Spændingsmultiplikator kredsløb forklaret

Det elektroniske kredsløbsapparat, der bruges til at forstærke spændingen til en 2x rækkefølge ved at oplade kondensatorer fra en lavere indgangsspænding kaldes spændingsdobler.

Ladestrømmen skiftes på en sådan måde, at spændingen, der produceres ved udgangen, i enhver ideel situation er nøjagtigt to gange så høj som spændingen ved indgangen.

Den enkleste spændingsmultiplikator ved hjælp af dioder

Den enkleste form for spændingsdobler kredsløb er en type ensretter, der tager input i form af vekselstrøm (AC) og producerer en dobbelt størrelsesorden (DC) spænding som output.

Enkle dioder bruges som omskiftningselementer, og der bruges en indgang i form af en vekselstrøm til at drive disse dioder i en skiftetilstand.

Et yderligere drivkredsløb er påkrævet for at styre omskiftningshastigheden, hvis spændingsdublere, der anvendes, er af DC til DC-type, da de ikke kan kobles på ovenstående måde.

DC til DC spændingsomformerkredsløb kræver ofte en anden ekstra enhed kaldet skifteelement, som let og direkte kan styres, f.eks. I en transistor.

Således, når det bruger skifteelement, behøver det ikke at afhænge af den spænding, der findes over kontakten, som det er tilfældet i en simpel form for vekselstrøm til jævnstrøm.

Spændingsdobler er en type spændingsmultiplikator kredsløb. De fleste af spændingsdoblerens kredsløb med få undtagelser kan ses i form af en multiplikator med højere ordre på et enkelt trin. Der opnås også en større mængde spændingsmultiplikation, når der er kaskader af identiske trin, der bruges sammen.

Villard Circuit

Villard-kredsløbet har en simpel sammensætning bestående af en diode og en kondensator. På den ene side, hvor Villard-kredsløbet giver fordel med hensyn til enkelhed, er det på den anden side også kendt at producere output, der har krusningsegenskaber, der betragtes som meget dårlige.

Figur 1. Villakreds

I det væsentlige er Villard-kredsløbet en form for diode-klemkredsløb. De negative høje cyklusser bruges til at oplade kondensatoren til vekselstrømsspændingen (Vpk). AC-bølgeformen som input sammen med kondensatorens faste DC's superposition danner output.

Bølgeformens DC-værdi forskydes ved hjælp af kredsløbets effekt på den. Da dioden klemmer AC-bølgeformens negative toppe til værdien 0V (rent faktisk er det –VF, hvilket er den lille fremadspænding af dioden), er outputbølgeformens positive toppe af værdien 2Vpk.

Peak-to-peak er vanskelig at udjævne, da den har en enorm størrelse af værdien på 2Vpk, og den kan således kun udjævnes, når kredsløbet transformeres til andre mere sofistikerede former på en effektiv måde.

Den negative højspænding tilføres magnetronen ved hjælp af dette kredsløb (som består af diode i omvendt form) i en mikrobølgeovn.

Greinacher kredsløb

Greinarcher-spændingsdubleren har vist sig at være bedre end Villard-kredsløbet ved at forbedre sig selv markant ved at tilføje nogle ekstra komponenter til en mindre pris.

Under betingelse af belastning med åbent kredsløb viser det sig, at krusningen reduceres meget, oftest til en tilstand på nul, men belastningens modstand og værdien af ​​den kondensator, der bruges, spiller en vigtig rolle og påvirker strøm trækkes.

Figur 2. Greinacher-kredsløb

Villard-cellefasen efterfølges af kredsløbet for at arbejde ved hjælp af et konvolutdetektortrin eller en spidsdetektor.

Effekten af ​​topdetektoren er sådan, at meget af krusningen fjernes, mens output fra topspændingen bevares som sådan.

Heinrich Greinacher var den første person, der opfandt dette kredsløb i 1913 (som blev offentliggjort i 1914) for at give den spænding på 200-300V, som han havde brug for til sit ionometer, som igen var en ny opfindelse af ham.

