Vysvětlení obvodů multiplikátoru napětí

Zařízení s elektronickými obvody, které se používá ke zvyšování napětí na dvojnásobný řád nabíjením kondenzátorů z nižšího vstupního napětí, je známé jako zdvojovač napětí.

Nabíjecí proud je přepínán takovým způsobem, že v každé ideální situaci je napětí produkované na výstupu přesně dvojnásobné než napětí na vstupu.

Nejjednodušší multiplikátor napětí pomocí diod

Nejjednodušší forma obvod zdvojovače napětí jsou typem usměrňovače, který přijímá vstup ve formě střídavého proudu (AC) a produkuje dvojitou velikost (DC) napětí jako výstup.

Jako spínací prvky se používají jednoduché diody a pro pohon těchto diod ve spínacím stavu se používá vstup ve formě pouhého střídavého napětí.

Pro řízení spínací rychlosti je zapotřebí další budicí obvod, pokud jsou používané zdvojovače napětí typu DC na DC, protože je nelze přepínat výše uvedeným způsobem.

Obvody měniče napětí DC na DC většinou vyžadují další přídavné zařízení zvané spínací prvek, které lze snadno a přímo ovládat, například v tranzistoru.

Když tedy používá spínací prvek, nemusí záviset na napětí přítomném na spínači, jako je tomu v jednoduché formě střídavého proudu na stejnosměrný proud.

Zdvojovač napětí je typem obvodu násobiče napětí. Většinu obvodů zdvojovače napětí lze s několika výjimkami zobrazit v podobě multiplikátoru vyššího řádu v jednom stupni. Rovněž většího násobení napětí je dosaženo, když existují kaskádové identické stupně, které se používají společně.

Villard Circuit

Villardův obvod má jednoduché složení skládající se z diody a kondenzátoru. Na jedné straně, kde obvod Villard poskytuje výhodu z hlediska jednoduchosti, na druhé straně je také známo, že produkuje výstup, který má zvlněné vlastnosti, které jsou považovány za velmi špatné.

Obrázek 1. Obvod Villard

Obvod Villard je v podstatě formou diodového klešťového obvodu. Negativní vysoké cykly se používají k nabití kondenzátoru na špičkové střídavé napětí (Vpk). Tvar vlny AC jako vstup spolu s konstantní stejnosměrnou superpozicí kondenzátoru tvoří výstup.

Hodnota stejnosměrného průběhu se posune vlivem obvodu na něj. Jelikož dioda upíná záporné špičky křivky střídavého proudu na hodnotu 0V (ve skutečnosti je to –VF, což je malé dopředné zkreslení diody), kladné špičky křivky výstupního signálu mají hodnotu 2Vpk.

Špička-špička je obtížné vyhladit, protože má enormní velikost hodnoty 2Vpk, a proto ji lze vyhladit pouze tehdy, když je obvod účinně transformován do jakékoli jiné sofistikovanější formy.

Záporné vysoké napětí se přivádí do magnetronu pomocí tohoto obvodu (který se skládá z diody v obrácené formě) v mikrovlnné troubě.

Greinacherův obvod

Zdvojovač napětí Greinarcher se ukázal jako lepší než obvod Villard, protože se podstatně vylepšil přidáním některých dalších komponent za nízkou cenu.

Za podmínek zatížení naprázdno se zjistilo, že zvlnění je velmi sníženo, většinou do nulového stavu, ale důležitou roli hraje odpor zátěže a hodnota použitého kondenzátoru, které ovlivňují odebíraný proud.

Obrázek 2. Greinacherův obvod

Po Villardově buněčné fázi následuje obvod, aby bylo možné pracovat s využitím stupně detektoru obálky nebo špičkového detektoru.

Účinek špičkového detektoru je takový, že velká část zvlnění je odstraněna, zatímco výstup špičkového napětí je jako takový zachován.

Heinrich Greinacher byl prvním člověkem, který vynalezl tento obvod v roce 1913 (který byl publikován v roce 1914), aby poskytl napětí 200-300 V, které potřeboval pro svůj ionometr, což byl opět nový vynález.

