Vysvetlenie obvodov multiplikátora napätia

Vyskúšajte Náš Nástroj Na Odstránenie Problémov





Zariadenie s elektronickým obvodom, ktoré sa používa na zvýšenie napätia na dvojnásobok, nabíjaním kondenzátorov z nižšieho vstupného napätia, je známe ako zdvojovač napätia.

Nabíjací prúd je prepínaný takým spôsobom, že v každej ideálnej situácii je napätie produkované na výstupe presne dvojnásobné ako napätie na vstupe.



Najjednoduchší multiplikátor napätia pomocou diód

Najjednoduchšia forma obvod zdvojovača napätia sú typom usmerňovača, ktorý prijíma vstup vo forme napätia na striedavý prúd (AC) a ako výstup vytvára dvojité napätie (DC).

Ako spínacie prvky sa používajú jednoduché diódy a na pohon týchto diód v spínacom stave sa používa vstup vo forme obyčajného striedavého napätia.



Na riadenie spínacej rýchlosti je potrebný ďalší riadiaci obvod v prípade, že použité zdvojovače napätia sú typu DC na DC, pretože ich nemožno prepnúť vyššie uvedeným spôsobom.

Obvody prevodníka jednosmerného napätia na jednosmerný prúd väčšinou vyžadujú ďalšie prídavné zariadenie nazývané spínací prvok, ktoré je možné ľahko a priamo ovládať, napríklad v tranzistore.

Keď teda používa spínací prvok, nemusí závisieť od napätia prítomného na prepínači, ako je to v prípade jednoduchej formy striedavého prúdu na jednosmerný prúd.

Zdvojovač napätia je typom obvodu násobiča napätia. Väčšina obvodov zdvojovača napätia s niekoľkými výnimkami sa dá zobraziť v podobe multiplikátora vyššieho rádu v jednom stupni. Taktiež sa dosiahne väčšie množstvo znásobenia napätia, keď existujú kaskádovité identické stupne, ktoré sa používajú spoločne.

Villardov okruh

Obvod Villard má jednoduché zloženie pozostávajúce z diódy a kondenzátora. Na jednej strane, keď obvod Villard poskytuje výhody z hľadiska jednoduchosti, na druhej strane je tiež známe, že produkuje výstup, ktorý má zvlnenie, ktoré sa považuje za veľmi zlé.

obvod násobiča napätia

Obrázok 1. Obvod Villard

Obvod Villard je v podstate formou diódového kliešťového obvodu. Negatívne vysoké cykly sa používajú na nabitie kondenzátora na špičkové striedavé napätie (Vpk). Krivka striedavého prúdu ako vstup spolu so stabilnou superpozíciou kondenzátora DC tvoria výstup.

Hodnota DC krivky sa posúva pomocou účinku obvodu na ňu. Pretože dióda upína záporné vrcholy krivky striedavého prúdu na hodnotu 0 V (v skutočnosti je to –VF, čo je malé dopredu predpäté napätie diódy), kladné špičky krivky výstupného priebehu majú hodnotu 2 Vpk.

Špička-špička sa ťažko vyhladzuje, pretože má enormnú veľkosť s hodnotou 2Vpk, a teda sa dá vyhladiť, iba ak sa obvod účinným spôsobom transformuje do akýchkoľvek iných zložitejších foriem.

Negatívne vysoké napätie sa dodáva do magnetrónu pomocou tohto obvodu (ktorý pozostáva z obrátenej diódy) v mikrovlnnej rúre.

Greinacherov obvod

Zdvojovač napätia Greinarcher sa ukázal ako lepší ako obvod Villard, pretože sa výrazne vylepšil pridaním niektorých ďalších komponentov za malú cenu.

Zistilo sa, že za podmienky zaťaženia naprázdno sa zvlnenie veľmi zníži, väčšinou do nulového stavu, ale dôležitú úlohu hrá odpor záťaže a hodnota použitého kondenzátora, ktoré ovplyvňujú odoberaný prúd.

Greinacherov obvod

Obrázok 2. Obvod Greinacher

Po Villardovom bunkovom stupni nasleduje obvod, aby bolo možné pracovať pomocou stupňa detektora obálky alebo špičkového detektora.

Účinok špičkového detektora je taký, že veľká časť zvlnenia sa odstráni, zatiaľ čo výstup špičkového napätia sa zachová ako taký.

Heinrich Greinacher bol prvým človekom, ktorý vynašiel tento obvod v roku 1913 (ktorý bol zverejnený v roku 1914) s cieľom poskytnúť napätie 200 - 300 V, ktoré potreboval pre svoj ionometer, čo bol pre neho opäť nový vynález.