Kravet om at opfinde dette kredsløb for at få så meget spænding opstod, fordi den strøm, der blev leveret af Zürichs kraftværker, kun var på 110V AC og dermed var utilstrækkelig.

Heinrich udviklede denne idé mere i 1920 og udvidede den til at skabe en kaskade af multiplikatorer. De fleste gange henviser folk denne kaskade af multiplikatorer opfundet af Heinrich Greinacher som en Villard-kaskade, som er unøjagtig og ikke sand.

Denne kaskade af multiplikatorer er også kendt som Cockroft-Walton efter forskerne John Cockroft og Ernest Walton, der havde bygget partikelacceleratoren og havde genopdaget kredsløbet uafhængigt i 1932.

Anvendelsen af ​​to Greinacher-celler, der har polariteter modsat hinanden, men som drives fra den samme vekselstrømskilde, kan udvide begrebet denne form for topologi til et spændingsfyrdoblingskredsløb.

De to individuelle udgange bruges til at nedbringe output på tværs af dem. Jordforbindelse af input og output samtidigt i dette kredsløb er ret umuligt, som det er tilfældet med et brokredsløb.

Bridge Circuit

Den slags topologi, der bruges af et Delon-kredsløb for at få spændingsdobling, er kendt som brotopologi.

En af de almindelige anvendelser af denne type delon-kredsløb viste sig at være i fjernsynsapparaterne med katodestrålerør. Delon-kredsløbet i disse tv-apparater blev brugt til at give e.h.t. spændingsforsyning.

Figur 3. Spænding firdobler - to Greinacher-celler med modsatte polariteter

Der er mange sikkerhedsrisici og problemer forbundet med generering af spændinger på mere end 5kV sammen med at være meget uøkonomisk i en transformer, hovedsagelig i udstyr, der er husholdningsudstyr.

Men en e.h.t. på 10kV er et grundlæggende krav til fjernsynsapparaterne, som er sort og hvide, mens farvefjernsynsapparaterne kræver endnu mere e.h.t.

Der er forskellige måder og metoder, hvorpå e.h.t. af sådanne dimensioner opnås såsom: fordobling af spændingen på strømtransformatoren inden for en e.h.t vikling på den ved hjælp af spændingsdublere eller ved at anvende spændingsdoblerne til bølgeformen på linjens tilbagespoling.

De to spidsdetektorer, der består af halvbølge i et kredsløb, ligner funktionelt de spidsdetektorceller, der findes i Greinacher-kredsløbet.

Halvcyklusser, der er modsatte af hinanden for den indkommende bølgeform, anvendes til drift af hver af de to topdetektorceller. Outputtet viser sig altid at være dobbelt så stort som den maksimale indgangsspænding, da de output, der produceres af dem, er i serie.

Figur 4. Bridge (Delon) spændingsdobler

Skiftede kondensatorkredsløb

Spændingen på en jævnstrømskilde kan fordobles ved hjælp af diode-kondensatorkredsløbene, som er enkle nok og er beskrevet i ovenstående afsnit ved at gå forud for spændingsdobler med brug af et chopper kredsløb.

Dette er således effektivt til at konvertere jævnstrømmen til vekselstrøm, før den går gennem spændingsdobleren. For at opnå og indbyggede kredsløb, der er mere effektive, drives omskifterenhederne fra et eksternt ur, der er dygtigt til at fungere både med hensyn til hakning og multiplikation og kan opnås samtidigt.

Figur 5.

Dobbeltkoblet kondensator spændingsdobler opnås ved blot at skifte opladede kondensatorer fra parallel til serie Disse typer kredsløb er kendt som koblede kondensatorkredsløb.

De applikationer, der drives af lav spænding, er de applikationer, der især bruger denne fremgangsmåde, da integrerede kredsløb har et krav om en forsyning med specifik spændingsmængde, der er mere end hvad batteriet faktisk kan levere eller producere.

