Spanningsvermenigvuldigercircuits uitgelegd

De elektronische schakeling die wordt gebruikt voor het verhogen van de spanning naar een 2x-orde door condensatoren op te laden vanaf een lagere ingangsspanning, staat bekend als spanningsverdubbelaar.

De laadstroom is zo geschakeld dat in elke ideale situatie de spanning die aan de uitgang wordt opgewekt precies twee keer zo groot is als de spanning aan de ingang.

Eenvoudigste spanningsvermenigvuldiger met behulp van diodes

De eenvoudigste vorm van de spanningsverdubbelaar circuit zijn een soort gelijkrichter die de invoer in de vorm van wisselstroom (AC) spanning neemt en een dubbele grootte van (DC) spanning als de uitvoer produceert.

Als schakelelementen worden eenvoudige diodes gebruikt en een ingang in de vorm van louter wisselspanning wordt gebruikt om deze diodes in een schakeltoestand aan te sturen.

Een extra stuurcircuit is nodig om de schakelsnelheid te regelen in het geval dat spanningsverdubbelaars van het type DC naar DC zijn, aangezien ze niet op de bovenstaande manier kunnen worden geschakeld.

De DC-naar-DC-spanningsomvormercircuits vereisen meestal een ander extra apparaat, het schakelelement genaamd, dat gemakkelijk en direct kan worden bestuurd, zoals in een transistor.

Wanneer het een schakelelement gebruikt, hoeft het dus niet afhankelijk te zijn van de spanning die over de schakelaar aanwezig is, zoals het geval is bij een eenvoudige vorm van AC naar DC.

De spanningsverdubbelaar is een type spanningsvermenigvuldigingscircuit. Op enkele uitzonderingen na kunnen de meeste schakelingen van de spanningsverdubbeling worden bekeken in de vorm van een vermenigvuldiger van hogere orde in een enkele fase. Ook wordt een grotere hoeveelheid spanningsvermenigvuldiging bereikt wanneer er trapsgewijze identieke trappen zijn die samen worden gebruikt.

Villard Circuit

Het Villard-circuit heeft een eenvoudige samenstelling bestaande uit een diode en een condensator. Enerzijds biedt de Villard-schakeling voordelen in termen van eenvoud, anderzijds is het ook bekend om output te produceren met rimpelkarakteristieken die als zeer slecht worden beschouwd.

Figuur 1: Villard-circuit

In wezen is het Villard-circuit een vorm van een diodeklemcircuit. De negatieve hoge cycli worden gebruikt om de condensator op te laden tot de AC-piekspanning (Vpk). De AC-golfvorm als de invoer vormt samen met de constante DC-superpositie van de condensator de uitvoer.

De DC-waarde van de golfvorm wordt verschoven door het effect van het circuit erop te gebruiken. Aangezien de diode de negatieve pieken van de wisselstroomgolfvorm vastklemt tot de waarde van 0V (in feite is het –VF, wat de kleine voorwaartse voorspanning van de diode is), hebben de positieve pieken van de uitgangsgolfvorm de waarde van 2Vpk.

De piek-tot-piek is moeilijk af te vlakken omdat het een enorme omvang heeft van de waarde van 2Vpk en daarom alleen kan worden afgevlakt wanneer het circuit op een effectieve manier wordt getransformeerd naar andere meer geavanceerde vormen.

De negatieve hoogspanning wordt aan de magnetron geleverd door dit circuit (dat bestaat uit een diode in omgekeerde vorm) in een magnetron te gebruiken.

Greinacher-circuit

De Greinarcher-spanningsverdubbelaar heeft bewezen beter te zijn dan het Villard-circuit door zichzelf aanzienlijk te verbeteren door enkele extra componenten toe te voegen voor een kleine prijs.

Onder de toestand van een nullastbelasting blijkt de rimpel sterk te zijn verminderd, meestal tot een toestand van nul, maar de weerstand van de belasting en de waarde van de gebruikte condensator spelen een belangrijke rol en beïnvloeden de huidige wordt getrokken.

Figuur 2. Greinacher-circuit

De Villard-celtrap wordt gevolgd door het circuit om te werken met behulp van een envelopdetectortrap of een piekdetector.

Het effect van de piekdetector is zodanig dat een groot deel van de rimpel wordt verwijderd terwijl de output van de piekspanning als zodanig behouden blijft.

Heinrich Greinacher was de eerste persoon die dit circuit uitvond in 1913 (dat werd gepubliceerd in 1914) om de spanning van 200-300V te leveren die hij nodig had voor zijn ionometer, wat opnieuw een nieuwe uitvinding van hem was.

