Objaśnienie obwodów powielacza napięcia

Urządzenie obwodu elektronicznego, które jest używane do podwyższania napięcia do 2-krotnego rzędu poprzez ładowanie kondensatorów z niższego napięcia wejściowego, jest znane jako podwajacz napięcia.

Prąd ładowania jest przełączany w taki sposób, że w każdej idealnej sytuacji napięcie wytwarzane na wyjściu jest dokładnie dwa razy większe niż napięcie na wejściu.

Najprostszy mnożnik napięcia wykorzystujący diody

Najprostsza forma obwód podwajacza napięcia to typ prostownika, który przyjmuje napięcie wejściowe w postaci napięcia prądu przemiennego (AC) i wytwarza na wyjściu napięcie o podwójnej wartości (DC).

Proste diody są używane jako elementy przełączające, a wejście w postaci samego napięcia przemiennego służy do sterowania tymi diodami w stanie przełączania.

Dodatkowy obwód sterujący jest wymagany do sterowania szybkością przełączania w przypadku, gdy stosowane są podwajacze napięcia typu DC na DC, ponieważ nie można ich przełączać w powyższy sposób.

Obwody przetwornicy napięcia DC na DC przez większość czasu wymagają innego dodatkowego urządzenia zwanego elementem przełączającym, którym można łatwo i bezpośrednio sterować, na przykład tranzystorze.

Tak więc, gdy używa elementu przełączającego, nie musi być zależny od napięcia obecnego na przełączniku, jak ma to miejsce w przypadku prostej postaci AC do DC.

Podwajacz napięcia jest rodzajem obwodu powielacza napięcia. Większość obwodów podwajacza napięcia, z kilkoma wyjątkami, można rozpatrywać w postaci mnożnika wyższego rzędu na jednym etapie. Ponadto, większe zwielokrotnienie napięcia uzyskuje się, gdy występują kaskadowo identyczne stopnie, które są używane razem.

Villard Circuit

Obwód Villarda ma prostą kompozycję składającą się z diody i kondensatora. Z jednej strony, gdy obwód Villarda zapewnia korzyści pod względem prostoty, z drugiej strony jest również znany z wytwarzania sygnału wyjściowego o charakterystyce tętnienia, która jest uważana za bardzo słabą.

Rysunek 1 Obwód Villarda

Zasadniczo obwód Villarda jest formą obwodu diodowego. Ujemne wysokie cykle są używane w celu naładowania kondensatora do szczytowego napięcia AC (Vpk). Sygnał wejściowy prądu przemiennego AC wraz z superpozycją stałego prądu stałego kondensatora tworzy wyjście.

Wartość prądu stałego przebiegu jest przesuwana za pomocą oddziaływania na nią obwodu. Ponieważ dioda ogranicza ujemne piki przebiegu prądu przemiennego do wartości 0 V (w rzeczywistości jest to –VF, które jest małym napięciem polaryzacji diody w kierunku przewodzenia), dodatnie piki wyjściowe fali wyjściowej mają wartość 2 Vpk.

Szczyt do szczytu jest trudny do wygładzenia, ponieważ ma olbrzymi rozmiar o wartości 2 Vpk, a zatem można go wygładzić tylko wtedy, gdy obwód zostanie skutecznie przekształcony w inne, bardziej wyrafinowane formy.

Ujemne wysokie napięcie jest dostarczane do magnetronu za pomocą tego obwodu (który składa się z odwróconej diody) w kuchence mikrofalowej.

Obwód Greinachera

Podwajacz napięcia Greinarchera okazał się lepszy niż obwód Villarda, znacznie poprawiając się poprzez dodanie kilku dodatkowych komponentów za niewielką opłatą.

W warunkach obciążenia otwartego obwodu tętnienie jest bardzo zmniejszone, w większości przypadków do stanu zerowego, ale rezystancja obciążenia i wartość używanego kondensatora odgrywają ważną rolę i wpływają na obecnie pobierany.

Rysunek 2. Obwód Greinachera

Po etapie ogniwa Villarda następuje obwód w celu pracy z wykorzystaniem stopnia detektora obwiedni lub detektora szczytowego.

Efekt detektora szczytowego jest taki, że większość tętnień jest usuwana, podczas gdy wyjściowe napięcie szczytowe jest zachowane jako takie.

Heinrich Greinacher był pierwszą osobą, która wynalazła ten obwód w 1913 r. (Który został opublikowany w 1914 r.), Aby zapewnić napięcie 200-300 V, którego potrzebował do swojego jonometru, który ponownie był jego nowym wynalazkiem.

