Feszültség-szorzó áramkörök magyarázata

Az elektronikus áramköri eszköz, amelyet a feszültség kétszeres sorrendbe való emelésére használnak kondenzátorok alacsonyabb bemeneti feszültségről történő feltöltésével, feszültségkétszerezőnek nevezik.

A töltőáramot úgy kapcsolják, hogy bármely ideális helyzetben a kimeneten keletkező feszültség pontosan kétszerese legyen a bemeneténél mért feszültségnek.

A legegyszerűbb feszültségszorzó diódákkal

A. Legegyszerűbb formája feszültségkettős áramkör olyan típusú egyenirányító, amely a bemenetet váltakozó áramú (AC) feszültség formájában veszi fel, és kimenetként kétszeres nagyságú (DC) feszültséget eredményez.

Egyszerű diódákat használnak kapcsolóelemként, és csupán váltakozó feszültség formájában lévő bemenetet használnak ezeknek a diódáknak a kapcsolási állapotban történő meghajtására.

További kapcsolási áramkörre van szükség a kapcsolási sebesség szabályozására abban az esetben, ha a feszültségkettősöket DC-DC típusúak, mivel a fenti módon nem lehet őket kapcsolni.

Az egyenáramú egyenáramú feszültségátalakító áramkörök legtöbbször egy másik kiegészítő eszközt igényelnek, amelyet kapcsolóelemnek hívnak, amely könnyen és közvetlenül vezérelhető, például egy tranzisztorban.

Tehát, ha kapcsolóelemet használ, nem kell függnie a kapcsolón meglévő feszültségtől, ahogyan ez az AC-DC egyszerű formája.

A feszültség-duplázó a feszültség-szorzó áramkör egyik típusa. A feszültségkettős áramkörök többsége, kevés kivétellel, egy fokozatban magasabb rendű szorzó formájában tekinthető meg. Ezenkívül nagyobb mennyiségű feszültség-szorzás érhető el, ha vannak egymáshoz hasonló lépcsőzetes lépcsők.

Villard áramkör

A Villard áramkör egyszerű összetételű, amely diódából és kondenzátorból áll. Egyrészt, ahol a Villard áramkör az egyszerűség szempontjából előnyös, másrészt az is ismert, hogy olyan kimenetet produkál, amelynek hullámzási jellemzői nagyon rosszak.

1. ábra Villard áramkör

Lényegében a Villard áramkör egyfajta dióda bilincs áramkör. A negatív nagy ciklusokat arra használjuk, hogy a kondenzátort az AC csúcsfeszültségre (Vpk) töltsük fel. Az AC hullámforma, mint bemenet, valamint a kondenzátor állandó DC szuperpozíciója alkotja a kimenetet.

A hullámforma DC-értékét az áramkör rá gyakorolt ​​hatásának felhasználásával tolják el. Mivel a dióda az AC hullámforma negatív csúcsait 0V értékre szorítja (tényleges értelemben ez –VF, ami a dióda kicsi előrefeszültsége), a kimeneti hullámforma pozitív csúcsai 2Vpk értékűek.

A csúcsról csúcsra nehéz elsimítani, mivel óriási méretű a 2Vpk értéke, és így csak akkor simítható, ha az áramkört bármilyen más kifinomultabb formává alakítják át hatékony módon.

A negatív nagyfeszültséget ez az áramkör (amely fordított diódából áll) mikrohullámú sütőben táplálja a magnetront.

Greinacher áramkör

A Greinarcher feszültségduplázó jobbnak bizonyult a Villard áramkörénél, mivel jelentősen javította önmagát néhány további alkatrész hozzáadásával, kis költséggel.

Nyitott áramkör terhelése esetén a hullámzás nagyon csökkent, legtöbbször nullára, de a terhelés ellenállása és a használt kondenzátor értéke fontos szerepet játszik és befolyásolja áramot húzzák.

2. ábra: Greinacher-áramkör

A Villard-sejt stádiumát az áramkör követi annak érdekében, hogy egy burokdetektor-fokozat vagy egy csúcsdetektor segítségével működjön.

A csúcsdetektor hatása olyan, hogy a hullámzás nagy része megszűnik, miközben a csúcsfeszültség kimenete megmarad.

Heinrich Greinacher volt az első ember, aki 1913-ban feltalálta ezt az áramkört (amelyet 1914-ben tettek közzé) annak érdekében, hogy biztosítsa a 200-300 V feszültséget, amelyre szüksége volt az ionmérőjéhez, amely ismét egy új találmány volt.

