Удвоитель напряжения

Удвоитель напряжения — это электронная схема, которая заряжает конденсаторы от входного напряжения и переключает эти заряды таким образом, что в идеальном случае на выходе создается ровно вдвое большее напряжение, чем на его входе.

Самая простая из этих схем представляет собой выпрямитель , который принимает на вход переменное напряжение и выдает удвоенное постоянное напряжение. Переключающие элементы представляют собой простые диоды, которые переводятся в состояние переключения просто под действием переменного входного напряжения. Удвоители постоянного напряжения не могут переключаться таким образом и требуют схемы управления для управления переключением. Им часто также требуется переключающий элемент, которым можно управлять напрямую, например транзистор , вместо того, чтобы полагаться на напряжение на переключателе, как в простом случае преобразования переменного тока в постоянный.

Удвоители напряжения представляют собой разновидность схем умножителя напряжения . Многие, но не все, схемы удвоителя напряжения можно рассматривать как одну ступень умножителя более высокого порядка: каскадное соединение идентичных ступеней позволяет добиться большего умножения напряжения.

Выпрямители удвоения напряжения

Трасса Виллара

Рисунок 1 . Трасса Виллара

Выходное напряжение схемы Виллара

Трасса Виллара , задуманная Полем Ульрихом Вилларом , состоит просто из конденсатора и диода. Несмотря на то, что он имеет большое преимущество в простоте, его выходной сигнал имеет очень плохие пульсаций характеристики . По сути, схема представляет собой схему диодного зажима . Конденсатор заряжается в отрицательных полупериодах до пикового переменного напряжения ( V _pk ). Выходной сигнал представляет собой суперпозицию входного сигнала переменного тока и постоянного тока конденсатора. Эффект схемы заключается в смещении значения постоянного тока формы сигнала. Отрицательные пики формы сигнала переменного тока «фиксируются» диодом на уровне 0 В (фактически - V _F , небольшое напряжение прямого смещения диода), поэтому положительные пики формы выходного сигнала составляют 2 В _pk . Пульсации от пика до пика составляют огромные 2 В _пик , и их нельзя сгладить , если схема не будет эффективно преобразована в одну из более сложных форм. Это схема (с перевернутым диодом), используемая для подачи высокого отрицательного напряжения на магнетрон в микроволновой печи.

Схема Грейнахера

Рисунок 2 . Схема Грейнахера

Удвоитель напряжения Грейнахера представляет собой значительное улучшение по сравнению со схемой Виллара при небольших затратах на дополнительные компоненты. Пульсации значительно уменьшаются, номинально равны нулю в условиях нагрузки разомкнутой цепи, но время потребления тока зависит от сопротивления нагрузки и номинала используемых конденсаторов. Схема работает по принципу каскада ячейки Виллара с тем, что по сути является каскадом пикового детектора или детектора огибающей . Ячейка пикового детектора устраняет большую часть пульсаций, сохраняя при этом пиковое напряжение на выходе. Схема Грейнахера также широко известна как полуволновой удвоитель напряжения.

Рисунок 3 . Учетверитель напряжения - две ячейки Грейнахера противоположной полярности.

Эта схема была впервые изобретена Генрихом Грейнахером в 1913 году (опубликована в 1914 году). ), чтобы обеспечить 200–300 В, необходимые ему для его недавно изобретенного ионометра , причем 110 В переменного тока, подаваемого электростанциями Цюриха того времени, было недостаточно. Позже он расширил эту идею до каскада множителей в 1920 году. Этот каскад клеток Грейнахера часто ошибочно называют каскадом Виллара. Его также называют умножителем Кокрофта-Уолтона в честь ускорителя частиц, построенного Джоном Кокрофтом и Эрнестом Уолтоном , которые независимо открыли эту схему в 1932 году. Идея этой топологии может быть расширена до схемы учетверения напряжения, используя две ячейки Грейнахера противоположной полярности, питаемые от одного и того же источника переменного тока. Выходной сигнал берется с двух отдельных выходов. Как и в мостовой схеме, невозможно одновременно заземлить вход и выход этой схемы.

Схема Делона

Рисунок 4 . Мост (Делон) удвоитель напряжения

Схема Делона использует мостовую топологию для удвоения напряжения; следовательно, его также называют двухполупериодным удвоителем напряжения. Эта форма схемы когда-то часто встречалась в телевизорах с электронно-лучевой трубкой , где она использовалась для обеспечения питания сверхвысокого напряжения (EHT). Генерирование напряжения свыше 5 кВ с помощью трансформатора имеет проблемы с безопасностью бытового оборудования и в любом случае неэкономично. Однако для черно-белых телевизоров требовалось напряжение 10 кВ, а для цветных и того больше. Удвоители напряжения использовались либо для удвоения напряжения на обмотке сетевого трансформатора, либо применялись к форме сигнала на линейных обратноходовых катушках .

Схема состоит из двух полуволновых пиковых детекторов, функционирующих точно так же, как ячейка пикового детектора в схеме Грейнахера. Каждая из двух ячеек пикового детектора работает с противоположными полупериодами входящего сигнала. Поскольку их выходы соединены последовательно, выходное напряжение в два раза превышает пиковое входное напряжение.