Wymóg wynalezienia tego obwodu, aby uzyskać tak duże napięcie, powstał, ponieważ moc dostarczana przez elektrownie w Zurychu wynosiła tylko 110 V AC, a zatem była niewystarczająca.

Heinrich rozwinął ten pomysł bardziej w 1920 r. I rozszerzył go, aby stworzyć kaskadę mnożników. W większości przypadków ludzie określają tę kaskadę mnożników wymyśloną przez Heinricha Greinachera jako kaskadę Villarda, która jest niedokładna i nieprawdziwa.

Ta kaskada mnożników jest również znana jako Cockroft-Walton od naukowców Johna Cockrofta i Ernesta Waltona, którzy zbudowali maszynę akceleratora cząstek i ponownie odkryli obwód niezależnie w 1932 roku.

Zastosowanie dwóch ogniw Greinachera, które mają przeciwne do siebie polaryzacje, ale są zasilane z tego samego źródła prądu przemiennego, może rozszerzyć koncepcję tego rodzaju topologii na obwód poczwórny napięcia.

Dwa oddzielne wyjścia są używane w celu zmniejszenia sygnału wyjściowego na nich. Uziemienie wejścia i wyjścia jednocześnie w tym obwodzie jest zupełnie niemożliwe, jak to ma miejsce w przypadku obwodu mostkowego.

Obwód mostkowy

Rodzaj topologii używanej przez obwód Delona w celu podwojenia napięcia nazywany jest topologią mostkową.

Stwierdzono, że jednym z powszechnych zastosowań tego typu obwodu delonowego są telewizory z lampą katodową. Obwód delon w tych telewizorach został użyty w celu zapewnienia e.h.t. napięcie zasilające.

Rysunek 3. Kwadratomierz napięcia - dwie komórki Greinachera o przeciwnych polaryzacjach

Istnieje wiele zagrożeń bezpieczeństwa i problemów związanych z wytwarzaniem napięć powyżej 5 kV, a także bardzo nieekonomicznym w transformatorze, głównie w sprzęcie domowym.

Ale e.h.t. 10kV to podstawowy wymóg dla telewizorów czarno-białych, podczas gdy telewizory kolorowe wymagają jeszcze więcej e.h.t.

Istnieją różne sposoby i środki, za pomocą których e.h.t. o takich wymiarach uzyskuje się, jak np .: podwojenie napięcia na transformatorze sieciowym w uzwojeniu na nim prądu za pomocą podwajaczy napięcia lub przez zastosowanie podwajaczy napięcia do przebiegu na cewkach flyback linii.

Dwa detektory pików składające się z półfali w obwodzie są funkcjonalnie podobne do komórek detektora pików w obwodzie Greinachera.

Półcykle, które są przeciwne do siebie przychodzącego przebiegu, są wykorzystywane do działania przez każdą z dwóch komórek detektora pików. Okazuje się, że wartość wyjściowa jest zawsze dwukrotnie większa od szczytowego napięcia wejściowego, ponieważ wytwarzane przez nie wyjścia są połączone szeregowo.

Rysunek 4. Podwajacz napięcia mostka (Delon)

Przełączane obwody kondensatorów

Napięcie źródła prądu stałego można podwoić za pomocą obwodów dioda-kondensator, które są dość proste i zostały opisane w powyższej sekcji, poprzedzając podwajacz napięcia za pomocą obwodu przerywacza.

Jest to zatem skuteczne w przekształcaniu prądu stałego na prąd przemienny, zanim przejdzie przez podwajacz napięcia. W celu uzyskania i zbudowania obwodów, które są bardziej wydajne, urządzenia przełączające są sterowane z zewnętrznego zegara, który jest sprawny w działaniu zarówno w zakresie przerywania, jak i mnożenia i może być osiągany jednocześnie.

Rycina 5.

Podwajacz napięcia kondensatora przełączanego osiągany przez proste przełączanie kondensatorów naładowanych z równoległych na szeregowe Te typy obwodów są znane jako obwody kondensatorów przełączanych.

Zastosowania zasilane niskim napięciem to aplikacje, które szczególnie wykorzystują to podejście, ponieważ układy scalone wymagają dostarczenia określonej ilości napięcia, która jest większa niż to, co bateria może faktycznie dostarczyć lub wytworzyć.

W większości przypadków na płycie układu scalonego zawsze jest dostępny sygnał zegarowy, co sprawia, że ​​nie ma potrzeby posiadania jakichkolwiek innych dodatkowych obwodów lub do jego wygenerowania potrzeba tylko niewielkiej liczby obwodów.