Az a követelmény, hogy ezt az áramkört ki kell találni ennyi feszültség megszerzésére, azért merült fel, mert a zürichi erőművek által szolgáltatott energia csak 110 V AC volt, és ezért nem volt elegendő.

Heinrich 1920-ban tovább fejlesztette ezt az ötletet, és kibővítette a szorzók kaszkádjának elkészítésével. Legtöbbször a Heinrich Greinacher által kitalált szorzók kaszkádját Villard-kaszkádnak nevezik, amely pontatlan és nem igaz.

A szorzók ezen lépcsője Cockroft-Walton néven is ismert John Cockroft és Ernest Walton tudósok után, akik megépítették a részecskegyorsító gépet, és 1932-ben önállóan fedezték fel az áramkört.

Két Greinacher-sejt használata, amelyek polaritása ellentétes egymással, de ugyanabból a váltakozó áramú forrásból származnak, kiterjesztheti az ilyen topológia fogalmát egy feszültség-négyszeres áramkörre.

A két egyedi kimenetet arra használjuk, hogy a kimenetet levesszük rajtuk. A bemenet és a kimenet egyidejű földelése ebben az áramkörben meglehetősen lehetetlen, mint egy híd áramkör esetében.

Híd áramkör

Az a fajta topológia, amelyet a Delon áramkör használ a feszültség megkettőzéséhez, híd topológiának nevezik.

Megállapították, hogy az ilyen típusú delon áramkörök egyik gyakori alkalmazása a katódsugárcsővel ellátott televíziókészülékekben található. Ezekben a televíziókban a delon áramkört alkalmazták az e.h.t. feszültségellátás.

3. ábra. Feszültség négyszeres - két ellentétes polaritású Greinacher-sejt

Az 5 kV-nál nagyobb feszültségek előállításával számos biztonsági veszély és probléma merül fel, miközben a gazdaságos egy transzformátorban, főleg a háztartási berendezésekben.

De egy e.h.t. A 10 kV-os feszültség a fekete-fehér televíziókészülékek alapvető követelménye, míg a színes televíziókészülékek még ennél is többet igényelnek.

Különböző módon és módon lehet az e.h.t. ilyen méretek érhetők el, például: a hálózati transzformátor feszültségének megduplázása a rajta tekercselő elektromos feszültségen belül feszültség-duplázók használatával vagy a feszültség-duplázók alkalmazásával a vonal repülési tekercsek hullámalakjára.

Az áramkörben félhullámból álló két csúcsdetektor funkcionálisan hasonló a Greinacher-áramkörben található csúcsdetektor-cellákhoz.

Azokat a félciklusokat, amelyek ellentétesek a bejövő hullámformával, a két csúcsdetektor-sejt működtetésére használják. A kimenet mindig a csúcs bemeneti feszültség duplája, mivel az általuk előállított kimenetek sorba vannak sorolva.

4. ábra Híd (Delon) feszültség duplázó

Kapcsolt kondenzátor áramkörök

Az egyenáramú forrás feszültségét megduplázhatjuk a dióda-kondenzátor áramkörök használatával, amelyek elég egyszerűek, és amelyeket a fenti szakaszban leírtak, a feszültség-duplázót megelőzve egy szaggató áramkörrel.

Így ez hatékony az egyenfeszültség átalakítására váltóárammá, még mielőtt az átmenne a feszültség duplázón. A hatékonyabb áramkörök elérése és kiépítése érdekében a kapcsolóeszközöket külső óráról hajtják, amely jártas mind a szaggatás, mind a szorzás szempontjából, és egyidejűleg érhető el.

5. ábra

Kapcsolt kondenzátorfeszültség-megduplázó a feltöltött kondenzátorok párhuzamosról sorozatra történő egyszerű kapcsolásával érhető el. Az ilyen típusú áramköröket kapcsolt kondenzátoráramköröknek nevezik.

A kisfeszültségű áramforrások azok az alkalmazások, amelyek különösen ezt a megközelítést alkalmazzák, mivel az integrált áramköröknek meghatározott feszültségmennyiségre van szükségük, amely meghaladja azt, amit az akkumulátor ténylegesen képes leadni vagy előállítani.

Az esetek többségében mindig rendelkezésre áll egy órajel az integrált áramkör fedélzetén, és ez szükségtelenné teszi egyéb kiegészítő áramkörök meglétét, vagy csak kis áramkörök szükségesek a létrehozásához.

