Spenningsmultiplikatorkretser forklart

Den elektroniske kretsenheten som brukes til å øke spenningen til en 2x rekkefølge ved å lade kondensatorer fra en lavere inngangsspenning, er kjent som spenningsdobler.

Ladestrømmen blir slått på en slik måte at spenningen som produseres ved utgangen i enhver ideell situasjon er nøyaktig to ganger så stor som spenningen ved inngangen.

Enkleste spenningsmultiplikator ved bruk av dioder

Den enkleste formen for spenningsdobler krets er en type likeretter som tar inngangen i form av vekselstrøm (AC) og produserer en dobbel styrke på (DC) spenning som utgang.

Enkle dioder brukes som koblingselementer, og en inngang i form av vekselstrøm brukes til å drive disse dioder i en koblingstilstand.

En ekstra drivkrets er nødvendig for å kontrollere bryterhastigheten i tilfelle spenningsdublere som brukes er av DC til DC-type, siden de ikke kan byttes på ovennevnte måte.

DC- til DC-spenningsomformerkretsene krever ofte en annen ekstra enhet som kalles koblingselement som enkelt og direkte kan styres, for eksempel i en transistor.

Når det bruker koblingselement, trenger det ikke å avhenge av spenningen som er tilstede over bryteren, slik det er tilfelle i en enkel form for vekselstrøm til likestrøm.

Spenningsdobler er en type spenningsmultiplikatorkrets. De fleste av spenningsdoblingskretsene med få unntak kan sees i form av en multiplikator med høyere ordre på et enkelt trinn. Dessuten oppnås en større mengde spenningsmultiplikasjon når det er kaskade identiske trinn som brukes sammen.

Villard Circuit

Villard-kretsen har en enkel sammensetning som består av en diode og en kondensator. På den ene siden der Villard-kretsen gir fordel når det gjelder enkelhet, er det på den andre siden også kjent for å produsere utgang som har ringegenskaper som anses som svært dårlige.

Figur 1. Villkrets

I hovedsak er Villard-kretsen en form for diode-klemkrets. De negative høysyklusene brukes for å lade kondensatoren til vekselstrømsspenningen (Vpk). AC-bølgeformen som inngang sammen med kondensatorens jevne DC’s superposisjon danner utgangen.

Bølgeformens DC-verdi forskyves ved å bruke effekten av kretsen på den. Siden dioden klemmer AC-bølgeformens negative topper til verdien 0V (faktisk er det –VF, som er den lille forspente spenningen til dioden), er utgangsbølgeformens positive topper verdien av 2Vpk.

Topp-til-topp er vanskelig å glatte ut, siden den har en enorm størrelse på verdien 2Vpk, og den kan derfor bare glattes når kretsen transformeres til andre mer sofistikerte former på en effektiv måte.

Den negative høyspenningen tilføres magnetronen ved å bruke denne kretsen (som består av diode i omvendt form) i en mikrobølgeovn.

Greinacher-krets

Greinarcher spenningsdobler har vist seg å være bedre enn Villard-kretsen ved å forbedre seg selv betydelig ved å legge til noen ekstra komponenter til en liten kostnad.

Under betingelse av belastning med åpen krets, blir krusningen funnet å bli redusert veldig mye, oftest til en tilstand på null, men motstanden til lasten og verdien av kondensatoren som blir brukt spiller en viktig rolle og påvirker nåværende tegnes.

Figur 2. Greinacher-krets

Villard-celletrinnet blir fulgt av kretsen for å fungere ved å bruke et konvoluttdetektorstadium eller en toppdetektor.

Effekten av toppdetektoren er slik at mye av krusningen fjernes mens utgangen fra toppspenningen bevares som sådan.

Heinrich Greinacher var den første personen som oppfant denne kretsen i 1913 (som ble utgitt i 1914) for å gi spenningen på 200-300V som var nødvendig for ham for ionometeret hans, som igjen var en ny oppfinnelse av ham.

