Objašnjeni krugovi umnoživača napona

Objašnjeni krugovi umnoživača napona

Uređaj elektroničkog sklopa koji se koristi za pojačavanje napona do 2x reda punjenjem kondenzatora iz nižeg ulaznog napona poznat je kao udvostručivač napona.



Struja naboja prebacuje se na takav način da je u bilo kojoj idealnoj situaciji napon koji se stvara na izlazu točno dva puta veći od napona na ulazu.

Najjednostavniji multiplikator napona pomoću dioda

Najjednostavniji oblik krug udvostručivača napona su vrsta ispravljača koji uzima ulaz u obliku napona izmjenične struje (AC) i proizvodi dvostruku veličinu (DC) napona kao izlaz.





Jednostavne diode koriste se kao preklopni elementi, a ulaz u obliku pukog izmjeničnog napona koristi se za pogon tih dioda u sklopnom stanju.

Potreban je dodatni pogonski krug kako bi se kontrolirala brzina prebacivanja u slučaju da se upotrebljavaju udvostručivači napona istosmjernog na istosmjerni tok, jer se ne mogu prebaciti na gore navedeni način.



U krugovima pretvarača napona istosmjerne u istosmjernu struju najčešće je potreban još jedan dodatni uređaj koji se naziva preklopni element i koji se može lako i izravno upravljati, poput tranzistora.

Stoga, kada koristi sklopni element, ne mora ovisiti o naponu na prekidaču, kao što je to slučaj u jednostavnom obliku izmjeničnog i istosmjernog napona.

Udvostručivač napona je vrsta sklopa za umnožavanje napona. Većina sklopova udvostručivača napona, s nekoliko iznimaka, može se gledati u obliku multiplikatora višeg reda u jednom stupnju. Također, veća količina umnožavanja napona postiže se kada postoje kaskadno identični stupnjevi koji se koriste zajedno.

Krug Villard

Krug Villard ima jednostavan sastav koji se sastoji od diode i kondenzatora. S jedne strane, gdje Villardov krug pruža korist u pogledu jednostavnosti, s druge strane je također poznato da proizvodi izlaz koji ima karakteristike mreškanja koje se smatraju vrlo lošima.

sklop multiplikatora napona vilarda

Slika 1.Villardov krug

U osnovi je Villardov krug oblik sklopa diodnih stezaljki. Negativni visoki ciklusi koriste se za punjenje kondenzatora do vršnog izmjeničnog napona (Vpk). Valni oblik izmjenične struje kao ulaz zajedno sa stabilnom istosmjernom superpozicijom kondenzatora čini izlaz.

Vrijednost DC istosmjernog vala pomiče se pomoću učinka sklopa na njemu. Budući da dioda steže negativne vrhove vala izmjeničnog napona na vrijednost 0V (u stvarnosti je –VF, što je mali napon prednapona diode), pozitivni vrhovi izlaznog vala su vrijednosti 2Vpk.

Vrh do vrhunca teško je izravnati, jer je enormne veličine u vrijednosti od 2Vpk, pa se stoga može izravnati samo kada se krug na učinkovit način transformira u bilo koji drugi sofisticiraniji oblik.

Negativni visoki napon napaja se magnetronom pomoću ovog kruga (koji se sastoji od diode u obrnutom obliku) u mikrovalnoj pećnici.

Greinacherov krug

Greinarcher-ov udvostručivač napona pokazao se boljim od Villardovog kruga tako što se značajno poboljšao dodavanjem nekih dodatnih komponenata za mali trošak.

U uvjetima opterećenja otvorenog kruga utvrđeno je da se mreškanje jako smanjilo, većinu puta do stanja nule, ali otpor opterećenja i vrijednost kondenzatora koji se koriste igraju važnu ulogu i utječu na struja koja se vuče.

Greinacherov krug

Slika 2. Greinacherov krug

Stadij Villardove stanice slijedi krug kako bi radio pomoću stupnja detektora ovojnice ili vršnog detektora.

Učinak vršnog detektora takav je da se velik dio mreškanja uklanja dok se izlaz vršnog napona kao takav čuva.

Heinrich Greinacher je prva osoba koja je izumila ovaj sklop 1913. godine (koji je objavljen 1914. godine) kako bi osigurao napon od 200-300 V koji mu je bio potreban za svoj ionometar, što je opet bio njegov novi izum.