Így az 5. ábra diagramja sematikusan mutatja a kapcsolt kondenzátor konfigurációjának legegyszerűbb formáját. Ebben a diagramban két olyan kondenzátor található, amelyeket párhuzamosan egyidejűleg ugyanarra a feszültségre töltöttek.

Ezt követően a kondenzátorokat sorba kapcsolják, miután kikapcsolta a tápellátást. Így az előállított kimeneti feszültség kétszerese a táp- vagy bemeneti feszültségnek, ha a kimenet a két kondenzátorból származik sorosan.

Különböző típusú kapcsolóeszközök használhatók, amelyek ilyen áramkörökben használhatók, de integrált áramkörök esetében a MOSFET eszközök a leggyakrabban használt kapcsolóeszközök.

6. ábra: Töltőszivattyú feszültség-duplázó vázlata

A 6. ábrán látható ábra sematikusan mutatja a „Töltőszivattyú” másik alapfogalmának egyikét. A bemeneti feszültséget először a Cp, a töltőszivattyú kondenzátorának feltöltésére használják.

Ezt követően a C0 kimeneti kondenzátort úgy töltjük fel, hogy sorba kapcsoljuk a bemeneti feszültséggel, aminek eredményeként a C0 kétszerese a bemeneti feszültségnek. A C0 sikeres teljes feltöltése érdekében szükség lehet arra, hogy a töltőszivattyúnak sok ciklust kelljen végrehajtania.

De miután elérte az egyensúlyi állapotot, a töltőszivattyú-kondenzátor egyetlen lényeges eleme, a Cp az, hogy kis mennyiségben szivattyúzza a töltést, ami megegyezik azzal a töltéssel, amelyet a kimeneti kondenzátorból, C0-ból táplálnak.

Hullám keletkezik a kimeneti feszültségen, amikor a C0 részben a terhelésbe kerül, miközben leválasztják a töltőszivattyúról. Ennek a folyamatnak a kialakult hullámzása rövidebb kisütési idővel rendelkezik, és könnyen szűrhető, így ezek a jellemzők kisebbé teszik őket a magasabb órajelű frekvenciákhoz.

Így bármely adott hullámzás esetén a kondenzátorok kisebbek lehetnek. Az integrált áramkörökben az összes praktikus célú órajel-frekvencia maximális mennyisége általában a kHz százai közé esik.

Dickson töltőszivattyú

A Dickson töltőszivattyú, más néven Dickson szorzó, dióda / kondenzátor cellák kaszkádjából áll, ahol egy órajelű impulzus vonat hajtja az egyes kondenzátorok alsó lemezét.

Az áramkört a Cockcroft-Walton szorzó módosításának tekintik, de az egyetlen kivétel, hogy a váltakozó jelet az egyenáramú bemenet szolgáltatja óravonatokkal váltakozó áramú bemenet helyett, mint a Cockcroft-Walton szorzó esetén.

A Dickson-szorzó alapvető követelménye, hogy az egymással ellentétes fázisok óraimpulzusai vezessék az alternatív cellákat. De a 7. ábrán bemutatott feszültség-duplázó esetén csak egyetlen órajelre van szükség, mivel a szorzásnak csak egy szakasza van.

7. ábra: Dickson töltőszivattyú feszültség-duplázó

Azok az áramkörök, ahol a Dickson-szorzókat leggyakrabban és gyakran használják, azok az integrált áramkörök, ahol a tápfeszültség, például bármely elemből, kisebb, mint amit az áramkör megkövetel.

Az a tény, hogy az ebben használt összes félvezető alapvetően hasonló, előnyt jelent az integrált áramkör gyártói számára.

A szokásos logikai blokk, amelyet leggyakrabban számos integrált áramkörben találnak és használnak, a MOSFET eszközök.

Ez az egyik oka annak, hogy a diódákat sokszor az ilyen típusú tranzisztorok helyettesítik, de dióda formájában egy funkcióhoz is bekötik őket.

Ez az elrendezés diódavezetékes MOSFET néven is ismert. A 8. ábrán látható diagram egy Dickson feszültség-duplázót ábrázol, amely ilyen típusú diódavezetékes n-csatornás javító típusú MOSFET eszközöket használ.