Схемы с переключаемыми конденсаторами

Рисунок 5. Удвоитель напряжения переключаемого конденсатора, достигаемый простым переключением заряженных конденсаторов из параллельного режима в последовательный.

Можно использовать простые диодно-емкостные схемы, описанные выше, для удвоения напряжения источника постоянного тока, предваряя удвоитель напряжения схемой прерывателя . По сути, это преобразует постоянный ток в переменный ток перед его подачей на удвоитель напряжения. Более эффективные схемы можно построить, управляя переключающими устройствами от внешнего тактового генератора, чтобы обе функции — прерывание и умножение — выполнялись одновременно. Такие схемы известны как схемы с переключаемыми конденсаторами . Этот подход особенно полезен в низковольтных приложениях с батарейным питанием, где интегральные схемы требуют напряжения, превышающего возможности батареи. Часто тактовый сигнал легко доступен на плате интегральной схемы, и для его генерации не требуется никаких дополнительных схем или практически не требуется.

Концептуально, возможно, самая простая конфигурация переключаемых конденсаторов схематически показана на рисунке 5. Здесь два конденсатора одновременно заряжаются до одного и того же напряжения параллельно. Затем питание отключается и конденсаторы включаются последовательно. Выходной сигнал снимается с двух последовательно соединенных конденсаторов, в результате чего выходное напряжение вдвое превышает напряжение питания. В такой схеме можно использовать множество различных переключающих устройств, но в интегральных схемах МОП- транзисторы. часто используются

Рисунок 6. Схема удвоителя напряжения зарядовой накачки.

Другая базовая концепция — это накачка заряда , вариант которой схематически показан на рисунке 6. Конденсатор накачки заряда C _P сначала заряжается до входного напряжения. Затем он переключается на зарядку выходного конденсатора CO _{последовательно} с входным напряжением, в результате чего CO _в конечном итоге заряжается до удвоенного входного напряжения. Может пройти несколько циклов, прежде чем зарядному насосу удастся полностью зарядить CO _, необходимо только _{но после достижения установившегося состояния CP} накачать небольшое количество заряда, эквивалентное тому, которое подается в нагрузку из _CO . Пока CO _{отключен} от зарядного насоса, он частично разряжается в нагрузку, что приводит к пульсациям выходного напряжения. Эта пульсация меньше для более высоких тактовых частот, поскольку время разряда короче, а также ее легче фильтровать. Альтернативно, конденсаторы можно сделать меньшего размера для заданных характеристик пульсаций. Практическая максимальная тактовая частота в интегральных схемах обычно составляет сотни килогерц.

Насос заряда Диксона

Рисунок 7. Удвоитель напряжения зарядового насоса Диксона.

Накачка заряда Диксона, или умножитель Диксона , состоит из каскада диодных/емкостных ячеек, нижняя пластина каждого конденсатора приводится в движение последовательностью тактовых импульсов . Схема представляет собой модификацию умножителя Кокрофта-Уолтона, но принимает на вход постоянный ток, а сигнал переключения подает синхроимпульс вместо входа переменного тока. Умножитель Диксона обычно требует, чтобы альтернативные ячейки возбуждались синхроимпульсами противоположной фазы. Однако, поскольку удвоитель напряжения, показанный на рисунке 7, требует только одного этапа умножения, требуется только один тактовый сигнал.

Умножитель Диксона часто используется в интегральных схемах, где напряжение питания (например, от батареи) ниже, чем требуется для схемы. При производстве интегральных схем выгодно, чтобы все полупроводниковые компоненты были в основном одного типа. МОП-транзисторы обычно являются стандартным логическим блоком во многих интегральных схемах. По этой причине диоды часто заменяются транзисторами этого типа, но подключенными для работы в качестве диода - устройство, называемое МОП-транзистором с диодной проводкой. На рисунке 8 показан удвоитель напряжения Диксона, использующий диодные МОП-транзисторы n-канального типа с усилением.

Рисунок 8. Удвоитель напряжения Диксона с использованием МОП-транзисторов с диодной разводкой.

Существует множество вариаций и улучшений базового зарядового насоса Диксона. Многие из них связаны с уменьшением влияния напряжения сток-исток транзистора. Это может быть очень важно, если входное напряжение небольшое, например, у низковольтной батареи. При идеальных переключающих элементах выходной сигнал кратен входному (два для удвоителя), но с одноэлементной батареей в качестве источника входного сигнала и переключателями MOSFET выходной сигнал будет намного меньше этого значения, поскольку большая часть напряжения будет падать. через транзисторы. Для схемы, использующей дискретные компоненты, диод Шоттки будет лучшим выбором переключающего элемента из-за его чрезвычайно низкого падения напряжения во включенном состоянии. Однако разработчики интегральных схем предпочитают использовать легкодоступные МОП-транзисторы и компенсировать их недостатки увеличением сложности схемы.