Zahtjev za izumom ovog kruga da bi se dobio toliki napon nastao je jer je snaga koju su dostavljale elektrane u Zürichu iznosila samo 110 V izmjenične struje, pa je bila nedovoljna.

Heinrich je ovu ideju više razvio 1920. godine i proširio je na kaskadu množitelja. Većinu vremena ljudi ovu kaskadu multiplikatora izumio Heinrich Greinacher naziva Villardovom kaskadom koja je netočna i nije istinita.

Ova kaskada multiplikatora poznata je i pod imenom Cockroft-Walton po znanstvenicima Johnu Cockroftu i Ernestu Waltonu koji su izgradili stroj za ubrzavanje čestica i ponovno otkrili krug neovisno 1932. godine.

Upotreba dviju Greinacherovih ćelija koje imaju polaritete nasuprot jedna drugoj, ali se pokreću iz istog izvora izmjeničnog napona, mogu proširiti koncept ove vrste topologije na krug naponskih kvadraplera.

Dva pojedinačna izlaza koriste se za uklanjanje rezultata preko njih. Uzemljenje ulaza i izlaza istovremeno u ovom krugu je posve nemoguće, kao što je slučaj s mostnim krugom.

Mostni krug

Vrsta topologije koju Delonov sklop koristi za udvostručavanje napona poznata je kao topologija mosta.

Utvrđeno je da je jedna od uobičajenih primjena ove vrste delonovih krugova u televizorima s katodnom cijevi. Delonov sklop u ovim televizorima korišten je kako bi se osiguralo vanjsko ulje. napajanje naponom.

Slika 3. Četvorostruki napon - dvije Greinacherove stanice suprotnih polariteta

Mnogo je sigurnosnih opasnosti i problema povezanih s stvaranjem napona većih od 5kV, a istovremeno su i vrlo neekonomični u transformatorima uglavnom u opremi koja je domaća oprema.

Ali jedan uh.t. od 10kV osnovni je zahtjev crno-bijelih televizora, dok televizori u boji zahtijevaju još više e.h.t.

Postoje različiti načini i sredstva kojima e.h.t. postignute su takve dimenzije kao što su: udvostručavanje napona na mrežnom transformatoru unutar vanjskog namota na njemu upotrebom udvostručivača napona ili primjenom udvostručivača napona na valni oblik na linijskim zavojnicama.

Dva detektora vrha koja se sastoje od polu valova u krugu funkcionalno su slična ćelijama detektora vrha koje se nalaze u Greinacherovom krugu.

Polucikli koji su nasuprot jedni drugima dolaznog valnog oblika koriste se za rad svake od dviju ćelija detektora vrha. Uvijek se utvrdi da je izlaz dvostruko veći od vršnog ulaznog napona, jer su izlazi koji su proizvedeni u seriji.

Slika 4. Mostovni (delonski) udvostručivač napona

Preklopljeni kondenzatorski krugovi

Napon izvora istosmjerne struje može se udvostručiti korištenjem krugova dioda-kondenzator koji su dovoljno jednostavni i opisani su u gornjem odjeljku prethodiom udvostručitelju napona upotrebom kruga sjeckalice.

Dakle, ovo je učinkovito u pretvaranju istosmjerne u izmjeničnu struju prije nego što prođe kroz udvostručivač napona. Da bi se postigli i izgradili krugovi koji su učinkovitiji, sklopni uređaji se pokreću od vanjskog sata koji dobro funkcionira u smislu usitnjavanja i množenja i koji se može postići istodobno.

Preklopljeni kondenzatorski krugovi

Slika 5.

Preklopni udvostručivač napona kondenzatora postignut jednostavnim prebacivanjem nabijenih kondenzatora iz paralelnog u nizOve vrste sklopova poznate su kao preklopljeni kondenzatorski krugovi.

Primjene koje napaja niski napon su one koje se posebno koriste ovim pristupom jer integrirani krugovi imaju potrebu za opskrbom određenom količinom napona koja je veća od one koju baterija zapravo može isporučiti ili proizvesti.