8. ábra: Dickson feszültségduplázó diódavezetékes MOSFET-ek segítségével

A Dickson töltőszivattyú alapformája sok fejlesztésen és variáción ment keresztül. A legtöbb ilyen fejlesztés a tranzisztor lefolyó forrás feszültsége által okozott hatás csökkentésének területén van. Ezt a javulást akkor tekintik jelentősnek, ha a bemeneti feszültség kicsi, mint egy kisfeszültségű akkumulátor esetében.

Az ideális kapcsolóelemek használata esetén a kimeneti feszültség mindig a bemeneti feszültség integrális többszöröse (kétszer feszültségduplázó esetén).

De abban az esetben, ha egycellás akkumulátort használnak bemeneti forrásként a MOSFET kapcsolókkal együtt, a kimenet ilyen esetekben jóval kisebb, mint ez az érték, mert csökken a feszültség a tranzisztorokon.

A különálló alkatrészeket használó áramkör bekapcsolt állapotában a feszültség rendkívül alacsony esése miatt a Schottky-dióda kapcsolóelemként jó választás.

Az integrált áramkörök tervezői azonban inkább a MOSFET használatát részesítik előnyben, mivel ez könnyebben elérhető, amely több mint ellensúlyozza a MOSFET eszközökben jelen lévő áramkör hiányosságainak és nagy komplexitásának jelenlétét.

Ennek illusztrálásához vegyünk egy példát: egy alkáli elemben 1,5 V névleges feszültség van.

Ennek kimenete megduplázható 3,0 V-ra, ha feszültség-duplázót és ideális kapcsoló elemeket használunk, amelyek feszültségesése nulla.

De a diódával vezetett MOSFET lefolyó-forrás feszültségesésének bekapcsolt állapotban legalább a kapu küszöbfeszültségével meg kell egyeznie, amely tipikusan 0,9 V dallamon van.

A kimeneti feszültséget a feszültség-duplázó csak körülbelül 0,6 V-ról 2,1 V-ra emelheti sikeresen.

Az áramkör által okozott feszültségnövekedés nem érhető el több fokozat használata nélkül abban az esetben, ha a végső simító tranzisztoron eső csökkenést is figyelembe vesszük és figyelembe vesszük.

Másrészt egy tipikus Schottky-dióda színpadfeszültsége 0,3 V. A feszültség-duplázó által előállított kimeneti feszültség 2,7 V, ha Schottky-diódát használ, vagy 2,4 V, ha simító diódát használ.

Keresztkapcsolású kapcsolt kondenzátorok

A keresztkapcsolású kapcsolt kondenzátor áramkörökről ismert, hogy a bemeneti feszültség nagyon alacsony. Egycellás akkumulátorra lehet szükség azokban a berendezésekben, amelyeket vezeték nélküli akkumulátor működtet, például személyhívók és Bluetooth-eszközök, annak érdekében, hogy folyamatosan táplálják az áramot, amikor az egy feszültség alatt lemerült.

9. ábra Kereszt-kapcsolt kapcsolt kondenzátor feszültség-duplázó

A Q2 tranzisztort kikapcsolják, ha az óra alacsony. Ugyanakkor a Q1 tranzisztor bekapcsol, ha az óra magas, és ez azt eredményezi, hogy a C1 kondenzátor feltöltődik a Vn feszültségre. a C1 felső lemezét fel kell tolni a duplájára, ha az Ø1 magasra megy.

Annak érdekében, hogy ez a feszültség kimenetként jelenjen meg, az S1 kapcsoló egyszerre záródik. Ezenkívül a C2-t hagyják tölteni a Q2 bekapcsolásával.

A komponensek szerepe megfordul a következő fél ciklusban: Ø1 alacsony lesz, S1 kinyílik, Ø2 magas lesz, és S2 bezár.

Így az áramkör mindkét oldaláról a kimeneti feszültséget 2Vin-rel táplálják. az ebben az áramkörben felmerült veszteség alacsony, mivel hiányoznak a diódás vezetékes MOSFET-ek és az ezzel kapcsolatos küszöbfeszültség-problémák.

Az áramkör egyik további előnye, hogy megduplázza a hullámosság frekvenciáját, mivel két feszültség-duplázó van jelen, amelyek hatékonyan szolgáltatják a kimenetet a fázisórákból.

Ennek az áramkörnek az az alapvető hátránya, hogy a Dickinson-szorzó kóbor kapacitása sokkal kevésbé szignifikáns, mint ez az áramkör, és így az ebben az áramkörben felmerülő veszteségek legnagyobb részét kiteszi.

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