I de fleste tilfælde er der altid tilgængelighed af et urssignal om bord på det integrerede kredsløb, og dette gør det derfor unødvendigt at have andre supplerende kredsløb, eller kun få kredsløb er nødvendige for at generere det.

Således viser diagrammet i figur 5 skematisk den enkleste form for skiftet kondensatorkonfiguration. I dette diagram er der to kondensatorer, der er opladet til den samme spænding samtidigt i en parallel.

Efter at denne kondensator er skiftet til serie efter at strømmen er slukket. Således er den producerede udgangsspænding dobbelt så stor som forsynings- eller indgangsspændingen, hvis udgangen stammer fra de to kondensatorer i serie.

Der er forskellige forskellige former for skifteindretninger, som kan bruges i sådanne kredsløb, men MOSFET-enheder er de mest anvendte skifteindretninger i tilfælde af integrerede kredsløb.

Figur 6. Ladningspumpes skema med dobbelt spænding

Diagrammet i figur 6 viser skematisk et af de andre grundlæggende begreber i “ladepumpen”. Indgangsspændingen bruges til først at oplade Cp, ladepumpekondensatoren.

Herefter oplades udgangskondensatoren C0 ved at skifte i serie med indgangsspændingen, hvilket resulterer i opladning af C0 dobbelt så stor som indgangsspændingen. For at kunne oplade C0 fuldt ud, kan det kræves, at opladningspumpen tager mange cyklusser.

Men når først en stabil tilstand er erhvervet, er den eneste vigtige ting for ladepumpekondensatoren, Cp at pumpe opladning i små mængder, hvilket svarer til opladningen, der tilføres fra udgangskondensatoren, C0 til belastningen.

Der dannes en krusning på udgangsspændingen, når C0 delvist udledes i belastningen, mens den frakobles ladepumpen. Denne krusning dannet i denne proces har karakteristikken for kortere afladningstid og er let at filtrere, og disse egenskaber gør dem således mindre for frekvenser for højere urfrekvenser.

Således, for en given specifik krusning, kan kondensatorerne gøres mindre. Den maksimale mængde urfrekvens til alle praktiske formål i de integrerede kredsløb ligger typisk i området hundreder af kHz.

Dickson opladningspumpe

Dickson-ladepumpen, også kendt som Dickson-multiplikator, består af en kaskade af diode / kondensatorceller, hvor et urimpulstog driver bundpladen på hver af kondensatoren.

Kredsløbet betragtes som en modifikation af Cockcroft-Walton-multiplikatoren, men med den eneste undtagelse fra, at skiftesignalet leveres af DC-indgangen med ur-tog i stedet for en AC-input, som det er tilfældet med Cockcroft-Walton-multiplikator.

Det grundlæggende krav til en Dickson-multiplikator er, at urets impulser i faser modsat hinanden skal drive de alternative celler. Men i tilfælde af en spændingsdobler, der er afbildet i figur 7, kræves kun et enkelt ursignal, da der kun er et multiplikationstrin.

Figur 7. Dickson ladepumpe spændingsdobler

Kredsløbene, hvor Dickson-multiplikatorer for det meste og ofte bruges, er de integrerede kredsløb, hvor forsyningsspændingen, f.eks. Fra ethvert batteri, er mindre end det, der kræves af kredsløbet.

Det faktum, at alle halvledere, der anvendes i dette, stort set er ens, fungerer som en fordel for producenterne af det integrerede kredsløb.

Standardlogikblokken, der oftest findes og bruges i adskillige integrerede kredsløb, er MOSFET-enhederne.

Dette er en af ​​grundene til, at dioderne ofte erstattes af transistoren af ​​denne type, men også er forbundet til en funktion i form af en diode.

Dette arrangement er også kendt som en diode-kablet MOSFET. Diagrammet i figur 8 viser en Dickson-spændingsdobler, der bruger denne type diode-kabelforbundne MOSFET-enheder med n-kanalforbedring.