Kravet om å oppfinne denne kretsen for å få så mye spenning oppstod fordi kraften som ble levert av Zürich kraftstasjoner var på bare 110V AC og dermed var utilstrekkelig.

Heinrich utviklet denne ideen mer i 1920 og utvidet den til å lage en kaskade av multiplikatorer. De fleste ganger refererer folk denne kaskaden av multiplikatorer oppfunnet av Heinrich Greinacher som en Villard-kaskade som er unøyaktig og ikke sant.

Denne kaskaden av multiplikatorer er også kjent som Cockroft-Walton etter forskerne John Cockroft og Ernest Walton som hadde bygget partikkelakseleratoren og hadde gjenoppdaget kretsen uavhengig i 1932.

Bruken av to Greinacher-celler som har polariteter motsatt hverandre, men som drives fra samme vekselstrømskilde, kan utvide konseptet med denne typen topologi til en spenning firdobler krets.

De to individuelle utgangene brukes for å ta ned utgangen over dem. Jordingen av inngangen og utgangen samtidig i denne kretsen er ganske umulig, slik det er tilfelle med en brokrets.

Bridge Circuit

Den typen topologi som brukes av en Delon-krets for å få spenningsdobling, er kjent som brotopologi.

En av de vanlige bruksområdene for denne typen delonkretser ble funnet å være i TV-apparatene med katodestrålerør. Delonkretsen i disse TV-apparatene ble brukt for å gi e.h.t. spenningsforsyning.

Figur 3. Spenningsfubler - to Greinacher-celler med motsatte polariteter

Det er mange sikkerhetsfarer og problemer forbundet med generering av spenninger på mer enn 5kV sammen med å være svært uøkonomisk i en transformator, hovedsakelig i utstyret som er husholdningsutstyr.

Men en e.h.t. på 10kV er et grunnleggende krav til TV-apparatene som er svart og hvitt mens fargefjernsynsapparatene krever enda mer e.h.t.

Det er forskjellige måter og metoder e.h.t. av slike dimensjoner oppnås som: dobling av spenningen på strømtransformatoren i en e.h.t vikling på den ved å bruke spenningsdobler eller ved å påføre spenningsdoblerne til bølgeformen på linjens tilbakeslagsspoler.

De to toppdetektorene som består av halvbølge i en krets, er funksjonelt lik toppdetektorcellene som finnes i Greinacher-kretsen.

Halvsyklusene som er motsatt hverandre av den innkommende bølgeformen brukes til å operere av hver av de to toppdetektorcellene. Utgangen er alltid funnet å være dobbelt så høy som inngangsspenningen siden utgangene produsert av dem er i serie.

Figur 4. Bridge (Delon) spenningsdobler

Skiftede kondensatorkretser

Spenningen til en likestrømskilde kan dobles ved å bruke diodekondensatorkretsene som er enkle nok, og som er beskrevet i avsnittet ovenfor ved å gå foran spenningsdubleren ved bruk av en hakkekrets.

Dermed er dette effektivt ved å konvertere DC til AC før den går gjennom spenningsdobler. For å oppnå og bygge kretser som er mer effektive, blir bryterenhetene drevet fra en ekstern klokke som er dyktig i å fungere både når det gjelder hakking og multiplisering og kan oppnås samtidig.

Figur 5.

Koblet kondensator spenningsdobler oppnådd ved å bare bytte ladede kondensatorer fra parallell til serie Disse typer kretser er kjent som koblede kondensatorkretser.

Applikasjonene som drives av lavspenning er applikasjonene som spesielt bruker denne tilnærmingen siden integrerte kretser har et krav om tilførsel av spesifikk mengde spenning som er mer enn det batteriet faktisk kan levere eller produsere.