Požadavek vynaložit tento obvod na získání tak velkého napětí vznikl, protože energie dodávaná curyšskými elektrárnami byla pouze 110 V AC, a proto byla nedostatečná.

Heinrich tuto myšlenku rozvinul více v roce 1920 a rozšířil ji, aby vytvořil kaskádu multiplikátorů. Lidé většinou označují tuto kaskádu multiplikátorů, kterou vynalezl Heinrich Greinacher, jako Villardovu kaskádu, která je nepřesná a není pravdivá.

Tato kaskáda multiplikátorů je také známá jako Cockroft-Walton po vědcích Johnu Cockroftovi a Ernestovi Waltonovi, kteří postavili stroj urychlovače částic a znovuobjevili tento okruh nezávisle v roce 1932.

Použití dvou článků Greinacher, které mají opačnou polaritu, ale jsou poháněny ze stejného zdroje střídavého proudu, může rozšířit koncept tohoto druhu topologie na napěťový čtyřnásobný obvod.

Dva jednotlivé výstupy se používají, aby se snížil výstup napříč nimi. Uzemnění vstupu a výstupu současně v tomto obvodu je zcela nemožné, jako je tomu v případě můstkového obvodu.

Bridge Circuit

Druh topologie používaný obvodem Delon za účelem zdvojnásobení napětí je známý jako mostová topologie.

Bylo zjištěno, že jedním z běžných použití tohoto typu delonského obvodu je televizní přijímač s katodovou trubicí. Obvod delon v těchto televizních přijímačích byl použit za účelem poskytnutí e.h.t. napájecí napětí.

Obrázek 3. Napěťový čtyřnásobek - dva Greinacherovy buňky s opačnou polaritou

Existuje mnoho bezpečnostních rizik a problémů spojených s generováním napětí nad 5 kV a s tím, že je vysoce neekonomické v transformátoru, většinou v zařízeních, která jsou domácími zařízeními.

Ale e.h.t. 10 kV je základním požadavkem na černobílé televizní přijímače, zatímco barevné televizní přijímače vyžadují ještě více e.h.t.

Existují různé způsoby a prostředky, kterými e.h.t. dosáhne se takových rozměrů, jako je: zdvojnásobení napětí na síťovém transformátoru uvnitř vinutí e.h.t. pomocí zdvojovačů napětí nebo aplikací zdvojovačů napětí na tvar vlny na zpětných cívkách vedení.

Dva špičkové detektory sestávající z půlvlny v obvodu jsou funkčně podobné špičkovým detektorovým buňkám nalezeným v Greinacherově obvodu.

Půlcykly, které jsou navzájem protichůdné k přicházejícímu tvaru vlny, se používají pro ovládání každou ze dvou špičkových detekčních buněk. Zjistí se, že výstup je vždy dvojnásobkem špičkového vstupního napětí, protože jimi produkované výstupy jsou zapojeny do série.

Obrázek 4. Zdvojovač napětí mostu (Delon)

Přepínané obvody kondenzátorů

Napětí zdroje stejnosměrného proudu lze zdvojnásobit pomocí obvodů diodových kondenzátorů, které jsou dostatečně jednoduché a byly popsány ve výše uvedené části předcházejícím zdvojovači napětí pomocí střídavého obvodu.

To je tedy efektivní při převodu stejnosměrného proudu na střídavý proud, než projde zdvojovačem napětí. Za účelem dosažení a vybudování efektivnějších obvodů jsou spínací zařízení poháněna z externích hodin, které jsou schopné fungovat jak z hlediska sekání, tak násobení a lze je dosáhnout současně.

Obrázek 5.

Zdvojovač napětí spínaného kondenzátoru dosažený jednoduchým přepínáním nabitých kondenzátorů z paralelního na sériové Tyto typy obvodů jsou známé jako spínané kondenzátorové obvody.

Aplikace, které jsou napájeny nízkým napětím, jsou aplikace, které zejména používají tento přístup, protože integrované obvody mají požadavek na dodávku specifického množství napětí, které je více než to, co může baterie skutečně dodávat nebo vyrábět.

