Обяснени схеми за умножител на напрежение

Устройството с електронна схема, което се използва за увеличаване на напрежението до 2х порядък чрез зареждане на кондензатори от по-ниско входно напрежение, е известно като удвоител на напрежение.

Зарядният ток се превключва по такъв начин, че във всяка идеална ситуация напрежението, което се произвежда на изхода, е точно два пъти по-голямо от напрежението на входа.

Най-прост умножител на напрежение с помощта на диоди

Най-простата форма на верига за удвояване на напрежение са тип токоизправител, който приема входа под формата на напрежение с променлив ток (AC) и произвежда двойна величина на (DC) напрежение като изход.

Обикновените диоди се използват като превключващи елементи, а входът под формата на просто променливо напрежение се използва за задвижване на тези диоди в превключващо състояние.

Необходима е допълнителна задвижваща верига, за да се контролира скоростта на превключване, в случай че използваните удвоители на напрежение са от DC към DC, тъй като не могат да бъдат превключени по горепосочения начин.

Веригите на преобразувателя на напрежение от постоянен към постоянен ток през повечето време изискват друго допълнително устройство, наречено превключващ елемент, което може лесно и директно да се управлява, например в транзистор.

По този начин, когато използва превключващ елемент, не е необходимо да зависи от напрежението, присъстващо на превключвателя, какъвто е случаят в проста форма на променлив ток към постоянен ток.

Удвоителят на напрежение е вид верига за умножител на напрежение. Повечето вериги за удвояване на напрежение с малки изключения могат да се разглеждат под формата на умножител от по-висок ред на един етап. Също така се постига по-голямо умножение на напрежението, когато има каскадни еднакви етапи, които се използват заедно.

Circuit Villard

Схемата на Villard има прост състав, състоящ се от диод и кондензатор. От една страна, когато веригата на Вилард предоставя предимство от гледна точка на простота, от друга страна също е известно, че произвежда продукция, която има характеристики на пулсации, които се считат за много лоши.

Фигура 1. Вилардова верига

По същество веригата на Villard е форма на схема на диодна скоба. Отрицателните високи цикли се използват за зареждане на кондензатора до променливото напрежение (Vpk). Формата на вълната на променлив ток като вход, заедно със стабилната суперпозиция на кондензатора, формира изхода.

DC стойността на формата на вълната се измества, като се използва ефектът на веригата върху нея. Тъй като диодът затяга отрицателните пикове на формата на вълната на променлив ток до стойността 0V (в действителност това е –VF, което е малкото напрежение на отклонение напред на диода), положителните пикове на изходната форма на вълната са на стойност 2Vpk.

От връх до връх е трудно да се изглади, тъй като е с огромен размер на стойност 2Vpk и по този начин може да бъде изгладен само когато веригата се трансформира в други по-сложни форми по ефективен начин.

Отрицателното високо напрежение се подава към магнетрона чрез използването на тази верига (която се състои от диод в обратна форма) в микровълнова фурна.

Верига на Greinacher

Удвоителят на напрежение Greinarcher се оказа по-добър от веригата на Villard, като се подобри значително чрез добавяне на някои допълнителни компоненти за малка цена.

При условията на натоварване с отворена верига се установява, че пулсациите са намалени много, повечето пъти до нулево състояние, но съпротивлението на товара и стойността на използвания кондензатор играят важна роля и влияят на ток, който се изтегля.

Фигура 2. Верига на Greinacher

Клетъчният етап на Вилард е последван от веригата, за да работи, като се използва етап на детектор на обвивка или пиков детектор.

Ефектът на пиковия детектор е такъв, че голяма част от пулсациите се отстраняват, докато изходът на пиковото напрежение се запазва като такъв.

Хайнрих Грейнахер е първият човек, който е изобретил тази схема през 1913 г. (която е публикувана през 1914 г.), за да осигури напрежението от 200-300V, което е необходимо на него за неговия йонометър, което отново е ново изобретение от него.

Изискването за изобретяване на тази верига, за да се получи толкова много напрежение, възникна, тъй като захранването от електроцентралите в Цюрих беше само 110V AC и по този начин беше недостатъчно.

Хайнрих развива тази идея още през 1920 г. и я разширява, за да направи каскада от множители. Повечето пъти хората наричат ​​тази каскада от множители, измислена от Хайнрих Гренахер, като каскада на Вилард, която е неточна и невярна.

Тази каскада от множители е известна още като Cockroft-Walton след учените Джон Кокрофт и Ърнест Уолтън, които са построили машината за ускоряване на частиците и са преоткрили веригата независимо през 1932 година.

Използването на две клетки на Greinacher, които имат полярности, противоположни една на друга, но се задвижват от един и същ източник на променлив ток, може да разшири концепцията за този вид топология до верига с четворно напрежение.

Двата отделни изхода се използват, за да се намали изходът през тях. Заземяването на входа и изхода едновременно в тази схема е напълно невъзможно, както е в случая с мостова верига.

Мостова верига

Видът на топологията, използван от верига на Делон, за да се удвои напрежението, е известен като топология на моста.