I de fleste tilfeller er det alltid en tilgjengelighet av et klokkesignal om bord på den integrerte kretsen, og dette gjør det derfor unødvendig å ha andre tilleggskretser, eller bare lite kretsløp er nødvendig for å generere det.

Dermed viser diagrammet i figur 5 skjematisk den enkleste formen for koblet kondensatorkonfigurasjon. I dette diagrammet er det to kondensatorer som er ladet til samme spenning samtidig i en parallell.

Legg ut dette kondensatorene blir omgjort til serie etter at strømmen er slått av. Dermed er den produserte utgangsspenningen dobbelt så mye som tilførsels- eller inngangsspenningen i tilfelle utgangen kommer fra de to kondensatorene i serie.

Det er forskjellige typer bryteranordninger som kan brukes i slike kretser, men MOSFET-enheter er de hyppigst brukte bryterenhetene når det gjelder integrerte kretser.

Figur 6. Skjema for doble spenningsdobler

Diagrammet i figur 6 viser skjematisk et av de andre grunnleggende begrepene i 'Ladepumpen'. Inngangsspenningen brukes til å først lade Cp, ladepumpekondensatoren.

Etter dette blir utgangskondensatoren C0 ladet ved å bytte i serie med inngangsspenningen som resulterer i lading av C0 dobbelt så mye inngangsspenning. For å kunne lade C0 fullstendig, kan det hende at det kreves at ladepumpen tar mange sykluser.

Men når en jevn tilstand er anskaffet, er det eneste essensielle for ladepumpekondensatoren, Cp å pumpe ladning i små mengder, noe som tilsvarer ladningen som tilføres fra utgangskondensatoren, C0 til belastningen.

Det dannes en krusning på utgangsspenningen når C0 blir delvis utladet i lasten mens den kobles fra ladepumpen. Denne krusningen dannet i denne prosessen har karakteristikken for kortere utladningstid og er lett å filtrere, og dermed gjør disse egenskapene dem mindre for frekvenser for høyere klokkefrekvenser.

Dermed kan kondensatorene gjøres mindre for en gitt spesifikk krusning. Den maksimale mengden klokkefrekvens for alle praktiske formål i de integrerte kretsene faller vanligvis i området hundrevis av kHz.

Dickson ladepumpe

Dickson-ladepumpen, også kjent som Dickson-multiplikator, består av en kaskade av diode / kondensatorceller der et klokkepulstog driver bunnplaten til hver av kondensatorene.

Kretsen anses å være en modifikasjon av Cockcroft-Walton-multiplikatoren, men med det eneste unntaket at koblingssignalet leveres av DC-inngangen med klokke-tog i stedet for en AC-inngang, slik tilfellet er med Cockcroft-Walton-multiplikator.

Det grunnleggende kravet til en Dickson-multiplikator er at klokkepulsene til fasene motsatt hverandre skal drive de alternative cellene. Men når det gjelder en spenningsdobler, avbildet i figur 7, er det bare et enkelt klokkesignal som kreves siden det bare er ett trinn av multiplikasjon.

Figur 7. Dickson ladepumpe spenningsdobler

Kretsene der Dickson-multiplikatorer hovedsakelig og ofte brukes, er de integrerte kretsene der forsyningsspenningen, for eksempel fra et hvilket som helst batteri, er mindre enn det som kreves av kretsene.

Det faktum at alle halvledere som brukes i dette er i utgangspunktet like fungerer som en fordel for produsentene av den integrerte kretsen.

Standardlogikkblokken som oftest finnes og brukes i mange integrerte kretser er MOSFET-enhetene.

Dette er en av grunnene til at diodene ofte erstattes av transistoren av denne typen, men også er koblet til en funksjon i form av en diode.

Denne ordningen er også kjent som en diodekoblet MOSFET. Diagrammet i figur 8 viser en Dickson-spenningsdobler som bruker denne typen diodekablede MOSFET-enheter med n-kanalforbedring.

