Объяснение схем умножителя напряжения

Устройство электронной схемы, которое используется для увеличения напряжения до двукратного порядка за счет зарядки конденсаторов от более низкого входного напряжения, известно как удвоитель напряжения.

Зарядный ток переключается таким образом, что в любой идеальной ситуации напряжение на выходе ровно в два раза превышает напряжение на входе.

Простейший умножитель напряжения с использованием диодов

Самая простая форма схема удвоителя напряжения - это тип выпрямителя, который принимает на входе напряжение переменного тока (AC) и выдает на выходе двойное значение (DC) напряжения.

Простые диоды используются в качестве переключающих элементов, а вход в виде простого переменного напряжения используется для приведения этих диодов в состояние переключения.

Дополнительная схема возбуждения требуется для управления скоростью переключения в случае, если используются удвоители напряжения с постоянного на постоянный ток, поскольку они не могут переключаться указанным выше способом.

Цепи преобразователя постоянного напряжения в постоянный в большинстве случаев требуют другого дополнительного устройства, называемого переключающим элементом, которым можно легко и напрямую управлять, например, в транзисторе.

Таким образом, когда он использует переключающий элемент, он не должен зависеть от напряжения, присутствующего на переключателе, как в случае простой формы преобразования переменного тока в постоянный.

Удвоитель напряжения - это разновидность схемы умножителя напряжения. Большинство схем удвоителя напряжения, за некоторыми исключениями, можно рассматривать в виде умножителя более высокого порядка на одной ступени. Кроме того, большее умножение напряжения достигается при каскадном соединении идентичных каскадов, которые используются вместе.

Автодром Виллар

Схема Виллара имеет простой состав, состоящий из диода и конденсатора. С одной стороны, схема Вилларда обеспечивает преимущество с точки зрения простоты, с другой стороны, известно, что она дает выходной сигнал с характеристиками пульсации, которые считаются очень плохими.

Рисунок 1 - Схема Виллара

По сути, схема Виллара представляет собой схему диодного зажима. Отрицательные высокие циклы используются для зарядки конденсатора до пикового напряжения переменного тока (Vpk). Форма волны переменного тока на входе вместе с постоянным наложением постоянного тока конденсатора формирует выход.

Значение постоянного тока формы волны смещается за счет воздействия на нее схемы. Поскольку диод фиксирует отрицательные пики сигнала переменного тока до значения 0 В (на самом деле это –VF, что представляет собой небольшое прямое напряжение смещения диода), положительные пики выходного сигнала имеют значение 2 В пик.

Размах сигнала трудно сгладить, поскольку он имеет огромную величину, равную 2Vpk, и поэтому его можно сглаживать только тогда, когда схема эффективно преобразована в любые другие, более сложные формы.

Отрицательное высокое напряжение подается на магнетрон с помощью этой схемы (которая состоит из диода в обратной форме) в микроволновой печи.

Схема Грайнахера

Удвоитель напряжения Greinarcher оказался лучше, чем схема Вилларда, благодаря значительному усовершенствованию за счет добавления некоторых дополнительных компонентов за небольшую плату.

Обнаружено, что в условиях нагрузки разомкнутой цепи пульсация очень сильно снижается, в большинстве случаев до состояния нуля, но сопротивление нагрузки и величина используемого конденсатора играют важную роль и влияют на текущий рисуется.

Рисунок 2. Схема Грайнахера

За каскадом ячейки Виллара следует схема для работы с использованием каскада детектора огибающей или пикового детектора.

Эффект пикового детектора таков, что большая часть пульсаций устраняется, а выход пикового напряжения сохраняется как таковой.

Генрих Грайнахер был первым человеком, который изобрел эту схему в 1913 году (которая была опубликована в 1914 году), чтобы обеспечить напряжение 200–300 В, необходимое ему для его ионометра, который снова был его новым изобретением.

Потребность в изобретении этой схемы для получения такого напряжения возникла потому, что мощность, подаваемая электростанциями Цюриха, составляла всего 110 В переменного тока и, следовательно, была недостаточной.

Генрих развил эту идею в 1920 году и расширил ее, сделав каскад множителей. В большинстве случаев люди называют этот каскад множителей, изобретенный Генрихом Грайнахером, каскадом Виллара, что неточно и не соответствует действительности.

Этот каскад умножителей также известен как Кокрофт-Уолтон в честь ученых Джона Кокрофта и Эрнеста Уолтона, которые построили ускоритель элементарных частиц и заново открыли схему независимо в 1932 году.

Использование двух ячеек Грейнахера, полярность которых противоположна друг другу, но которые питаются от одного источника переменного тока, может расширить концепцию такой топологии до схемы учетверения напряжения.

Два отдельных выхода используются для снятия выхода через них. Одновременное заземление входа и выхода в этой схеме совершенно невозможно, как в случае с мостовой схемой.

Мостовая схема

Тип топологии, используемой схемой Делона для удвоения напряжения, известен как топология моста.