U većini slučajeva uvijek postoji signal sata na integriranom krugu, pa je zbog toga nepotrebno imati bilo koji drugi dodatni sklop ili je za njegovo generiranje potrebno samo malo krugova.

Dakle, dijagram na slici 5 shematski prikazuje najjednostavniji oblik konfiguracije preklopljenog kondenzatora. U ovom dijagramu postoje dva kondenzatora koja su paralelno nabijena na isti napon istovremeno.

Nakon ovog kondenzatori su prebačeni u seriju nakon isključivanja napajanja. Dakle, proizvedeni izlazni napon dvostruko je veći od napajanja ili ulaznog napona u slučaju da je izlaz izveden iz dva serijska kondenzatora.

Postoje različite vrste sklopnih uređaja koji se mogu koristiti u takvim sklopovima, ali MOSFET uređaji su najčešće korišteni sklopni uređaji u slučaju integriranih sklopova.

Slika 6. Shema udvostručivača napona pumpe za punjenje

Dijagram na slici 6 shematski prikazuje jedan od ostalih osnovnih koncepata „pumpe za punjenje“. Ulazni napon koristi se za prvo punjenje Cp, kondenzatora pumpe za punjenje.

Nakon toga se izlazni kondenzator C0 puni serijskim prebacivanjem s ulaznim naponom što rezultira punjenjem C0 dvostruko više od ulaznog napona. Da bi se C0 uspješno napunila u potpunosti, možda će biti potrebno da pumpa za punjenje traje mnogo ciklusa.

Ali kad se postigne stabilno stanje, jedina bitna stvar za kondenzator pumpe za punjenje, Cp, je pumpanje naboja u malim količinama, što je ekvivalent naboju koji se napaja iz izlaznog kondenzatora, C0 do opterećenja.

Valovitost se stvara na izlaznom naponu kada se C0 ispušta djelomično u teret dok je odvojen od pumpe za punjenje. Ova valovitost nastala u ovom procesu ima karakteristiku kraćeg vremena pražnjenja i lako se filtrira, pa ih zbog tih karakteristika čine manjim za frekvencije za veće frekvencije takta.

Dakle, za bilo koju određenu valovitost, kondenzatori se mogu smanjiti. Maksimalna količina takta za sve praktične svrhe u integriranim krugovima obično se kreće u rasponu od stotina kHz.

Dickson pumpa za punjenje

Dicksonova pumpa za punjenje, također poznata kao Dicksonov multiplikator, sastoji se od kaskade diodnih / kondenzatorskih ćelija gdje impulsni vlak sata pokreće donju ploču svakog kondenzatora.

Smatra se da je sklop modifikacija Cockcroft-Waltonovog multiplikatora, ali uz jedinu iznimku komutacijskog signala koji daje istosmjerni ulaz s taktovima, umjesto AC ulaza, kao što je slučaj s Cockcroft-Waltonovim množiteljem.

Osnovni zahtjev Dicksonovog multiplikatora je da impulsi takta faza međusobno suprotstavljenih trebaju pokretati zamjenske stanice. Ali, u slučaju udvostručivača napona, prikazanog na slici 7, potreban je samo jedan satni signal, jer postoji samo jedan stupanj množenja.

Dickson pumpa za punjenje

Slika 7. Dickson-dvostruki napon pumpe za punjenje

Sklopovi u kojima se najčešće i često koriste Dicksonovi multiplikatori su integrirani krugovi u kojima je opskrbni napon kao iz bilo koje baterije manji od onoga što zahtijeva sklop.

Činjenica da su svi poluvodiči koji se ovdje koriste u osnovi su slični djeluje kao prednost za proizvođače integriranog kruga.

Standardni logički blok koji se najčešće nalazi i koristi u brojnim integriranim krugovima su MOSFET uređaji.

To je jedan od razloga zašto se diode često zamjenjuju tranzistorima ove vrste, ali su također povezane na funkciju u obliku diode.

Ovaj je raspored poznat i kao MOSFET ožičen diodom. Dijagram na slici 8 prikazuje Dicksonov udvostručivač napona koji koristi ovu vrstu MOSFET uređaja s poboljšanim n-kanalom s diodom.

