Умножитель напряжения

Умножитель напряжения — это электрическая схема , которая преобразует переменного тока электрическую мощность из более низкого напряжения в более высокое постоянное напряжение, обычно с использованием сети конденсаторов и диодов .

Умножители напряжения можно использовать для генерации от нескольких вольт для электронных приборов до миллионов вольт для таких целей, как эксперименты по физике высоких энергий и испытания на молниезащиту. Наиболее распространенным типом умножителя напряжения является полуволновой последовательный умножитель, также называемый каскадом Виллара (но на самом деле изобретенный Генрихом Грейнахером ).

Операция

Если предположить, что пиковое напряжение источника переменного тока равно +U _s , и что значения C достаточно высоки, чтобы при зарядке ток протекал без значительного изменения напряжения, тогда (упрощенная) работа каскада будет следующей: следует:

переход от положительного пика (+U _s ) к отрицательному пику (-U _s ): Конденсатор C ₁ заряжается через диод D ₁ до U _s V ( разность потенциалов между левой и правой пластинами конденсатора равна U _s ).
переход от отрицательного пика к положительному пику: напряжение C ₁ складывается с напряжением источника, таким образом заряжая C ₂ до 2U _с через D ₂ и разряжая C ₁ в процессе.
пик от положительного до отрицательного: напряжение C ₁ упало до 0 В к концу предыдущего шага, что позволяет _{C 3} зарядить _{через D 3} до 2U _s .
пик от отрицательного до положительного: напряжение C ₂ повышается до 2U _с (аналогично шагу 2), при этом C ₄ заряжается до 2 U _с . Выходное напряжение (сумма напряжений C ₂ и C ₄ ) возрастает до тех пор, пока не будет достигнуто 4U _с .

Добавление дополнительного каскада увеличит выходное напряжение в два раза по сравнению с пиковым напряжением источника переменного тока (за вычетом потерь из-за диодов — см. следующий параграф).

требуется больше циклов _{В действительности, для достижения полного напряжения C 4} , а напряжение каждого конденсатора снижается за счет прямого падения напряжения ( $U f$ ) каждого диода на пути к этому конденсатору. Например, напряжение C ₄ в данном примере будет не более $2U s - 4U f,$ поскольку между его положительным выводом и истоком имеется 4 диода. Общее выходное напряжение будет $U(C 2) + U(C 4) = (2U s - 2U f) + (2U s - 4U f) = 4U s - 6U f$ . В каскаде с $n$ каскадами из двух диодов и двух конденсаторов выходное напряжение равно $2n U s - n(n+1) U f$ . Член $n(n+1) U f$ представляет собой сумму потерь напряжения, вызванных диодами, на всех конденсаторах на выходной стороне (т. е. на правой стороне примера – C ₂ и C ₄ ). Например, если у нас есть 2 этапа, как в примере, общие потери составят $2+4 = 2*(2+1) = 6$ раз $U f$ . Дополнительный каскад увеличит выходное напряжение в два раза по сравнению с напряжением источника за вычетом прямого падения напряжения на $2n+2$ диодах: $2U s - (2n+2)U f$ .

Напряжение двойное и тройное

Удвоитель напряжения использует два каскада, чтобы примерно удвоить напряжение постоянного тока, которое можно было бы получить от однокаскадного выпрямителя . Пример удвоителя напряжения можно найти во входном каскаде импульсных источников питания, содержащем однополюсный переключатель для выбора источника питания 120 В или 240 В. В положении 120 В вход обычно конфигурируется как двухполупериодный удвоитель напряжения путем открытия одной точки подключения переменного тока мостового выпрямителя и подключения входа к месту соединения двух последовательно соединенных конденсаторов фильтра. Для работы с напряжением 240 В переключатель конфигурирует систему как двухполупериодный мост, повторно подсоединяя провод центрального отвода конденсатора к открытой клемме переменного тока мостовой выпрямительной системы. Это позволяет работать с напряжением 120 или 240 В при добавлении простого однополюсного переключателя.

Утроитель напряжения представляет собой трехступенчатый умножитель напряжения. Тройник — популярный тип умножителя напряжения. Выходное напряжение тройника на практике в три раза ниже пикового входного напряжения из-за их высокого импеданса , отчасти вызванного тем, что, когда каждый конденсатор в цепи подает питание на следующий, он частично разряжается, теряя при этом напряжение.

Тройники обычно использовались в приемниках цветного телевидения для подачи высокого напряжения на электронно-лучевую трубку (ЭЛТ, кинескоп).

Тройники до сих пор используются в источниках высокого напряжения , таких как копировальные аппараты , лазерные принтеры , устройства для уничтожения насекомых и электрошоковое оружие .

