Удвоитель напряжения представляет собой электронную схему , которая заряжает конденсаторы от входного напряжения и переключает эти заряды таким образом , что, в идеальном случае, ровно в два раза напряжение получают на выходе , как на его входе.
Самая простая из этих схем представляет собой форму выпрямителя, который принимает переменное напряжение в качестве входа и выдает удвоенное постоянное напряжение. Переключающие элементы представляют собой простые диоды, и их переключение приводится в действие просто переменным напряжением на входе. Удвоители напряжения постоянного тока не могут переключаться таким образом и требуют схемы управления для управления переключением. Для них также часто 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 схемы умножителя напряжения . Многие, но не все схемы удвоителя напряжения можно рассматривать как одиночный каскад умножителя более высокого порядка: каскадирование идентичных каскадов вместе обеспечивает большее умножение напряжения.
Выпрямители с удвоением напряжения
Автодром Виллар
Схема Вилларда , задуманная Полем Ульрихом Виллардом , [стр. 1] состоит просто из конденсатора и диода. Несмотря на то, что он имеет большое преимущество в простоте, его выходной сигнал имеет очень плохие характеристики пульсации . По сути, схема представляет собой схему диодного зажима . Конденсатор заряжается за отрицательные полупериоды до пикового напряжения переменного тока ( V pk ). Выход представляет собой суперпозицию входного сигнала переменного тока и постоянного постоянного тока конденсатора. Эффект схемы заключается в смещении значения постоянного тока формы волны. Отрицательные пики формы волны переменного тока «фиксируются» диодом до 0 В (фактически - V F , небольшое прямое напряжение смещения диода), поэтому положительные пики выходной волны составляют 2 В пик . Пульсации от пика до пика огромная 2 V рк и не могут быть сглажены , если схема не будет эффективно превращена в одну из более сложных форм. [1] Это схема (с перевернутым диодом), используемая для подачи отрицательного высокого напряжения на магнетрон в микроволновой печи.
Трасса Грайнахера
Greinacher удвоитель напряжения является существенным улучшением по сравнению с схемой Villard за небольшую плату в дополнительных компонентах. Пульсации значительно уменьшаются, номинально они равны нулю в условиях нагрузки разомкнутой цепи, но время прохождения тока зависит от сопротивления нагрузки и номинала используемых конденсаторов. Схема работает, следуя за каскадом ячейки Виллара с тем, что по сути является пиковым детектором или каскадом 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. [2]
Эта схема была впервые изобретена Генрихом Грайнахером в 1913 г. (опубликовано в 1914 г. [стр. 2] ) для обеспечения 200–300 В, необходимых для его недавно изобретенного ионометра , при этом 110 В переменного тока, подаваемого электростанциями Цюриха, в то время было недостаточно. [3] Позже он расширил эту идею до каскада умножителей в 1920 году. [P 3] [4] [p 4] Этот каскад ячеек Грейнахера часто неточно называют каскадом Виллара. Она также называется Кокрофта-Уолтона умножитель после ускорителя частиц машины , построенной Джоном Кокрофтом и Эрнест Уолтон , который независимо друг от друга обнаружили цепь в 1932 году [р 5] [5] Концепция в этой топологии может быть расширена на схему напряжения учетверителя с помощью двух ячеек Грейнахера противоположной полярности, питаемых от одного и того же источника переменного тока. Выходной сигнал поступает на два отдельных выхода. Как и в случае с мостовой схемой, невозможно одновременно заземлить вход и выход этой схемы. [6]
Схема Делона
Схема Делона использует мостовую топологию для удвоения напряжения; [стр. 6], следовательно, его также называют двухполупериодным удвоителем напряжения. [2] Эта форма схемы одно время обычно использовалась в телевизорах с электронно-лучевой трубкой, где она использовалась для обеспечения питания сверхвысокого напряжения (EHT). Генерация напряжения свыше 5 кВ с помощью трансформатора имеет проблемы с безопасностью с точки зрения бытового оборудования и в любом случае неэкономична. Однако для черно-белых телевизоров требовалось напряжение 10 кВ, а для цветных - даже больше. Удвоители напряжения использовались либо для удвоения напряжения на обмотке eht сетевого трансформатора, либо подавались на форму волны на катушках обратного хода линии . [7]
Схема состоит из двух полуволновых пиковых детекторов, работающих точно так же, как и пиковая ячейка детектора в цепи Грейнахера. Каждая из двух ячеек пикового детектора работает на противоположных полупериодах входящего сигнала. Поскольку их выходы включены последовательно, выходное напряжение вдвое превышает пиковое входное напряжение.