Požiadavka na vynájdenie tohto obvodu, aby sa získalo toľko napätia, vznikla, pretože energia dodávaná zürišskými elektrárňami bola iba 110 V striedavého prúdu, a preto bola nedostatočná.

Heinrich túto myšlienku rozvinul viac v roku 1920 a rozšíril ju, aby vytvoril kaskádu multiplikátorov. Ľudia väčšinou označujú túto kaskádu multiplikátorov, ktorú vynašiel Heinrich Greinacher, ako Villardovu kaskádu, ktorá je nepresná a nie je pravdivá.

Táto kaskáda multiplikátorov je tiež známa ako Cockroft-Walton po vedcoch Johnovi Cockroftovi a Ernestovi Waltonovi, ktorí zostrojili stroj na urýchlenie častíc a znovuobjavili okruh nezávisle v roku 1932.

Použitie dvoch Greinacherových článkov, ktoré majú opačnú polaritu, ale sú poháňané z rovnakého zdroja striedavého prúdu, môže rozšíriť koncepciu tohto druhu topológie na napäťový štvornásobný obvod.

Dva jednotlivé výstupy sa používajú na to, aby sa znížil výstup z nich. Uzemnenie vstupu a výstupu súčasne v tomto obvode je celkom nemožné, ako je to v prípade mostného obvodu.

Mostný okruh

Druh topológie používaný obvodom Delon na zdvojnásobenie napätia je známy ako mostná topológia.

Zistilo sa, že jedným z bežných použití tohto typu delonovho obvodu je televízor s katódovou trubicou. Obvod delon v týchto televíznych prijímačoch bol použitý na zabezpečenie e.h.t. napájacie napätie.

Obrázok 3. Štvornásobok napätia - dva Greinacherove bunky s opačnou polaritou

Existuje veľa bezpečnostných rizík a problémov spojených s vytváraním napätia nad 5 kV a s tým, že sú vysoko neekonomické v transformátoroch, väčšinou v zariadeniach, ktoré sú domácimi zariadeniami.

Ale e.h.t. 10 kV je základnou požiadavkou televízorov, ktoré sú čiernobiele, zatiaľ čo farebné televízory vyžadujú ešte viac e.h.t.

Existujú rôzne spôsoby a prostriedky, ako môže e.h.t. sa dosiahnu také rozmery, ako sú: zdvojnásobenie napätia na sieťovom transformátore v rámci vinutia e.h.t. pomocou zdvojovačov napätia alebo použitím zdvojovačov napätia na priebeh vlny na spätných cievkach vedenia.

Dva špičkové detektory pozostávajúce z polvlny v obvode sú funkčne podobné bunkám špičkových detektorov nachádzajúcich sa v obvode Greinacher.

Polcykly, ktoré sú navzájom proti sebe prichádzajúce krivky, sa používajú na prevádzku každou z dvoch špičkových detekčných buniek. Výstup sa vždy považuje za dvojnásobok špičkového vstupného napätia, pretože výstupy, ktoré vytvárajú, sú zapojené do série.

Obrázok 4. Zdvojovač napätia mosta (Delon)

Prepínané obvody kondenzátorov

Napätie zdroja jednosmerného prúdu sa môže zdvojnásobiť použitím obvodov diódových kondenzátorov, ktoré sú dosť jednoduché a boli opísané v predchádzajúcej časti predchádzajúcim zdvojovaču napätia pomocou prerušovacieho obvodu.

Je to teda efektívne pri premene jednosmerného prúdu na striedavý prúd predtým, ako prejde zdvojovačom napätia. Za účelom dosiahnutia a vybudovania obvodov, ktoré sú efektívnejšie, sú spínacie zariadenia poháňané z externých hodín, ktoré sú zdatné vo funkcii sekania a násobenia a je možné ich dosiahnuť simultánne.

Prepínané obvody kondenzátorov

Obrázok 5.

Zdvojovač napätia spínaného kondenzátora dosiahnutý jednoduchým prepínaním nabitých kondenzátorov z paralelného na sériové Tieto typy obvodov sú známe ako spínané kondenzátorové obvody.

Aplikácie, ktoré sú napájané nízkym napätím, sú aplikácie, ktoré obzvlášť využívajú tento prístup, pretože integrované obvody majú požiadavku na dodávku špecifického množstva napätia, ktoré je väčšie ako to, čo môže batéria skutočne dodať alebo vyrobiť.