Установено е, че една от често срещаните употреби на този тип делонова верига е в телевизорите с електронно-лъчева тръба. Делоновата верига в тези телевизионни приемници е използвана, за да осигури e.h.t. захранване с напрежение.

Фигура 3. Четирикратно напрежение - две клетки на Greinacher с противоположни полярности

Съществуват много опасности и проблеми, свързани с безопасността, свързани с генерирането на напрежение над 5kV, както и крайно неикономични в трансформатора, най-вече в оборудването, което е домашно оборудване.

Но ех.т. от 10kV е основно изискване на телевизорите, които са черно-бели, докато цветните телевизори изискват още повече, т.н.

Има различни начини и средства, чрез които e.h.t. с такива размери се постигат като: удвояване на напрежението на мрежовия трансформатор в рамките на външна намотка върху него чрез използване на удвоители на напрежение или чрез прилагане на удвоителите на напрежение към формата на вълната на линейните намотки.

Двата пикови детектора, състоящи се от половин вълна във верига, са функционално подобни на клетките на пиковите детектори, открити във веригата на Greinacher.

Полуциклите, които са противоположни един на друг на входящата форма на вълната, се използват за работа от всяка от двете пикови детекторни клетки. Винаги се установява, че изходът е двоен от пиковото входно напрежение, тъй като произведените от тях изходи са последователно.

Фигура 4. Удвоител на напрежение на мост (Делон)

Превключени кондензаторни вериги

Напрежението на източника на постоянен ток може да се удвои с помощта на диодни кондензаторни вериги, които са достатъчно прости и са описани в горния раздел, като предшестват удвояването на напрежението с помощта на верига на хеликоптер.

По този начин това е ефективно при преобразуване на постояннотока в променлив ток, преди да премине през удвоителя на напрежението. За да се постигнат и построят схеми, които са по-ефективни, комутационните устройства се задвижват от външен часовник, който е способен да функционира както по отношение на рязане и умножаване и може да бъде постигнат едновременно.

Фигура 5.

Удвоител на напрежение на превключен кондензатор, постигнат чрез просто превключване на заредени кондензатори от паралелни на последователни Тези типове вериги са известни като превключени кондензаторни вериги.

Приложенията, които се захранват от ниско напрежение, са приложенията, които особено използват този подход, тъй като интегралните схеми имат изискване за захранване с определено количество напрежение, което е повече от това, което батерията може действително да достави или произведе.

В повечето случаи винаги има наличен тактов сигнал на борда на интегралната схема и по този начин прави ненужно наличието на друга допълнителна схема или е необходима само малка верига за нейното генериране.

По този начин диаграмата на фигура 5 показва схематично най-простата форма на конфигурация на превключен кондензатор. В тази диаграма има два кондензатора, които са били заредени едновременно с едно и също напрежение паралелно.

След това кондензаторите се превключват последователно след изключване на захранването. По този начин произведеното изходно напрежение е два пъти по-голямо от захранващото или входното напрежение, в случай че изходът се извежда от последователно двата кондензатора.

Съществуват различни видове комутационни устройства, които могат да се използват в такива схеми, но MOSFET устройствата са най-често използваните комутационни устройства в случай на интегрални схеми.

Фигура 6. Схематичен удвоител на напрежението на зареждащата помпа

Диаграмата на фигура 6 показва схематично една от другите основни концепции на „Помпата за зареждане“. Входното напрежение се използва за първо зареждане на Cp, кондензатора на зарядната помпа.

След това изходният кондензатор C0 се зарежда чрез последователно превключване с входното напрежение, което води до зареждане на C0 двойно по-голямо от входното напрежение. За да се зареди успешно C0 напълно, може да се наложи зареждащата помпа да отнеме много цикли.

Но след като се получи стабилно състояние, единственото съществено нещо за кондензатора на зареждащата помпа, Cp, е да се изпомпва заряд в малки количества, което е еквивалентно на зареждането, подавано от изходния кондензатор, C0 към товара.

Пулсация се образува на изходното напрежение, когато C0 се разтовари частично в товара, докато е изключен от помпата за зареждане. Тази пулсация, образувана в този процес, има характеристиката на по-кратко време на разреждане и е лесна за филтриране и по този начин тези характеристики ги правят по-малки за честоти за по-високи тактови честоти.

По този начин, за дадена конкретна пулсация, кондензаторите могат да бъдат направени по-малки. Максималното количество тактова честота за всички практически цели в интегралните схеми обикновено попада в диапазона от стотици kHz.

Помпа за зареждане на Dickson

Зарядната помпа на Диксън, известна също като мултипликатор на Диксън, се състои от каскада от диодни / кондензаторни клетки, където импулсен механизъм с тактова честота задвижва долната плоча на всеки от кондензаторите.

Схемата се счита за модификация на множителя Cockcroft-Walton, но с единственото изключение комутационният сигнал се подава от DC входа с тактови влакове вместо AC вход, какъвто е случаят с Cockcroft-Walton multiplikator.