Напряжение пробоя

Хотя умножитель можно использовать для получения выходного напряжения в тысячи вольт, отдельные компоненты не обязательно должны быть рассчитаны на выдержку всего диапазона напряжений. Каждый компонент должен учитывать только относительную разность напряжений непосредственно на своих клеммах и на компонентах, непосредственно прилегающих к нему.

Обычно умножитель напряжения физически устроен как лестница, так что постепенно увеличивающийся потенциал напряжения не дает возможности проникнуть в участки цепи с гораздо более низким потенциалом.

Обратите внимание, что в относительном диапазоне разностей напряжений в умножителе необходим некоторый запас прочности, чтобы схема могла выдержать короткое замыкание хотя бы одного компонента диода или конденсатора. В противном случае одноточечное короткое замыкание может привести к последовательному перенапряжению и разрушению каждого следующего компонента умножителя, потенциально разрушая всю цепочку умножителя.

Другие топологии схемы

Укладка

В любом столбце используется четное количество диодно-емкостных ячеек, чтобы каскад заканчивался на сглаживающей ячейке. Если бы оно было нечетным и заканчивалось на зажимном элементе, пульсации напряжения были бы очень большими. Конденсаторы большей емкости в соединительной колонне также уменьшают пульсации, но за счет увеличения времени зарядки и увеличения тока диода.

Насос заряда Диксона

Насос заряда Диксона , или множитель Диксона , представляет собой модификацию множителя Грейначера/Кокрофта-Уолтона . Однако есть несколько важных отличий:

Умножитель Диксона принимает на вход источник постоянного тока , поэтому представляет собой разновидность преобразователя постоянного тока в постоянный . В дополнение к входу постоянного тока схема требует подачи двух последовательностей тактовых импульсов с колебанием амплитуды между шинами питания постоянного тока. Эти последовательности импульсов находятся в противофазе. ^[1]
Умножитель Диксона предназначен для низковольтных приложений , в отличие от Грейначера/Кокрофта-Уолтона, который обычно используется в высоковольтных приложениях. Это связано с тем, что последний конденсатор должен удерживать все выходное напряжение, тогда как в умножителе Грейнахера/Кокрофта – Уолтона каждый конденсатор удерживает не более чем удвоенное входное напряжение (что позволяет легко умножить его в 10 или более раз).

Чтобы описать идеальную работу схемы, пронумеруйте диоды D1, D2 и т. д. слева направо, а также конденсаторы C1, C2 и т. д. Когда тактовый сигнал $\phi _{1}$ низкий, D1 зарядит C1 до V _в . Когда $\phi _{1}$ верхняя пластина C1 поднимается до В. _{повышается ,} 2 Затем D1 выключается, а D2 включается, и C2 начинает заряжаться В. ₂ до В следующем такте $\phi _{1}$ снова опускается, и теперь $\phi _{2}$ подталкивая верхнюю пластину C2 к 3 В. _{напряжению}переходит в высокий уровень , D2 выключается, а D3 включается, заряжая C3 до 3 В _{и так} далее, при этом заряд проходит вверх по цепи, отсюда и название зарядного насоса . Последняя ячейка диода и конденсатора в каскаде подключена к земле, а не к фазе тактового сигнала и, следовательно, не является умножителем; это пиковый детектор , который просто обеспечивает сглаживание . ^[2]

Существует ряд факторов, которые уменьшают выходной сигнал в идеальном случае нВ _в . Одним из них является пороговое напряжение V _Т коммутационного устройства, то есть напряжение, необходимое для его включения. Выходная мощность уменьшится как минимум на нВ _T из-за падения напряжения на переключателях. Диоды Шоттки обычно используются в умножителях Диксона, среди других причин, из-за их низкого прямого падения напряжения. имеются паразитные емкости Другая трудность заключается в том, что в каждом узле на землю. Эти паразитные емкости действуют как делители напряжения, а накопительные конденсаторы схемы еще больше снижают выходное напряжение. ^[3] В определенном смысле более высокая тактовая частота выгодна: пульсации уменьшаются, а высокая частота облегчает фильтрацию оставшихся пульсаций. Также уменьшается размер необходимых конденсаторов, поскольку за цикл необходимо сохранять меньше заряда. Однако потери из-за паразитной емкости увеличиваются с увеличением тактовой частоты, и практический предел составляет около нескольких сотен килогерц. ^[4]

Умножители Диксона часто встречаются в интегральных схемах (ИС), где они используются для увеличения напряжения питания низковольтной батареи до напряжения, необходимого ИС. Разработчику и производителю ИС выгодно иметь возможность использовать одну и ту же технологию и одно и то же базовое устройство во всей ИС. По этой причине в популярных интегральных схемах с КМОП- технологией основным строительным блоком схемы является МОП- транзистор . Следовательно, диоды в умножителе Диксона часто заменяются МОП-транзисторами, работающими как диоды. ^[5]