Было обнаружено, что одно из распространенных применений схемы Делона этого типа - в телевизорах с электронно-лучевой трубкой. Схема Делона в этих телевизорах использовалась для обеспечения эл. напряжение питания.

Рисунок 3 - Счетверитель напряжения - две ячейки Грейнахера противоположных полярностей

Существует много опасностей и проблем, связанных с генерацией напряжения более 5 кВ, а также крайне неэкономичным в трансформаторе, в основном в оборудовании, которое является бытовым.

Но е.х.т. напряжение 10 кВ является основным требованием для черно-белых телевизоров, в то время как для цветных телевизоров требуется еще больше электроэнергии.

Существуют разные способы и средства, с помощью которых e.h.t. таких размеров достигаются такие как: удвоение напряжения на сетевом трансформаторе внутри обмотки на нем с помощью удвоителей напряжения или применения удвоителей напряжения к форме волны на линейных обратных катушках.

Два пиковых детектора, состоящие из полуволн в цепи, функционально аналогичны ячейкам пиковых детекторов в схеме Грейнахера.

Полупериоды, противоположные друг другу входящей формы волны, используются для работы каждой из двух ячеек пикового детектора. Выходное напряжение всегда оказывается в два раза больше пикового входного напряжения, так как выходы, производимые ими, идут последовательно.

Рисунок 4. Мостовой (Делон) удвоитель напряжения.

Схемы переключаемых конденсаторов

Напряжение источника постоянного тока может быть увеличено вдвое с помощью схем диод-конденсатор, которые достаточно просты и были описаны в предыдущем разделе, предшествовав удвоителю напряжения с использованием схемы прерывателя.

Таким образом, это эффективно для преобразования постоянного тока в переменный, прежде чем он пройдет через удвоитель напряжения. Для создания и создания схем, которые являются более эффективными, коммутационные устройства управляются от внешних часов, которые хорошо работают как с точки зрения прерывания, так и с точки зрения умножения, и могут быть достигнуты на одновременной основе.

Рисунок 5.

Удвоитель напряжения на переключаемых конденсаторах достигается простым переключением заряженных конденсаторов с параллельного на последовательный. Эти типы схем известны как схемы переключаемых конденсаторов.

Приложения, которые питаются от низкого напряжения, являются приложениями, которые особенно используют этот подход, поскольку интегральные схемы имеют требование подачи определенного количества напряжения, которое больше, чем то, что батарея может фактически подавать или производить.

В большинстве случаев на плате интегральной схемы всегда имеется доступный тактовый сигнал, и, таким образом, это делает ненужным наличие каких-либо других дополнительных схем или требуется лишь небольшая схема для его генерации.

Таким образом, диаграмма на рисунке 5 схематически отображает простейшую форму конфигурации переключаемых конденсаторов. На этой схеме показаны два конденсатора, которые одновременно параллельно заряжаются до одинакового напряжения.

Пост этого конденсаторы включаются последовательно после отключения питания. Таким образом, создаваемое выходное напряжение в два раза больше напряжения питания или входного напряжения, если выходное напряжение получается от двух последовательно соединенных конденсаторов.

Существуют различные виды переключающих устройств, которые могут использоваться в таких схемах, но устройства MOSFET являются наиболее часто используемыми переключающими устройствами в случае интегральных схем.

Рисунок 6. Схема удвоителя напряжения накачки заряда.

Диаграмма на Рисунке 6 схематически отображает одну из других основных концепций «Зарядного насоса». Входное напряжение используется для первой зарядки конденсатора накачки заряда Cp.

После этого выходной конденсатор C0 заряжается путем последовательного включения входного напряжения, что приводит к зарядке C0, вдвое превышающей входное напряжение. Для успешной зарядки C0 может потребоваться много циклов зарядного насоса.

Но как только установившееся состояние достигнуто, единственное, что необходимо для конденсатора накачки заряда, Cp, - это накачать заряд в небольших количествах, что эквивалентно заряду, подаваемому от выходного конденсатора C0 на нагрузку.

На выходном напряжении образуется пульсация, когда C0 частично разряжается в нагрузку, когда он отключается от зарядного насоса. Эта пульсация, образующаяся в этом процессе, имеет характеристику более короткого времени разряда и ее легко фильтровать, и, таким образом, эти характеристики делают их меньше для частот для более высоких тактовых частот.

Таким образом, для любой конкретной пульсации конденсаторы можно сделать меньше. Максимальное значение тактовой частоты для всех практических целей в интегральных схемах обычно находится в диапазоне сотен кГц.

Зарядный насос Диксона

Накачка заряда Диксона, также известная как умножитель Диксона, состоит из каскада диодно-конденсаторных ячеек, где последовательность тактовых импульсов приводит в действие нижнюю пластину каждого конденсатора.

Схема считается модификацией умножителя Кокрофта-Уолтона, но с единственным исключением сигнала переключения, обеспечиваемого входом постоянного тока с тактовыми последовательностями вместо входа переменного тока, как в случае с умножителем Кокрофта-Уолтона.