W związku z tym schemat na rysunku 5 przedstawia schematycznie najprostszą postać konfiguracji przełączanego kondensatora. Na tym schemacie są dwa kondensatory, które zostały równolegle naładowane tym samym napięciem.

Po wyłączeniu zasilania kondensatory te są przełączane w szereg. Zatem wytwarzane napięcie wyjściowe jest dwukrotnie większe od napięcia zasilania lub wejściowego w przypadku, gdy sygnał wyjściowy pochodzi z dwóch połączonych szeregowo kondensatorów.

Istnieje wiele różnych rodzajów łączników, które można zastosować w takich układach, ale w przypadku układów scalonych najczęściej stosowanymi urządzeniami przełączającymi są MOSFET-y.

Rysunek 6. Schemat podwajania napięcia pompy ładującej

Schemat na rysunku 6 przedstawia schematycznie jedną z pozostałych podstawowych koncepcji „pompy ładującej”. Napięcie wejściowe służy najpierw do ładowania Cp, kondensatora pompy ładującej.

Następnie kondensator wyjściowy C0 jest ładowany poprzez szeregowe przełączanie z napięciem wejściowym, co skutkuje ładowaniem C0 dwukrotnie większym niż napięcie wejściowe. Aby pomyślnie w pełni naładować C0, pompa zasilająca może wymagać wielu cykli.

Ale po osiągnięciu stanu ustalonego, jedyną istotną rzeczą dla kondensatora pompy ładunkowej, Cp, jest pompowanie ładunku w małych ilościach, co jest równoważne ładunkowi dostarczanemu z kondensatora wyjściowego C0 do obciążenia.

Tętnienie powstaje na napięciu wyjściowym, gdy C0 zostaje częściowo rozładowany do obciążenia, podczas gdy jest on odłączany od pompy ładującej. To tętnienie powstałe w tym procesie ma charakterystykę krótszego czasu rozładowania i jest łatwe do odfiltrowania, a zatem te cechy powodują, że są mniejsze dla częstotliwości dla wyższych częstotliwości zegara.

W związku z tym dla każdego określonego tętnienia kondensatory można zmniejszyć. Maksymalna częstotliwość taktowania dla wszystkich praktycznych celów w układach scalonych zwykle mieści się w zakresie setek kHz.

Pompa ładująca Dickson

Pompa ładunkowa Dickson, znana również jako mnożnik Dickson, składa się z kaskady ogniw diod / kondensatorów, w których ciąg impulsów zegarowych napędza dolną płytę każdego z kondensatorów.

Obwód jest uważany za modyfikację mnożnika Cockcrofta-Waltona, ale z jedynym wyjątkiem sygnału przełączającego dostarczanego przez wejście DC z ciągami zegarowymi zamiast wejścia AC, jak ma to miejsce w przypadku mnożnika Cockcrofta-Waltona.

Podstawowym wymogiem mnożnika Dicksona jest to, że impulsy zegarowe faz przeciwnych względem siebie powinny napędzać naprzemienne komórki. Jednak w przypadku podwajacza napięcia, przedstawionego na rysunku 7, wymagany jest tylko jeden sygnał zegarowy, ponieważ istnieje tylko jeden etap powielania.

Rysunek 7. Podwajacz napięcia pompy ładującej Dickson

Obwody, w których mnożniki Dickson są najczęściej i często używane, to układy scalone, w których napięcie zasilania, takie jak z dowolnej baterii, jest niższe niż to, które jest wymagane przez obwód.

Fakt, że wszystkie zastosowane w tym celu półprzewodniki są zasadniczo podobne, stanowi zaletę dla producentów układu scalonego.

Standardowym blokiem logicznym, który jest najczęściej spotykany i używany w wielu układach scalonych, są układy MOSFET.

Jest to jeden z powodów, dla których diody są niejednokrotnie zastępowane tranzystorem tego typu, ale są też podłączone do funkcji w postaci diody.

Ten układ jest również znany jako MOSFET z okablowaniem diodowym. Schemat na rysunku 8 przedstawia podwajacz napięcia Dickson wykorzystujący tego rodzaju układy MOSFET z n-kanałowym wzmocnieniem z okablowaniem diodowym.