Ve většině případů je na desce integrovaného obvodu vždy k dispozici hodinový signál, a proto není nutné mít žádné další přídavné obvody nebo je k jeho generování zapotřebí jen málo obvodů.

Schéma na obrázku 5 tedy schematicky zobrazuje nejjednodušší formu konfigurace spínaného kondenzátoru. V tomto diagramu jsou dva kondenzátory, které byly paralelně nabity na stejné napětí.

Po tomto se kondenzátory po vypnutí napájení zapojí do série. Vyrobené výstupní napětí je tedy dvojnásobkem napájecího nebo vstupního napětí v případě, že je výstup odvozen ze dvou kondenzátorů v sérii.

V těchto obvodech lze použít různé druhy spínacích zařízení, ale u integrovaných obvodů jsou nejčastěji používanými spínacími zařízeními MOSFET.

Obrázek 6. Schéma zdvojovače napětí nabíjecího čerpadla

Schéma na obrázku 6 zobrazuje schematicky jeden z dalších základních konceptů „nabíjecího čerpadla“. Vstupní napětí se používá k prvnímu nabití Cp, kondenzátoru nabíjecího čerpadla.

Poté je výstupní kondenzátor C0 nabíjen přepínáním do série se vstupním napětím, což má za následek nabíjení C0 dvojnásobku vstupního napětí. Aby bylo možné úspěšně plně nabít C0, může být nutné, aby nabíjecí čerpadlo trvalo mnoho cyklů.

Ale jakmile je dosažen ustálený stav, jedinou zásadní věcí pro kondenzátor nabíjecího čerpadla, Cp, je přečerpávání náboje v malém množství, což odpovídá nabíjení dodávanému z výstupního kondenzátoru C0 do zátěže.

Zvlnění se vytvoří na výstupním napětí, když se C0 částečně odpojí od zátěže, když je odpojen od nabíjecího čerpadla. Toto zvlnění vytvořené v tomto procesu má charakteristiku kratší doby vybíjení a snadno se filtruje, a proto je díky těmto vlastnostem zmenšuje pro frekvence pro vyšší frekvence hodin.

Tedy pro dané konkrétní zvlnění lze kondenzátory zmenšit. Maximální velikost hodinové frekvence pro všechny praktické účely v integrovaných obvodech typicky spadá do rozsahu stovek kHz.

Dicksonovo nabíjecí čerpadlo

Nabíjecí čerpadlo Dickson, také známé jako Dicksonův multiplikátor, se skládá z kaskády článků diod / kondenzátorů, kde řada hodinových impulzů pohání spodní desku každého z kondenzátorů.

Obvod je považován za modifikaci multiplikátoru Cockcroft-Walton, ale s jedinou výjimkou spínacího signálu poskytovaného stejnosměrným vstupem s hodinovými vlaky místo střídavého vstupu, jako je tomu u multiplikátoru Cockcroft-Walton.

Základním požadavkem Dicksonova multiplikátoru je, aby hodinové impulsy fází proti sobě navzájem poháněly alternativní buňky. Ale v případě zdvojovače napětí, zobrazeného na obrázku 7, je vyžadován pouze jediný hodinový signál, protože existuje pouze jeden stupeň násobení.

Obrázek 7. Zdvojovač napětí Dicksonova nabíjecího čerpadla

Obvody, kde se většinou a často používají multiplikátory Dickson, jsou integrované obvody, kde je napájecí napětí, například z libovolné baterie, menší než to, co požadují obvody.

Skutečnost, že všechny polovodiče použité v tomto případě jsou v zásadě podobné, působí jako výhoda pro výrobce integrovaných obvodů.

Standardní logický blok, který se nejčastěji vyskytuje a používá v mnoha integrovaných obvodech, je zařízení MOSFET.

To je jeden z důvodů, proč jsou diody mnohokrát nahrazeny tranzistorem tohoto typu, ale jsou také zapojeny do funkce ve formě diody.

Toto uspořádání je také známé jako diodový drátový MOSFET. Schéma na obrázku 8 zobrazuje Dicksonův zdvojovač napětí využívající tento druh MOSFET zařízení s diodovým připojením typu n-channel enhancement.