Figur 8. Dickson spændingsdobler ved hjælp af diode-kablede MOSFET'er

Den grundlæggende form for Dickson opladningspumpe har gennemgået mange forbedringer og variationer. De fleste af disse forbedringer er inden for området for reduktion af effekten produceret af transistorens afløbskildespænding. Denne forbedring betragtes som væsentlig, hvis indgangsspændingen er lille, som det er tilfældet med et lavspændingsbatteri.

Udgangsspændingen er altid et integreret multiplum af indgangsspændingen (to gange i tilfælde af en spændingsdobler), når der anvendes ideelle omskifterelementer.

Men i tilfælde hvor et enkeltcellsbatteri bruges som inputkilde sammen med MOSFET-switche, er output i sådanne tilfælde langt mindre end denne værdi, fordi der vil være et fald i spændingen på tværs af transistorer.

På grund af det ekstremt lave fald i spændingen i tændt tilstand af et kredsløb, der bruger diskrete komponenter, betragtes Schottky-dioden som et godt valg som et skifteelement.

Men designerne af integreret kredsløb foretrækker for det meste MOSFET at bruge, da det er lettere tilgængeligt, hvilket mere end kompenserer for tilstedeværelsen af ​​utilstrækkelighed og høj kompleksitet i kredsløbet, der er til stede i MOSFET-enheder.

For at illustrere dette, lad os tage et eksempel: en nominel spænding på melodien 1,5V er til stede i et alkalisk batteri.

Outputtet i dette kan fordobles til 3,0 V ved hjælp af en spændingsdobler sammen med ideelle koblingselementer, der har et spændingsfald på nul.

Men den diode-kablede MOSFETs spændingsfald af afløbskilde, når den er i tilstanden tændt, skal være mindst lig med gate-tærskelspændingen, som typisk er i melodien 0,9V.

Udgangsspændingen kan kun hæves af spændingsdobler med ca. 0,6V til 2,1V.

Forøgelsen af ​​spændingen ved kredsløbet kan ikke opnås uden brug af flere trin, hvis faldet over den endelige udjævningstransistor også overvejes og tages i betragtning.

På den anden side er spændingen på scenen for en typisk Schottky-diode på 0,3 V. udgangsspændingen, der produceres af en spændingsdobler, vil være i området 2,7V, hvis den bruger Schottky-diode, eller 2,4V, hvis den bruger udjævningsdiode.

Tværkoblede kondensatorer

De tværkoblede kondensatorkredsløb er kendt for, at indgangsspændingen er meget lav. Et udstyr med en celle kan kræves i udstyret, der drives af trådløst batteri såsom personsøgere og Bluetooth-enheder for kontinuerligt at levere strøm, når det er afladet til under en volt.

Figur 9. Tværkoblet spændingsdobler med tændt kondensator

Transistoren Q2 er slukket, hvis uret er lavt. Samtidig er transistoren Q1 tændt, hvis uret er højt, og dette resulterer i opladning af kondensatoren Cl til spændingen Vn. den øverste plade på C1 skubbes op til dobbelt Vin, hvis Ø1 går højt.

For at muliggøre, at denne spænding vises som en udgang, lukker kontakten S1 på samme tid. Samtidig får C2 tilladelse til at oplade ved at tænde Q2.

Komponenternes roller vendes i den næste halve cyklus: Ø1 vil være lav, S1 vil åbne, Ø2 vil være høj, og S2 vil lukke.

Alternativt fra hver side af kredsløbet forsynes udgangsspændingen med 2Vin. tabet i dette kredsløb er lavt, da der mangler diodebundne MOSFET'er og tærskelspændingsproblemerne forbundet med det.

En af de andre fordele ved kredsløbet er, at det fordobler rippelfrekvensen, da der er to spændingsdublere til stede, som leverer output effektivt fra faseklokkerne.

Den grundlæggende ulempe ved dette kredsløb er, at de omstrejfende kapacitanser for Dickinson-multiplikatoren viser sig at være meget mindre signifikante end dette kredsløb og således tegner sig for de fleste af de tab, der opstår i dette kredsløb.

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