Диодная версия умножителя Диксона на МОП-транзисторах не работает очень хорошо при очень низких напряжениях из-за большого падения напряжения сток-исток на МОП-транзисторах. Часто для решения этой проблемы используется более сложная схема. Одним из решений является подключение параллельно переключающему МОП-транзистору другого МОП-транзистора, смещенного в его линейную область. Этот второй МОП-транзистор имеет более низкое напряжение сток-исток, чем переключающий МОП-транзистор сам по себе (поскольку переключающий МОП-транзистор сильно включен), и, следовательно, выходное напряжение увеличивается. Затвор полевого МОП-транзистора с линейным смещением подключен к выходу следующего каскада так, что он выключен, пока следующий каскад заряжается от конденсатора предыдущего каскада. То есть линейно-смещенный транзистор выключается одновременно с переключающим транзистором. ^[6]

Идеальный 4-ступенчатый умножитель Диксона (5-кратный умножитель) со входным напряжением 1,5 В имел бы выходное напряжение 7,5 В. Однако 4-ступенчатый умножитель MOSFET с диодной проводкой может иметь выходное напряжение только 2 В. Добавление параллельных МОП-транзисторов в линейной области улучшает это напряжение примерно до 4 В. Более сложные схемы все же могут обеспечить выходной сигнал, гораздо более близкий к идеальному. ^[7]

Существует множество других вариаций и улучшений базовой схемы Диксона. Некоторые пытаются снизить пороговое напряжение переключения, например умножитель Мандал-Сарпешкара. ^[8] или множитель Ву. ^[9] Другие схемы компенсируют пороговое напряжение: умножитель Умеда делает это с помощью внешнего напряжения. ^[10] а умножитель Накамото делает это с помощью внутреннего напряжения. ^[11] Множитель Бержере направлен на максимизацию энергоэффективности. ^[12]

Модификация для ВЧ мощности

В интегральных схемах КМОП тактовые сигналы легко доступны или легко генерируются. интегральных схемах это не всегда так В радиочастотных , но часто имеется доступный источник радиочастотной энергии. Стандартную схему умножителя Диксона можно модифицировать для удовлетворения этого требования, просто заземлив обычный вход и один из тактовых входов. Радиочастотная мощность подается на другой тактовый вход, который затем становится входом схемы. Радиочастотный сигнал фактически является тактовым сигналом, а также источником энергии. Однако, поскольку тактовый сигнал подается только в каждый второй узел, схема достигает стадии умножения только для каждой второй ячейки диодного конденсатора. Остальные диодно-конденсаторные ячейки действуют просто как пиковые детекторы и сглаживают пульсации, не увеличивая коэффициент умножения. ^[13]

Коммутируемый конденсатор с перекрестной связью

Умножитель напряжения может быть образован каскадом удвоителей напряжения типа переключаемого конденсатора с перекрестной связью . Этот тип схемы обычно используется вместо умножителя Диксона, когда напряжение источника составляет 1,2 В или меньше. Умножители Диксона имеют все более низкую эффективность преобразования мощности по мере падения входного напряжения, поскольку падение напряжения на диодных транзисторах становится гораздо более значительным по сравнению с выходным напряжением. Поскольку транзисторы в схеме с перекрестной связью не имеют диодной схемы, проблема падения напряжения не столь серьезна. ^[14]

Схема работает путем попеременного переключения выхода каждого каскада между удвоителем напряжения, управляемым $\phi _{1}$ и один, управляемый $\phi _{2}$ . Такое поведение приводит к еще одному преимуществу перед умножителем Диксона: уменьшению пульсаций напряжения при удвоенной частоте. Увеличение частоты пульсаций является преимуществом, поскольку их легче устранить фильтрацией. Каждый каскад (в идеальной схеме) повышает выходное напряжение на пиковое тактовое напряжение. Если предположить, что это тот же уровень, что и входное напряжение постоянного тока, тогда n -ступенчатый умножитель (в идеале) будет выводить нВ _в . Основной причиной потерь в схеме с перекрестной связью является паразитная емкость, а не пороговое напряжение переключения. Потери происходят потому, что часть энергии уходит на зарядку паразитных емкостей в каждом цикле. ^[15]

Приложения

В источниках высокого напряжения для электронно-лучевых трубок (ЭЛТ) в телевизорах часто используются умножители напряжения со сглаживающим конденсатором конечной ступени, образованным внутренним и внешним покрытиями аквадага на самой ЭЛТ. ЭЛТ раньше были обычным компонентом телевизоров. Умножители напряжения до сих пор можно найти в современных телевизорах, копировальных аппаратах и устройствах для устранения ошибок . ^[16]

Умножители высокого напряжения используются в оборудовании для окраски распылением, которое чаще всего встречается на предприятиях автомобильной промышленности. Умножитель напряжения с выходной мощностью около 100 кВ используется в сопле распылителя краски для электрического заряда распыленных частиц краски, которые затем притягиваются к противоположно заряженным металлическим поверхностям, подлежащим окраске. Это помогает уменьшить объем используемой краски и способствует равномерному распределению слоя краски.