Rysunek 8. Podwajacz napięcia Dickson wykorzystujący tranzystory MOSFET z okablowaniem diodowym

Podstawowa forma pompy ładującej Dickson przeszła wiele ulepszeń i odmian. Większość z tych ulepszeń dotyczy zmniejszenia efektu wytwarzanego przez napięcie źródła drenu tranzystora. Poprawę tę uważa się za znaczącą w przypadku, gdy napięcie wejściowe jest małe, jak w przypadku akumulatora niskonapięciowego.

Napięcie wyjściowe jest zawsze całkowitą wielokrotnością napięcia wejściowego (dwukrotnie w przypadku podwajacza napięcia), gdy używane są idealne elementy przełączające.

Ale w przypadku, gdy jako źródło wejściowe używana jest bateria jednokomorowa wraz z przełącznikami MOSFET, moc wyjściowa w takich przypadkach jest znacznie mniejsza niż ta wartość, ponieważ nastąpi spadek napięcia na tranzystorach.

Ze względu na wyjątkowo niski spadek napięcia w stanie włączenia obwodu, w którym zastosowano elementy dyskretne, dioda Schottky'ego jest uważana za dobry wybór jako element przełączający.

Ale projektanci układów scalonych najczęściej wolą MOSFET, ponieważ jest on łatwiej dostępny, co więcej niż kompensuje obecność niedociągnięć i dużą złożoność obwodu, który występuje w urządzeniach MOSFET.

Aby to zilustrować, weźmy przykład: w baterii alkalicznej występuje napięcie znamionowe o wartości 1,5 V.

Wyjście w tym przypadku można podwoić do 3,0 V za pomocą podwajacza napięcia wraz z idealnymi elementami przełączającymi, które mają zerowy spadek napięcia.

Jednak spadek napięcia źródła-drenu w tranzystorze MOSFET z okablowaniem diodowym, gdy jest włączony, musi być co najmniej równy napięciu progowemu bramki, które zazwyczaj wynosi 0,9 V.

Napięcie wyjściowe można skutecznie podnieść przez podwajacz napięcia tylko o około 0,6 V do 2,1 V.

Wzrost napięcia w obwodzie nie może zostać osiągnięty bez zastosowania wielu stopni w przypadku, gdy spadek na końcowym tranzystorze wygładzającym jest również brany pod uwagę i brany pod uwagę.

Z drugiej strony, napięcie na scenie typowej diody Schottky'ego wynosi 0,3 V.Napięcie wyjściowe wytwarzane przez podwajacz napięcia będzie w zakresie 2,7 V, jeśli używa diody Schottky'ego, lub 2,4 V, jeśli używa diody wygładzającej.

Kondensatory przełączane sprzężone krzyżowo

Znane są przełączane obwody kondensatorów o sprzężeniu krzyżowym, których napięcie wejściowe jest bardzo niskie. W urządzeniach, które są zasilane baterią bezprzewodową, takich jak pagery i urządzenia Bluetooth, może być wymagana bateria jednokomorowa, aby zapewnić ciągłe zasilanie, gdy zostanie rozładowane poniżej napięcia.

Rysunek 9. Podwajacz napięcia z przełączanym kondensatorem sprzężonym krzyżowo

Tranzystor Q2 jest wyłączany w przypadku niskiego poziomu zegara. W tym samym czasie tranzystor Q1 jest włączany, jeśli zegar jest wysoki, co powoduje ładowanie kondensatora C1 do napięcia Vn. górna płyta C1 jest podnoszona do podwójnego Vin w przypadku, gdy Ø1 osiąga wysoki poziom.

W celu umożliwienia pojawienia się tego napięcia na wyjściu, przełącznik S1 zamyka się w tym samym czasie. Jednocześnie C2 może ładować się, włączając Q2.

Role komponentów zostaną odwrócone w następnej połowie cyklu: Ø1 będzie niskie, S1 otworzy się, Ø2 będzie wysokie, a S2 zamknie się.

Tak więc alternatywnie z każdej strony obwodu napięcie wyjściowe jest dostarczane z 2Vin. straty powstałe w tym obwodzie są niskie, ponieważ brakuje tranzystorów MOSFET z okablowaniem diodowym i związanych z tym problemów z napięciem progowym.

Jedną z innych zalet obwodu jest to, że podwaja częstotliwość tętnienia, ponieważ obecne są dwa podwajacze napięcia, które skutecznie zasilają wyjście z zegarów fazowych.

Podstawową wadą tego obwodu jest to, że okazuje się, że błądzące pojemności mnożnika Dickinsona są znacznie mniej istotne niż ten obwód, a zatem stanowią większość strat, które są ponoszone w tym obwodzie.

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