Vo väčšine prípadov je na palube integrovaného obvodu vždy k dispozícii hodinový signál, a preto nie je potrebné mať žiadne ďalšie prídavné obvody alebo na jeho vygenerovanie stačí len malý obvod.

Schéma na obrázku 5 teda schematicky zobrazuje najjednoduchšiu formu konfigurácie spínaného kondenzátora. Na tomto diagrame sú dva kondenzátory, ktoré sú paralelne nabité na rovnaké napätie.

Po tomto sa kondenzátory po vypnutí napájania prepnú do série. Takto vyrobené výstupné napätie je dvojnásobkom napájacieho alebo vstupného napätia v prípade, že je výstup odvodený z dvoch kondenzátorov zapojených do série.

V takýchto obvodoch je možné použiť rôzne druhy spínacích zariadení, ale v prípade integrovaných obvodov sú MOSFET zariadenia najčastejšie používanými spínacími zariadeniami.

Obrázok 6. Schéma zdvojovača napätia nabíjacieho čerpadla

Schéma na obrázku 6 zobrazuje schematicky jeden z ďalších základných konceptov „nabíjacieho čerpadla“. Vstupné napätie sa používa na prvé nabitie Cp, kondenzátora nabíjacieho čerpadla.

Potom sa výstupný kondenzátor C0 nabije zapojením do série so vstupným napätím, čo spôsobí, že C0 sa nabije na dvojnásobok vstupného napätia. Na úspešné úplné nabitie C0 môže byť potrebné, aby nabíjacie čerpadlo trvalo mnoho cyklov.

Ale akonáhle je dosiahnutý ustálený stav, jedinou dôležitou vecou pre kondenzátor nabíjacieho čerpadla, Cp, je prečerpávať náboj v malom množstve, ktoré je ekvivalentné nabíjaniu dodávanému z výstupného kondenzátora C0 do záťaže.

Keď sa C0 čiastočne odpojí od záťaže, keď je odpojená od nabíjacieho čerpadla, na výstupnom napätí sa vytvorí zvlnenie. Toto zvlnenie vytvorené v tomto procese má charakteristiku kratšej doby vybíjania a je ľahko filtrovateľné, a preto ich tieto vlastnosti znižujú pre frekvencie pre vyššie frekvencie hodín.

Pre každé konkrétne zvlnenie teda môžu byť kondenzátory zmenšené. Maximálna veľkosť hodinovej frekvencie pre všetky praktické účely v integrovaných obvodoch typicky spadá do rozsahu stoviek kHz.

Dicksonovo nabíjacie čerpadlo

Dicksonovo nabíjacie čerpadlo, tiež známe ako Dicksonov multiplikátor, sa skladá z kaskády článkov diód / kondenzátorov, kde chod hodinových impulzov poháňa spodnú dosku každého z kondenzátorov.

Obvod sa považuje za modifikáciu multiplikátora Cockcroft-Walton, ale s jedinou výnimkou prepínacieho signálu poskytovaného jednosmerným vstupom s hodinovými súpravami namiesto striedavého vstupu, ako je to v prípade multiplikátora Cockcroft-Walton.

Základnou požiadavkou Dicksonovho multiplikátora je, aby hodinové impulzy fáz navzájom proti sebe mali poháňať alternatívne bunky. Ale v prípade zdvojovača napätia, zobrazeného na obrázku 7, je potrebný iba jediný hodinový signál, pretože existuje iba jeden stupeň násobenia.

Dicksonovo nabíjacie čerpadlo

Obrázok 7. Zdvojovač napätia Dicksonovho nabíjacieho čerpadla

Obvody, kde sa väčšinou a často používajú multiplikátory Dickson, sú integrované obvody, kde je napájacie napätie, napríklad z ľubovoľnej batérie, menšie ako to, čo požadujú obvody.

Skutočnosť, že všetky polovodiče použité v tomto dokumente sú v podstate podobné, predstavuje pre výrobcov integrovaných obvodov výhodu.

Štandardným logickým blokom, ktorý sa najčastejšie vyskytuje a používa v mnohých integrovaných obvodoch, sú zariadenia MOSFET.

To je jeden z dôvodov, prečo sú diódy mnohokrát nahradené tranzistorom tohto typu, ale sú tiež zapojené do funkcie vo forme diódy.

Toto usporiadanie je tiež známe ako diódový drôtový MOSFET. Diagram na obrázku 8 zobrazuje Dicksonov zdvojovač napätia využívajúci tento druh MOSFET zariadení s diódovým zapojením typu n-kanálového vylepšenia.