Slika 8. Dicksonov udvostručivač napona pomoću MOSFET-ova ožičenih diodama

Osnovni oblik Dicksonove pumpe za punjenje pretrpio je mnoga poboljšanja i varijacije. Većina tih poboljšanja odnosi se na područje smanjenja učinka koji stvara tranzistorski napon odvoda. Ovo se poboljšanje smatra značajnim u slučaju da je ulazni napon mali kao u slučaju niskonaponske baterije.

Izlazni napon uvijek je integral višekratnika ulaznog napona (dva puta u slučaju udvostručivača napona) kada se koriste idealni preklopni elementi.

Ali u slučaju kada se jednoćelijska baterija koristi kao ulazni izvor zajedno s MOSFET prekidačima, izlaz je u takvim slučajevima daleko manji od ove vrijednosti jer će doći do pada napona na tranzistorima.

Zbog izuzetno malog pada napona u uključenom krugu koji koristi diskretne komponente, Schottky dioda se smatra dobrim izborom kao sklopni element.

No, dizajneri integriranih sklopova uglavnom preferiraju upotrebu MOSFET-a jer je lakše dostupan koji više nego kompenzira prisutnost nedostataka i visoku složenost u krugu koji je prisutan u MOSFET uređajima.

Da bismo to ilustrirali, uzmimo primjer: nominalni napon melodije od 1,5 V prisutan je u alkalnoj bateriji.

Izlaz u ovome može se udvostručiti na 3,0 V pomoću udvostručivača napona zajedno sa idealnim preklopnim elementima koji imaju pad napona od nule.

Ali pad napona odvodnog izvora MOSFET-a s diodnim ožičenjem kada je on uključen mora biti na minimumu jednakom naponskom pragu vrata, koji je obično u vrijednosti od 0,9 V.

Izlazni napon može se dvostrukim naponom uspješno podići samo za približno 0,6 V do 2,1 V.

Povećanje napona u krugu ne može se postići bez korištenja više stupnjeva u slučaju da se također uzme u obzir pad i pad na završnom tranzistoru za zaglađivanje.

S druge strane, naponski stupanj tipične Schottky diode iznosi 0,3 V. izlazni napon proizveden dvostrukim naponom bit će u rasponu od 2,7 V ako se koristi Schottky dioda, odnosno 2,4 V ako se koristi dioda za zaglađivanje.

Ukršteno spojeni kondenzatori

Preklopljeni sklopljeni kondenzatorski krugovi poznati su po tome što je ulazni napon vrlo nizak. Jednoćelijska baterija može biti potrebna u opremi koju pokreće bežična baterija, poput pejdžera i Bluetooth uređaja, kako bi se neprekidno napajala kad se isprazni na ispod volta.

Ukršteno spojeni kondenzatori

Slika 9. Umreživač napona s međusobno povezanim kondenzatorima

Tranzistor Q2 isključen je u slučaju da je sat nizak. Istodobno, tranzistor Q1 uključuje se ako je sat visok, što rezultira punjenjem kondenzatora C1 na napon Vn. gornja ploča C1 je gurnuta prema gore da udvostruči Vin u slučaju da Ø1 pređe uvis.

Da bi se ovaj napon mogao prikazati kao izlaz, sklopka S1 istovremeno se zatvara. Također, istovremeno se C2 smije puniti uključivanjem Q2.

Uloge komponenata obrnute su u sljedećem poluciklusu: Ø1 će biti nizak, S1 će se otvoriti, Ø2 će biti visok i S2 će se zatvoriti.

Tako se alternativno sa svake strane kruga, izlazni napon napaja s 2Vin. gubitak nastao u ovom krugu je nizak jer nedostaju MOSFET-ovi ožičeni diodama i s njim povezani problemi s pragom napona.

Jedna od ostalih prednosti kruga je što udvostručuje frekvenciju valovanja, jer su prisutna dva udvostručivača napona koji učinkovito opskrbljuju izlaz iz faznih satova.

Osnovni nedostatak ovog kruga je taj što je utvrđeno da su zalutali kapaciteti Dickinsonovog umnožitelja mnogo manje značajni od ovog kruga i da na taj način predstavljaju najveći dio gubitaka koji nastaju u ovom krugu.

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




Prethodno: LED svjetiljka od 10/12 W s adapterom od 12 V Dalje: Upotreba hladnjaka od aluminijske trake za LED diode visoke snage umjesto PCB-a