De eis om dit circuit uit te vinden om zoveel spanning te krijgen, ontstond omdat het vermogen van de energiecentrales in Zürich slechts 110V AC was en dus onvoldoende.

Heinrich ontwikkelde dit idee verder in 1920 en breidde het uit tot een cascade van vermenigvuldigers. Meestal noemen mensen deze cascade van vermenigvuldigers, uitgevonden door Heinrich Greinacher, een Villard-cascade die onnauwkeurig en niet waar is.

Deze cascade van vermenigvuldigers wordt ook wel Cockroft-Walton genoemd, naar de wetenschappers John Cockroft en Ernest Walton die de deeltjesversnellermachine hadden gebouwd en het circuit in 1932 zelfstandig hadden herontdekt.

Het gebruik van twee Greinacher-cellen die tegenover elkaar liggende polariteiten hebben maar door dezelfde wisselstroombron worden aangedreven, kan het concept van dit soort topologie uitbreiden naar een spanningsverviervoudig circuit.

De twee afzonderlijke uitgangen worden gebruikt om de uitgang eroverheen te verwijderen. Het gelijktijdig aarden van de input en output in deze schakeling is vrijwel onmogelijk zoals bij een brugschakeling.

Brugcircuit

Het soort topologie dat door een Delon-circuit wordt gebruikt om spanningsverdubbeling te hebben, staat bekend als brugtopologie.

Een van de meest voorkomende toepassingen van dit type delon-schakeling was in televisietoestellen met kathodestraalbuis. Het deloncircuit in deze televisietoestellen werd gebruikt om de e.h.t. voedingsspanning.

Figuur 3 Spanningsvierling - twee Greinacher-cellen met tegengestelde polariteit

Er zijn veel veiligheidsrisico's en problemen in verband met het genereren van spanningen van meer dan 5 kV, en het is ook zeer oneconomisch in een transformator, meestal in de apparatuur die huishoudelijke apparatuur is.

Maar een e.h.t. van 10kV is een basisvereiste van de televisietoestellen die zwart en wit zijn, terwijl de kleurentelevisies nog meer e.h.t. nodig hebben.

Er zijn verschillende manieren en middelen waarop de e.h.t. van dergelijke afmetingen worden bereikt zoals: het verdubbelen van de spanning op de nettransformator binnen een e.h.t-wikkeling erop door spanningsverdubbelaars te gebruiken of door de spanningsverdubbelaars toe te passen op de golfvorm op de lijnterugslagspoelen.

De twee piekdetectoren die bestaan ​​uit een halve golf in een circuit zijn functioneel vergelijkbaar met de piekdetectorcellen die in het Greinacher-circuit worden aangetroffen.

De halve cycli die tegengesteld zijn aan elkaar van de inkomende golfvorm worden gebruikt voor het werken door elk van de twee piekdetectorcellen. De output blijkt altijd het dubbele van de piekingangsspanning te zijn, aangezien de outputs die door hen worden geproduceerd in serie zijn.

Figuur 4. Brug (Delon) spanningsverdubbelaar

Geschakelde condensatorcircuits

De spanning van een gelijkstroombron kan worden verdubbeld door gebruik te maken van de diode-condensatorcircuits die eenvoudig genoeg zijn en in de bovenstaande sectie zijn beschreven door de spanningsverdubbelaar vooraf te laten gaan met behulp van een choppercircuit.

Dit is dus effectief bij het converteren van de DC naar AC voordat deze door de spanningsverdubbelaar gaat. Om schakelingen te verkrijgen en te bouwen die efficiënter zijn, worden de schakelinrichtingen aangestuurd door een externe klok die bedreven is in het functioneren zowel in termen van hakken als vermenigvuldigen en die tegelijkertijd kunnen worden gerealiseerd.

Figuur 5.

Geschakelde condensatorspanningsverdubbelaar bereikt door simpelweg geladen condensatoren van parallel naar serie te schakelen Deze soorten circuits staan ​​bekend als geschakelde condensatorcircuits.

De toepassingen die worden gevoed door laagspanning zijn de toepassingen die in het bijzonder van deze benadering gebruik maken, aangezien voor geïntegreerde schakelingen een specifieke hoeveelheid spanning vereist is die meer is dan wat de batterij werkelijk kan leveren of produceren.