Например, элемент щелочной батареи имеет номинальное напряжение 1,5 В. Удвоитель напряжения с использованием идеальных переключающих элементов с нулевым падением напряжения гипотетически удвоит это напряжение до 3,0 В. Однако падение напряжения сток-исток полевого МОП-транзистора с диодной проводкой, когда он находится во включенном состоянии, должно быть не менее порогового напряжения затвора, которое обычно может составлять 0,9 В. напряжения позволит повысить выходное напряжение примерно 0,6–2,1 на В. Этот «удвоитель » Если также принять во внимание падение напряжения на конечном сглаживающем транзисторе, схема вообще не сможет увеличить напряжение без использования нескольких каскадов. С другой стороны, типичный диод Шоттки может иметь напряжение во включенном состоянии 0,3 В. Удвоитель с использованием этого диода Шоттки даст напряжение 2,7 В , или на выходе после сглаживающего диода 2,4 В.

Перекрестные переключаемые конденсаторы

Рисунок 9. Удвоитель напряжения на переключаемом конденсаторе с перекрестной связью

Схемы с переключаемыми конденсаторами с перекрестной связью отлично подходят для очень низких входных напряжений. Беспроводному оборудованию с батарейным питанием, такому как пейджеры, устройства Bluetooth и т.п., может потребоваться одноэлементная батарея для продолжения подачи питания, когда она разряжается до напряжения ниже вольта.

Когда часы $\phi _{1}$ низкий уровень, транзистор Q ₂ закрыт. В то же время часы $\phi _{2}$ высокий. включается _{При этом транзистор Q1} , в результате чего конденсатор C1 _{заряжается} до напряжения V _in . Когда $\phi _{1}$ поднимается вверх, верхняя пластина C ₁ поднимается вдвое выше V _in . При этом переключатель S1 _{замыкается} , поэтому на выходе появляется это напряжение. В то же время Q ₂ включается, позволяя C ₂ заряжаться. В следующем полупериоде роли поменяются: $\phi _{1}$ будет низким, $\phi _{2}$ будет высоким, S1 _{откроется} , а S2 _{закроется} . Таким образом, на выход подается напряжение 2 В _{поочередно} с каждой стороны схемы.

Потери в этой схеме невелики, поскольку здесь нет диодных МОП-транзисторов и связанных с ними проблем с пороговым напряжением. Преимущество схемы также заключается в том, что частота пульсаций удваивается, поскольку фактически имеется два удвоителя напряжения, каждый из которых подает выходной сигнал синфазных тактовых импульсов. Основным недостатком этой схемы является то, что паразитные емкости гораздо значительнее, чем у умножителя Диксона, и составляют большую часть потерь в этой схеме.

См. также

• Повышающий преобразователь
• Повышающе-понижающий преобразователь
• Преобразователь постоянного тока в постоянный
• Обратноходовой преобразователь

Библиография

• Ахмед, Сайед Имран, методы проектирования и улучшения конвейерных АЦП , Springer, 2010 г. ISBN   90-481-8651-X .
• Бассетт, Р.Дж.; Тейлор, PD (2003), «17. Силовые полупроводниковые устройства», Справочник инженера-электрика , Newnes, стр. 17/1–17/37, ISBN  0-7506-4637-3
• Кампардо, Джованни; Микелони, Рино; Новосел, Дэвид СБИС-проектирование энергонезависимой памяти , Springer, 2005 г. ISBN   3-540-20198-Х .
• Добрый, Дитер; Фезер, Курт (2001), переводчик Ю. Нараяна Рао (редактор), Методы высоковольтных испытаний , Newnes, ISBN  0-7506-5183-0 {{citation}}: |editor= имеет общее имя ( справка )
• Корис, Ральф; Шмидт-Вальтер, Хайнц по электротехнике в мягкой обложке: основы и электроника , Deutsch Harri GmbH, 2004 г. ISBN   3-8171-1734-5 .
• Лиу, Джуин Дж.; Ортис-Конде, Адельмо; Гарсиа-Санчес, Ф. Анализ и проектирование МОП-транзисторов , Springer, 1998 г. ISBN   0-412-14601-0 .
• Лю, Минлян (2006), Демистификация схем с переключаемыми конденсаторами , Newnes, ISBN  0-7506-7907-7
• МакКомб, Гордон Золотая жила гаджетовщика Гордона МакКомба! , McGraw-Hill Professional, 1990 г. ISBN   0-8306-3360-X .
• Мехра, Дж .; Рехенберг, Х. Историческое развитие квантовой теории , Springer, 2001 г. ISBN   0-387-95179-2 .
• Миллман, Джейкоб; Халкиас, Христос К. Интегрированная электроника , McGraw-Hill Kogakusha, 1972 г. ISBN   0-07-042315-6 .
• Пелусо, Винченцо; Стейерт, Мишель; Сансен, Вилли MC. Проектирование низковольтных и маломощных КМОП-дельта-сигма аналого-цифровых преобразователей , Springer, 1999. ISBN   0-7923-8417-2 .
• Райдер, JD (1970), Электронные основы и приложения , Pitman Publishing, ISBN  0-273-31491-2
• Уортон, В.; Ховорт, Д. Принципы телевизионного приема , Pitman Publishing, 1971. ISBN   0-273-36103-1 .
• 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 .