Распространенным типом умножителя напряжения, используемого в физике высоких энергий, является генератор Кокрофта-Уолтона (который был разработан Джоном Дугласом Кокрофтом и Эрнестом Томасом Синтоном Уолтоном для ускорителя частиц для использования в исследованиях, которые принесли им Нобелевскую премию по физике в 1951 году). .

См. также

Генератор Маркса (устройство, в котором используются искровые разрядники и которое может обеспечивать более высокие пиковые токи, чем диоды). в качестве переключающих элементов вместо диодов
Повышающий преобразователь (преобразователь постоянного тока в постоянный, повышающий напряжение, часто с использованием катушки индуктивности)

Примечания

^
- Лю, стр. 226.
- Юань, с. 14
^ Лю, стр. 226–227.
^ Юань, стр. 13–14
Лю|2006, стр. 227–228.
^
- Пелусо и др. , например 35
- Зумбален, с. 741
^
- Лю, стр. 226–228.
- Юань, с. 14
^
- Лю, стр. 228–230.
- Юань, стр. 14–16
^ Юань, стр. 14–16
^ Юань, стр. 17–18
^ Лю, стр. 230–232.
^ Юань, стр. 18–20
^ Юань, стр. 19–20
^ Юань, стр. 20–21
^
- Лю, стр. 228–230.
- Юань, стр. 14–15
^
- Кампардо и др. , стр. 377–379
- Лю, стр. 232–235.
- Лин, с. 81
^
- Кампардо и др. , например 379
- Лю, стр. 234.
^ Макгоуэн, с. 87

Библиография

Кампардо, Джованни; Микелони, Рино; Новосел, Дэвид СБИС-проектирование энергонезависимой памяти , Springer, 2005 г. ISBN 3-540-20198-Х .
Линь, Ю-Шян Схемы малой мощности для миниатюрных сенсорных систем , Издательство ProQuest, 2008 г. ISBN 0-549-98672-3 .
Лю, Минлян, раскрывающий тайну схем с переключаемыми конденсаторами , Newnes, 2006 г. ISBN 0-7506-7907-7 .
Макгоуэн, Кевин, Полупроводники: от книги до макета , Cengage Learning, 2012 г. ISBN 1133708382 .
Пелузо, Винченцо; Стейерт, Мишель; Сансен, Вилли MC. Проектирование низковольтных и маломощных КМОП-дельта-сигма аналого-цифровых преобразователей , Springer, 1999. ISBN 0-7923-8417-2 .
Юань, Фей КМОП-схемы для пассивных беспроводных микросистем , Springer, 2010 г. ISBN 1-4419-7679-5 .
Зумбален, Справочник Хэнка по проектированию линейных схем , Newnes, 2008 г. ISBN 0-7506-8703-7 .

Внешние ссылки

Базовые схемы умножителя
Множители Кокрофта Уолтона
Схема бренда Kadette (International Radio Corp.), модель 1019 . 1937 года Радиоприемник с ламповым умножителем напряжения (25Z5).

[1] 
Лю, стр. 226.
Юань, с. 14

[2] Лю, стр. 226.

[3] Юань, с. 14

[2] Лю, стр. 226–227.

[3] Юань, стр. 13–14
Лю|2006, стр. 227–228.

[4] 
Пелусо и др. , например 35
Зумбален, с. 741

[7] Пелусо и др. , например 35

[8] Зумбален, с. 741

[5] 
Лю, стр. 226–228.
Юань, с. 14

[10] Лю, стр. 226–228.

[11] Юань, с. 14

[6] 
Лю, стр. 228–230.
Юань, стр. 14–16

[13] Лю, стр. 228–230.

[14] Юань, стр. 14–16

[7] Юань, стр. 14–16

[8] Юань, стр. 17–18

[9] Лю, стр. 230–232.

[10] Юань, стр. 18–20

[11] Юань, стр. 19–20

[12] Юань, стр. 20–21

[13] 
Лю, стр. 228–230.
Юань, стр. 14–15

[22] Лю, стр. 228–230.

[23] Юань, стр. 14–15

[14] 
Кампардо и др. , стр. 377–379
Лю, стр. 232–235.
Лин, с. 81

[25] Кампардо и др. , стр. 377–379

[26] Лю, стр. 232–235.

[27] Лин, с. 81

[15] 
Кампардо и др. , например 379
Лю, стр. 234.

[29] Кампардо и др. , например 379

[30] Лю, стр. 234.

[16] Макгоуэн, с. 87

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]