In de meeste gevallen is er altijd een kloksignaal beschikbaar aan boord van de geïntegreerde schakeling en dit maakt het dus overbodig om andere aanvullende schakelingen te hebben of er is slechts weinig schakeling nodig om deze te genereren.

Het diagram in figuur 5 geeft dus schematisch de eenvoudigste vorm van een geschakelde condensatorconfiguratie weer. In dit diagram zijn er twee condensatoren die gelijktijdig parallel zijn opgeladen tot dezelfde spanning.

Post deze condensatoren worden in serie geschakeld na het uitschakelen van de voeding. De geproduceerde uitgangsspanning is dus tweemaal de voedings- of ingangsspanning in het geval de uitgang wordt afgeleid van de twee condensatoren in serie.

Er zijn verschillende soorten schakelapparaten die in dergelijke schakelingen kunnen worden gebruikt, maar MOSFET-apparaten zijn de meest gebruikte schakelapparaten in het geval van geïntegreerde schakelingen.

Figuur 6. Schema van de spanningsverdubbelaar van de laadpomp

Het diagram in Figuur 6 geeft schematisch een van de andere basisconcepten van de 'Laadpomp' weer. De ingangsspanning wordt gebruikt om eerst de Cp, de laadpompcondensator, op te laden.

Hierna wordt de uitgangscondensator C0 opgeladen door in serie te schakelen met de ingangsspanning, wat resulteert in het opladen van de C0 het dubbele van de ingangsspanning. Om C0 met succes volledig op te laden, kan het nodig zijn dat de laadpomp vele cycli duurt.

Maar als eenmaal een stabiele toestand is verkregen, is het enige essentiële voor de ladingspompcondensator, Cp, om lading in kleine hoeveelheden te pompen, wat overeenkomt met de lading die wordt geleverd door de uitgangscondensator, C0, aan de belasting.

Er ontstaat een rimpel op de uitgangsspanning wanneer C0 gedeeltelijk in de belasting wordt ontladen terwijl deze wordt losgekoppeld van de laadpomp. Deze rimpel die in dit proces wordt gevormd, heeft het kenmerk van een kortere ontladingstijd en is gemakkelijk te filteren en daarom maken deze kenmerken ze kleiner voor frequenties voor hogere klokfrequenties.

Dus voor elke gegeven specifieke rimpel kunnen de condensatoren kleiner worden gemaakt. De maximale hoeveelheid klokfrequentie voor alle praktische doeleinden in de geïntegreerde schakelingen valt typisch in het bereik van honderden kHz.

Dickson laadpomp

De Dickson ladingspomp, ook wel bekend als Dickson multiplier, bestaat uit een cascade van diode / condensatorcellen waarbij een klokpulstrein de bodemplaat van elk van de condensatoren aandrijft.

Het circuit wordt beschouwd als een aanpassing van de Cockcroft-Walton-vermenigvuldiger, maar met als enige uitzondering dat het schakelsignaal wordt geleverd door de DC-ingang met kloktreinen in plaats van een AC-ingang zoals het geval is bij Cockcroft-Walton-multiplier.

De basisvereiste van een Dickson-vermenigvuldiger is dat de klokpulsen van tegengestelde fasen de afwisselende cellen moeten aandrijven. Maar in het geval van een spanningsverdubbelaar, afgebeeld in figuur 7, is slechts één kloksignaal vereist aangezien er slechts één vermenigvuldigingstrap is.

Figuur 7. Dickson ladingspomp spanningsverdubbelaar

De schakelingen waar de Dickson-vermenigvuldigers het meest en vaak worden gebruikt, zijn de geïntegreerde schakelingen waarbij de voedingsspanning, zoals van een batterij, lager is dan wat nodig is voor de schakelingen.

Het feit dat alle halfgeleiders die hierbij worden gebruikt in wezen hetzelfde zijn, werkt als een voordeel voor de fabrikanten van de geïntegreerde schakeling.

Het standaard logische blok dat het meest wordt aangetroffen en gebruikt in talrijke geïntegreerde schakelingen, zijn de MOSFET-apparaten.

Dit is een van de redenen waarom de diodes vaak worden vervangen door de transistor van dit type, maar ook zijn aangesloten op een functie in de vorm van een diode.

Deze opstelling staat ook bekend als een diode-bedrade MOSFET. Het diagram in figuur 8 geeft een spanningsverdubbelaar van Dickson weer die dit soort met diode bedrade n-kanaalverbeteringstype MOSFET-apparaten gebruikt.