Obrázek 8. Dicksonův zdvojovač napětí pomocí diodových drátových MOSFETů

Základní forma nabíjecího čerpadla Dickson prošla mnoha vylepšeními a variacemi. Většina z těchto vylepšení je v oblasti snižování účinku produkovaného zdrojovým napětím tranzistoru. Toto zlepšení je považováno za významné v případě, že je vstupní napětí malé, stejně jako v případě nízkonapěťové baterie.

Při použití ideálních spínacích prvků je výstupní napětí vždy integrálním násobkem vstupního napětí (dvakrát v případě zdvojovače napětí).

Ale v případě, že je jako vstupní zdroj společně s přepínači MOSFET použita jednočlánková baterie, je výstup v takových případech mnohem menší než tato hodnota, protože na tranzistorech dojde k poklesu napětí.

Vzhledem k extrémně malému poklesu napětí v zapnutém stavu obvodu, který používá diskrétní součásti, je Schottkyho dioda považována za dobrou volbu jako spínací prvek.

Návrháři integrovaných obvodů však většinou dávají přednost použití MOSFET, protože je snadněji dostupný, což více než kompenzuje přítomnost nedostatků a vysoké složitosti obvodu, který je v zařízeních MOSFET.

Pro ilustraci si vezměme příklad: v alkalické baterii je přítomno jmenovité napětí 1,5 V.

Výstup v tomto lze zdvojnásobit na 3,0 V pomocí zdvojovače napětí spolu s ideálními spínacími prvky, které mají pokles napětí nulový.

Pokles napětí diodového MOSFETu odtokového zdroje, když je ve stavu zapnuto, však musí být na minimu rovném prahovému napětí brány, které je obvykle v hodnotě 0,9V.

Výstupní napětí lze zdvojovačem napětí úspěšně zvýšit pouze o přibližně 0,6 V až 2,1 V.

Zvýšení napětí obvodem nelze dosáhnout bez použití více stupňů v případě, že je uvažován a zohledněn také pokles přes konečný vyhlazovací tranzistor.

Na druhou stranu je napětí na jevišti typické Schottkyho diody 0,3 V. výstupní napětí produkované zdvojovačem napětí bude v rozsahu 2,7 V, pokud používá Schottkyho dioda, nebo 2,4 V, pokud používá vyhlazovací diodu.

Křížově vázané spínané kondenzátory

O spínaných kondenzátorových obvodech s křížovým propojením je známo, že vstupní napětí je velmi nízké. V zařízeních, která jsou poháněna bezdrátovou baterií, jako jsou pagery a zařízení Bluetooth, může být vyžadována jednobunková baterie, aby bylo možné nepřetržitě dodávat energii, když se vybije pod volt.

Obrázek 9. Zdvojovač napětí spínaného kondenzátoru s křížovým propojením

Tranzistor Q2 je vypnut pro případ, že jsou hodiny nízké. Současně se tranzistor Q1 zapne, pokud jsou hodiny vysoké, což má za následek nabíjení kondenzátoru C1 na napětí Vn. horní deska C1 se posune až na dvojnásobek Vin v případě, že Ø1 půjde vysoko.

Aby se toto napětí mohlo zobrazit jako výstup, spínač S1 se sepne současně. Současně se C2 může nabíjet zapnutím Q2.

Role komponent se v příští polovině cyklu změní: Ø1 bude nízký, S1 se otevře, Ø2 bude vysoký a S2 se zavře.

Alternativně tedy z každé strany obvodu je výstupní napětí napájeno 2Vin. ztráta vzniklá v tomto obvodu je nízká, protože chybí diody MOSFET a problémy s prahovým napětím.

Jednou z dalších výhod obvodu je to, že zdvojnásobuje frekvenci zvlnění, protože jsou přítomny dva zdvojovače napětí, které účinně dodávají výstup z fázových hodin.

Základní nevýhodou tohoto obvodu je to, že se zjistilo, že zbloudilé kapacity Dickinsonova multiplikátoru jsou mnohem méně významné než tento obvod, a představují tak většinu ztrát, které v tomto obvodu vznikají.

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