Основното изискване на мултипликатора от Диксън е тактовите импулси на фази, противоположни една на друга, да задвижват алтернативните клетки. Но в случай на удвоител на напрежение, изобразен на фигура 7, се изисква само един тактов сигнал, тъй като има само един етап на умножение.

Фигура 7. Удвоител на напрежение на помпата на Диксън

Схемите, в които се използват най-често и често се използват мултипликатори на Dickson, са интегралните схеми, при които захранващото напрежение, например от която и да е батерия, е по-малко от това, което се изисква от схемата.

Фактът, че всички полупроводници, използвани в това, по същество са подобни, действа като предимство за производителите на интегралната схема.

Стандартният логически блок, който се среща най-често и се използва в множество интегрални схеми, са MOSFET устройствата.

Това е една от причините диодите многократно да се заменят с транзистора от този тип, но също така са свързани към функция под формата на диод.

Тази подредба е известна също като MOSFET с диоден кабел. Диаграмата на фигура 8 изобразява удвоител на напрежение на Dickson, използващ този тип диодни кабелни устройства за подобряване на n-канален тип MOSFET.

Фигура 8. Удвоител на напрежение на Dickson, използващ MOSFET-та с диодни кабели

Основната форма на помпата за зареждане на Dickson е претърпяла много много подобрения и вариации. Повечето от тези подобрения са в областта на намаляването на ефекта, произведен от напрежението на източника на източване на транзистора. Това подобрение се счита за значително в случай, че входното напрежение е малко, както в случая на батерия с ниско напрежение.

Изходното напрежение винаги е интегрално кратно на входното напрежение (два пъти в случай на удвоител на напрежение), когато се използват идеални превключващи елементи.

Но в случай, когато едноклетъчна батерия се използва като входен източник заедно с MOSFET превключватели, изходът в такива случаи е далеч по-малък от тази стойност, тъй като ще има спад в напрежението на транзисторите.

Поради изключително ниския спад на напрежението в включено състояние на верига, която използва дискретни компоненти, диодът на Шотки се счита за добър избор като превключващ елемент.

Но дизайнерите на интегрална схема предпочитат да използват MOSFET, тъй като е по-лесно достъпен, което повече от компенсира наличието на недостатъци и висока сложност в схемата, която присъства в MOSFET устройствата.

За да илюстрираме това, нека вземем пример: номинално напрежение на мелодията от 1,5V присъства в алкална батерия.

Изходът в това може да се удвои до 3.0V чрез използване на удвоител на напрежение заедно с идеални превключващи елементи, които имат спад на напрежението от нула.

Но падането на напрежението на източващия източник на MOSFET с диодно захранване, когато е в състояние на включване, трябва да бъде най-малкото равно на прага на напрежението на портата, което обикновено е в размер на 0.9V.

Изходното напрежение може да бъде повишено от удвоителя на напрежението успешно само с приблизително 0,6V до 2,1V.

Увеличението на напрежението от веригата не може да бъде постигнато без използване на множество етапи, в случай че спадането през крайния изглаждащ транзистор също се обмисли и вземе предвид.

От друга страна, напрежението на сцената на типичен диод на Шотки е от 0,3 V. изходното напрежение, произведено от удвоител на напрежение, ще бъде в диапазона от 2,7 V, ако използва диод на Шотки, или 2,4 V, ако използва изглаждащ диод.

Кондензатори с кръстосано свързване

Кръстосано свързаните кондензаторни вериги са известни с това, че входното напрежение е много ниско. Едноклетъчна батерия може да бъде необходима в съоръженията, които се задвижват от безжична батерия, като пейджъри и Bluetooth устройства, за да се подава непрекъснато захранване, когато се разреди под волта.

Фигура 9. Удвоител на напрежение с кръстосано свързан кондензатор

Транзисторът Q2 е изключен в случай, че часовникът е нисък. В същото време транзисторът Q1 се включва, ако часовникът е висок и това води до зареждане на кондензатора C1 до напрежението Vn. горната плоча на C1 се избутва нагоре, за да удвои Vin, в случай че Ø1 отиде високо.

За да може това напрежение да се появи като изход, превключвателят S1 се затваря едновременно. Също така, в същото време C2 е разрешено да се зарежда чрез включване на Q2.

Ролите на компонентите се обменят в следващия полуцикъл: Ø1 ще бъде нисък, S1 ще се отвори, Ø2 ще бъде висок и S2 ще се затвори.

По този начин алтернативно от всяка страна на веригата, изходното напрежение се захранва с 2Vin. загубата, понесена в тази схема, е ниска, тъй като липсват диодни MOSFET и свързани с нея проблеми с праговото напрежение.

Едно от другите предимства на веригата е, че тя удвоява честотата на пулсации, тъй като има два удвоителя на напрежение, които осигуряват ефективно изхода от фазовите часовници.

Основният недостатък на тази схема е, че се установява, че разсеяните капацитети на мултипликатора на Дикинсън са много по-малко значими от тази верига и по този начин отчитат по-голямата част от загубите, възникнали в тази верига.

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