate încrucișate sunt cunoscute pentru că tensiunea de intrare este foarte mică. O baterie unicelulară poate fi necesară în echipamentele care sunt acționate de o baterie fără fir, cum ar fi pagerele și dispozitivele Bluetooth, pentru a furniza energie continuă atunci când s-a descărcat sub un volt.

Figura 9. Dublator de tensiune cu condensator comutat cuplat încrucișat

Tranzistorul Q2 este oprit în cazul în care ceasul este scăzut. În același timp, tranzistorul Q1 este pornit dacă ceasul este ridicat și acest lucru duce la încărcarea condensatorului C1 la tensiunea Vn. placa superioară a C1 este împinsă în sus pentru a dubla Vin în cazul în care Ø1 se ridică.

Pentru a permite ca această tensiune să apară ca o ieșire, comutatorul S1 se închide în același timp. De asemenea, în același timp, C2 este permis să se încarce prin pornirea Q2.

Rolurile componentelor sunt inversate în următorul semiciclu: Ø1 va fi scăzut, S1 se va deschide, Ø2 va fi ridicat și S2 se va închide.

Astfel, alternativ din fiecare parte a circuitului, tensiunea de ieșire este alimentată cu 2Vin. pierderea suportată în acest circuit este mică, deoarece există o lipsă de MOSFET-uri cu diodă și problemele de tensiune de prag asociate cu acesta.

Unul dintre celelalte avantaje ale circuitului este că dublează frecvența de ondulare, deoarece există doi dublatori de tensiune prezenți care furnizează ieșirea efectiv din ceasurile de fază.

Dezavantajul de bază al acestui circuit este că capacitățile rătăcitoare ale multiplicatorului Dickinson sunt considerate a fi mult mai puțin semnificative decât acest circuit și, astfel, reprezintă cele mai multe pierderi suferite în acest circuit.

Curtoazie: https://en.wikipedia.org/wiki/Voltage_doubler