Obrázok 8. Dicksonov zdvojovač napätia pomocou diódových drôtov MOSFET

Základná forma nabíjacej pumpy Dickson prešla mnohými vylepšeniami a variáciami. Väčšina z týchto vylepšení sa týka oblasti zníženia účinku spôsobeného napätím zdroja odvodu tranzistora. Toto zlepšenie sa považuje za významné v prípade, že je vstupné napätie malé, ako je to v prípade nízkonapäťovej batérie.

Ak sa používajú ideálne spínacie prvky, je výstupné napätie vždy integrálnym násobkom vstupného napätia (dvakrát v prípade zdvojovača napätia).

Ale v prípade, že sa ako vstupný zdroj použije jednočlánková batéria spolu s prepínačmi MOSFET, je výstup v takýchto prípadoch oveľa menší ako táto hodnota, pretože dôjde k poklesu napätia na tranzistoroch.

Kvôli extrémne malému poklesu napätia v zapnutom stave obvodu, ktorý používa diskrétne komponenty, sa Schottkyho dióda považuje za dobrú voľbu ako spínací prvok.

Avšak návrhári integrovaných obvodov väčšinou uprednostňujú použitie MOSFETu, pretože je ľahšie dostupný, čo viac ako kompenzuje prítomnosť nedostatkov a vysokej zložitosti obvodu, ktorý je prítomný v MOSFET zariadeniach.

Na ilustráciu si uvedieme príklad: v alkalickej batérii je prítomné menovité napätie 1,5 V.

Výstup v tomto je možné zdvojnásobiť na 3,0 V pomocou zdvojovača napätia spolu s ideálnymi spínacími prvkami, ktoré majú pokles napätia na nulu.

Pokles napätia odtokového zdroja MOSFET s diódovým pripojením, keď je v zapnutom stave, musí byť na minimálnej hodnote rovnajúcej sa prahovému napätiu hradla, ktoré je zvyčajne v hodnote 0,9 V.

Výstupné napätie môže zdvojovač napätia úspešne zvýšiť iba o približne 0,6 V až 2,1 V.

Zvýšenie napätia obvodom nemožno dosiahnuť bez použitia viacerých stupňov v prípade, že sa zohľadní a zohľadní aj pokles cez konečný vyhladzovací tranzistor.

Na druhej strane, fázové napätie typickej Schottkyho diódy je 0,3 V. Výstupné napätie produkované zdvojovačom napätia bude v rozmedzí 2,7 V, ak sa používa Schottkyho dióda, alebo 2,4 V, ak sa používa vyhladzovacia dióda.

Spínané kondenzátory so vzájomným prepojením

O zosieťovaných spínaných kondenzátorových obvodoch je známe, že vstupné napätie je veľmi nízke. V zariadeniach poháňaných bezdrôtovými batériami, ako sú pagery a zariadenia Bluetooth, môže byť potrebná jednobunková batéria, aby bolo možné nepretržite dodávať energiu, keď sa batéria vybíja pod napätím.

Spínané kondenzátory so vzájomným prepojením

Obrázok 9. Zdvojovač napätia krížovo prepojeného kondenzátora

Tranzistor Q2 je vypnutý pre prípad, že sú hodiny nízke. Súčasne je tranzistor Q1 zapnutý, ak sú hodiny vysoké, čo má za následok nabitie kondenzátora C1 na napätie Vn. horná doska C1 je posunutá na dvojnásobok Vin v prípade, že Ø1 stúpne.

Aby sa toto napätie mohlo javiť ako výstup, prepne sa spínač S1 súčasne. Zároveň sa C2 môže nabíjať zapnutím Q2.

Roly komponentov sa v nasledujúcej polovici cyklu obrátia: Ø1 bude nízka, S1 sa otvorí, Ø2 bude vysoká a S2 sa zatvorí.

Alternatívne teda z každej strany obvodu je výstupné napätie napájané 2 Vin. strata v tomto obvode je nízka, pretože je nedostatok diódových MOSFETov a sú s nimi spojené problémy s prahovým napätím.

Jednou z ďalších výhod obvodu je to, že zdvojnásobuje vlnovú frekvenciu, pretože sú prítomné dva zdvojovače napätia, ktoré efektívne napájajú výstup z fázových hodín.

Základnou nevýhodou tohto obvodu je, že sa zistilo, že bludné kapacity Dickinsonovho multiplikátora sú oveľa menej významné ako tento obvod, a teda zodpovedajú za väčšinu strát, ktoré v tomto obvode vznikajú.

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




Predchádzajúce: 10/12 W LED žiarovka s 12 V adaptérom Ďalej: Použitie hliníkového pásikového chladiča pre Hi-wattové LED namiesto PCB