Figuur 8. Spanningsverdubbelaar van Dickson die met diode bedrade MOSFET's gebruikt

De basisvorm van de Dickson-laadpomp heeft veel verbeteringen en variaties ondergaan. De meeste van deze verbeteringen situeren zich op het gebied van de vermindering van het effect dat wordt geproduceerd door de transistorafvoerspanning. Deze verbetering wordt als significant beschouwd in het geval de ingangsspanning klein is, zoals in het geval van een laagspanningsbatterij.

De uitgangsspanning is altijd een integraal veelvoud van de ingangsspanning (tweemaal in geval van een spanningsverdubbelaar) bij gebruik van ideale schakelelementen.

Maar in het geval dat een eencellige batterij wordt gebruikt als invoerbron samen met MOSFET-schakelaars, is de uitvoer in dergelijke gevallen veel kleiner dan deze waarde, omdat de spanning over de transistors zal dalen.

Vanwege de extreem lage spanningsval in de aan-toestand van een circuit dat gebruikmaakt van discrete componenten, wordt de Schottky-diode als een goede keuze als schakelelement beschouwd.

Maar de ontwerpers van geïntegreerde schakelingen geven er meestal de voorkeur aan om MOSFET te gebruiken, omdat het gemakkelijker beschikbaar is, wat de aanwezigheid van onvolkomenheden en hoge complexiteit in het circuit dat aanwezig is in MOSFET-apparaten ruimschoots compenseert.

Om dit te illustreren, nemen we een voorbeeld: een nominale spanning van de melodie van 1,5 V is aanwezig in een alkalinebatterij.

De output hierin kan worden verdubbeld tot 3.0V door een spanningsverdubbelaar te gebruiken samen met ideale schakelelementen die een spanningsval van nul hebben.

Maar de spanningsval van de met diode bedrade MOSFET van de afvoerbron wanneer deze in de staat aan is, moet minimaal gelijk zijn aan de poortdrempelspanning die typisch 0,9V is.

De uitgangsspanning kan met succes worden verhoogd door de spanningsverdubbelaar met slechts ongeveer 0,6V tot 2,1V.

De toename van de spanning door de schakeling kan niet worden bereikt zonder meerdere trappen te gebruiken in het geval dat de daling over de laatste afvlaktransistor ook wordt overwogen en in aanmerking wordt genomen.

Aan de andere kant is de spanning op het podium van een typische Schottky-diode 0,3 V. De uitgangsspanning die door een spanningsverdubbelaar wordt geproduceerd, ligt in het bereik van 2,7 V als deze een Schottky-diode gebruikt, of 2,4 V als deze een afvlakkingsdiode gebruikt.

Cross-coupled geschakelde condensatoren

Van de kruislings gekoppelde geschakelde condensatorcircuits is bekend dat de ingangsspanning zeer laag is. Een eencellige batterij kan nodig zijn in de apparatuur die wordt aangedreven door een draadloze batterij zoals pagers en Bluetooth-apparaten om continu stroom te leveren wanneer deze is ontladen tot onder een volt.

Figuur 9. Kruisgekoppelde spanningsverdubbelaar met geschakelde condensator

De transistor Q2 wordt uitgeschakeld in het geval de klok laag is. Tegelijkertijd wordt de transistor Q1 ingeschakeld als de klok hoog is en dit resulteert in het opladen van de condensator C1 tot de spanning Vn. de bovenplaat van C1 wordt omhoog geduwd tot dubbele Vin voor het geval de Ø1 hoog wordt.

Om deze spanning als uitgang te laten verschijnen, sluit tegelijkertijd schakelaar S1. Tegelijkertijd mag C2 ook opladen door de Q2 aan te zetten.

De rollen van de componenten worden in de volgende halve cyclus omgekeerd: Ø1 zal laag zijn, S1 zal openen, Ø2 zal hoog zijn en S2 zal sluiten.

Dus afwisselend vanaf elke kant van het circuit wordt de uitgangsspanning geleverd met 2Vin. het verlies in dit circuit is laag aangezien er een gebrek is aan met diode bedrade MOSFET's en de daarmee samenhangende drempelspanningproblemen.

Een van de andere voordelen van het circuit is dat het de rimpelfrequentie verdubbelt, aangezien er twee spanningsverdubbelaars aanwezig zijn die de output effectief van de faseklokken voorzien.

Het fundamentele nadeel van deze schakeling is dat de strooicapaciteit van de Dickinson-vermenigvuldiger veel minder significant blijkt te zijn dan deze schakeling en dus verantwoordelijk is voor de meeste verliezen die in deze schakeling optreden.

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