Основное требование к умножителю Диксона заключается в том, что тактовые импульсы фаз, противоположных друг другу, должны управлять чередующимися ячейками. Но в случае удвоителя напряжения, изображенного на рисунке 7, требуется только один тактовый сигнал, поскольку существует только один этап умножения.

Рисунок 7. Удвоитель напряжения с зарядовой накачкой Диксона.

Схемы, в которых чаще всего используются умножители Диксона, представляют собой интегральные схемы, в которых напряжение питания, например от любой батареи, меньше, чем требуется для схемы.

Тот факт, что все полупроводники, используемые в этом, в основном похожи, действует как преимущество для производителей интегральных схем.

Стандартный логический блок, который чаще всего встречается и используется во многих интегральных схемах, - это устройства MOSFET.

Это одна из причин, по которой диоды часто заменяются транзисторами этого типа, но они также подключаются к функции в виде диода.

Эта схема также известна как MOSFET с диодной проводкой. На диаграмме на рис. 8 показан удвоитель напряжения Диксона, использующий этот тип полевых МОП-транзисторов с n-канальным соединением с диодом.

Рисунок 8. Удвоитель напряжения Диксона с использованием полевых МОП-транзисторов с диодной связью.

Базовая форма зарядного насоса Диксона претерпела множество улучшений и изменений. Большинство этих улучшений связано с уменьшением влияния напряжения стока транзистора на исток. Это улучшение считается значительным в случае небольшого входного напряжения, как в случае низковольтной батареи.

При использовании идеальных переключающих элементов выходное напряжение всегда является целым числом, кратным входному напряжению (в два раза в случае удвоителя напряжения).

Но в случае, когда одноэлементная батарея используется в качестве источника входного сигнала вместе с переключателями MOSFET, выход в таких случаях намного меньше, чем это значение, потому что будет падение напряжения на транзисторах.

Из-за чрезвычайно низкого падения напряжения во включенном состоянии схемы, в которой используются дискретные компоненты, диод Шоттки считается хорошим выбором в качестве переключающего элемента.

Но разработчики интегральных схем в основном предпочитают использовать MOSFET, поскольку он более доступен, что более чем компенсирует наличие несоответствий и высокую сложность в схеме, которая присутствует в устройствах MOSFET.

Чтобы проиллюстрировать это, возьмем пример: в щелочной батарее присутствует номинальное напряжение порядка 1,5 В.

Выходной сигнал может быть увеличен вдвое до 3,0 В с помощью удвоителя напряжения вместе с идеальными переключающими элементами с нулевым падением напряжения.

Но падение напряжения сток-исток полевого МОП-транзистора с диодной связью, когда он находится во включенном состоянии, должно быть как минимум равным пороговому напряжению затвора, которое обычно составляет 0,9 В.

Выходное напряжение может быть увеличено удвоителем напряжения только примерно на 0,6–2,1 В.

Увеличение напряжения в схеме не может быть достигнуто без использования нескольких каскадов, если также учитывается и учитывается падение напряжения на конечном сглаживающем транзисторе.

С другой стороны, каскадное напряжение типичного диода Шоттки составляет 0,3 В. Выходное напряжение, создаваемое удвоителем напряжения, будет в диапазоне 2,7 В, если он использует диод Шоттки, или 2,4 В, если он использует сглаживающий диод.

Перекрестно-коммутируемые конденсаторы

Схемы перекрестно связанных переключаемых конденсаторов известны тем, что входное напряжение очень низкое. Одноклеточная батарея может потребоваться в оборудовании, которое приводится в действие беспроводной батареей, таком как пейджеры и устройства Bluetooth, чтобы обеспечивать непрерывное питание, когда оно разряжается ниже напряжения.

Рисунок 9. Удвоитель напряжения на перекрестно-связанных конденсаторах.

Транзистор Q2 отключается в случае низкого тактового сигнала. В то же время транзистор Q1 включается, если тактовый сигнал высокий, и это приводит к зарядке конденсатора C1 до напряжения Vn. верхняя пластина C1 выдвигается до двойного Vin, если Ø1 поднимается выше.

Чтобы это напряжение появилось на выходе, одновременно замыкается переключатель S1. Кроме того, одновременно с этим C2 может заряжаться, включив Q2.

В следующем полупериоде роли компонентов меняются на противоположные: Ø1 будет низким, S1 откроется, Ø2 будет высоким, а S2 закроется.

Таким образом, альтернативно с каждой стороны схемы выходное напряжение подается с 2Vin. потери, возникающие в этой схеме, невелики, поскольку отсутствуют полевые МОП-транзисторы с диодной проводкой и связанные с этим проблемы с пороговым напряжением.

Одним из других преимуществ схемы является то, что она удваивает частоту пульсаций, поскольку присутствуют два удвоителя напряжения, которые эффективно обеспечивают выходной сигнал от фазовых генераторов.

Основным недостатком этой схемы является то, что паразитные емкости умножителя Дикинсона оказываются гораздо менее значительными, чем эта схема, и, таким образом, составляют большую часть потерь, которые возникают в этой схеме.

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