Figur 8. Dickson spenningsdobler ved bruk av diode-kablede MOSFETer

Den grunnleggende formen for Dickson ladepumpe har gjennomgått mange forbedringer og variasjoner. De fleste av disse forbedringene er i området for reduksjon av effekten som produseres av transistoravløpsspenningen. Denne forbedringen anses å være betydelig i tilfelle inngangsspenningen er liten som i tilfelle et lavspent batteri.

Utgangsspenningen er alltid et integrert multiplum av inngangsspenningen (to ganger i tilfelle en spenningsdobler) når ideelle koblingselementer brukes.

Men i tilfelle hvor et enkeltcellsbatteri brukes som inngangskilde sammen med MOSFET-brytere, er utgangen i slike tilfeller langt mindre enn denne verdien fordi det vil falle i spenningen over transistorene.

På grunn av det ekstremt lave fallet i spenningen i en krets som bruker diskrete komponenter, anses Schottky-dioden som et godt valg som et koblingselement.

Men designerne av integrert krets foretrekker for det meste MOSFET å bruke, da det er lettere tilgjengelig, noe som mer enn kompenserer for tilstedeværelsen av mangler og høy kompleksitet i kretsen som er tilstede i MOSFET-enheter.

For å illustrere dette, la oss ta et eksempel: en nominell spenning på melodien 1,5V er til stede i et alkalisk batteri.

Utgangen i dette kan dobles til 3.0V ved å bruke en spenningsdobler sammen med ideelle koblingselementer som har et spenningsfall på null.

Men den diode-kablede MOSFETs spenningsfall av avløpskilde når den er i tilstanden til, må være minst lik gate-terskelspenningen som vanligvis er i melodien 0,9V.

Utgangsspenningen kan kun heves av spenningsdobler med ca. 0,6V til 2,1V.

Økningen i spenningen ved kretsen kan ikke oppnås uten å bruke flere trinn i tilfelle fallet over den endelige utjevningstransistoren også blir vurdert og tatt i betraktning.

På den annen side er utgangsspenningen til en typisk Schottky-diode på 0,3 V. Utgangsspenningen produsert av en spenningsdobler vil være i området 2,7 V hvis den bruker Schottky-diode, eller 2,4 V hvis den bruker utjevningsdiode.

Tverrkoblede kondensatorer

De krysskoblede kondensatorkretsene er kjent for at inngangsspenningen er veldig lav. Et enkeltcellet batteri kan kreves i utstyret som drives av trådløst batteri som personsøkere og Bluetooth-enheter for å kunne levere strøm kontinuerlig når det er utladet til under volt.

Figur 9. Tverrkoblet spenningsdobler med koblet kondensator

Transistoren Q2 er slått av i tilfelle klokken er lav. Samtidig slås transistoren Q1 på hvis klokken er høy, og dette resulterer i lading av kondensatoren Cl til spenningen Vn. topplaten på C1 skyves opp til dobbelt Vin i tilfelle Ø1 går høyt.

For å muliggjøre at denne spenningen vises som en utgang, lukkes bryteren S1 samtidig. Samtidig får C2 lade seg ved å slå på Q2.

Komponentenes roller blir omvendt i neste halvsyklus: Ø1 vil være lav, S1 vil åpne, Ø2 vil være høy, og S2 vil lukkes.

Alternativt fra hver side av kretsen forsynes utgangsspenningen med 2Vin. tapet påløpt i denne kretsen er lavt siden det mangler diodekoblede MOSFET-er og terskelspenningsproblemene forbundet med den.

En av de andre fordelene med kretsen er at den dobler rippelfrekvensen siden det er to spenningsdublere til stede som forsyner utgangen effektivt fra faseklokkene.

Den grunnleggende ulempen med denne kretsen er at de omstrekkelige kapasitansene til Dickinson-multiplikatoren er funnet å være mye mindre signifikante enn denne kretsen og dermed står for de fleste tapene som påløper i denne kretsen.

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