Коммутируемые конденсаторные схемы
Можно использовать описанные выше простые диодно-конденсаторные схемы, чтобы удвоить напряжение источника постоянного тока, предварительно установив удвоитель напряжения с помощью схемы прерывателя . Фактически, это преобразует постоянный ток в переменный перед подачей на удвоитель напряжения. [8] Более эффективные схемы могут быть построены путем управления переключающими устройствами от внешних часов так, чтобы обе функции, прерывание и умножение, выполнялись одновременно. Такие схемы известны как схемы с переключаемыми конденсаторами . Этот подход особенно полезен в приложениях с низковольтным батарейным питанием, где интегральным схемам требуется более высокое напряжение, чем может обеспечить батарея. Часто тактовый сигнал легко доступен на плате интегральной схемы, и для его генерации требуется мало или не требуется дополнительных схем. [9]
Концептуально, возможно, самая простая конфигурация переключаемого конденсатора схематически показана на рисунке 5. Здесь два конденсатора одновременно заряжаются до одинакового напряжения параллельно. Затем питание отключается, и конденсаторы включаются последовательно. Выходной сигнал берется через два последовательно соединенных конденсатора, в результате чего выходное напряжение вдвое превышает напряжение питания. В такой схеме можно использовать множество различных переключающих устройств, но в интегральных схемах часто используются полевые МОП-транзисторы . [10]
Другой основной концепцией является подкачка заряда , вариант которой схематично показан на рисунке 6. Конденсатор накачки заряда C P сначала заряжается до входного напряжения. Затем он переключается на зарядку выходного конденсатора C O последовательно с входным напряжением, в результате чего C O в конечном итоге заряжается до удвоенного входного напряжения. Это может занять несколько циклов до того , как заряд насоса удается полностью зарядки C O , но после того, как стационарное состояние было достигнуто необходимо только для С Р перекачивать небольшое количество заряда , эквивалентной , что подается на нагрузку от C O . Пока C O отключен от зарядного насоса, он частично разряжается в нагрузку, что приводит к колебаниям выходного напряжения. Эта пульсация меньше для более высоких тактовых частот, поскольку время разряда короче, а также ее легче фильтровать. В качестве альтернативы, конденсаторы можно сделать меньшего размера для заданных характеристик пульсации. Практическая максимальная тактовая частота в интегральных схемах обычно составляет сотни килогерц. [11]
Зарядный насос Диксона
Накачка заряда Диксона, или умножитель Диксона , состоит из каскада диодно-конденсаторных ячеек с нижней пластиной каждого конденсатора, управляемой последовательностью тактовых импульсов . [стр. 7] Схема является модификацией умножителя Кокрофта-Уолтона, но использует вход постоянного тока с последовательностями тактовых импульсов, обеспечивающими сигнал переключения вместо входа переменного тока. Умножитель Диксона обычно требует, чтобы чередующиеся ячейки управлялись тактовыми импульсами противоположной фазы. Однако, поскольку для удвоителя напряжения, показанного на рисунке 7, требуется только один каскад умножения, требуется только один тактовый сигнал. [12]
Умножитель Диксона часто используется в интегральных схемах, где напряжение питания (например, от батареи) ниже, чем требуется для схемы. При изготовлении 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 они подключены для работы в качестве диода - конструкция, называемая MOSFET с диодной проводкой. На рисунке 8 показан удвоитель напряжения Диксона, использующий полевые МОП-транзисторы с n-канальным соединением с диодной проводкой. [13]
Существует множество вариаций и улучшений основного зарядного насоса Диксона. Многие из них связаны с уменьшением влияния напряжения сток-исток транзистора. Это может быть очень важным, если входное напряжение небольшое, например, от низковольтной батареи. При идеальных переключающих элементах выход является целым кратным входу (два для удвоителя), но с одноэлементной батареей в качестве источника входа и переключателями MOSFET выход будет намного меньше этого значения, поскольку большая часть напряжения будет падать. через транзисторы. Для схемы, использующей дискретные компоненты, диод Шоттки был бы лучшим выбором переключающего элемента из-за его чрезвычайно низкого падения напряжения во включенном состоянии. Однако разработчики интегральных схем предпочитают использовать легкодоступный полевой МОП-транзистор и компенсируют его недостатки повышенной сложностью схемы. [14]
В качестве примера, щелочные батареи ячейка имеет номинальное напряжение 1,5 В . Напряжение удвоителя используя идеальные переключающие элементы с нулевым напряжением выходного падения удвоит это, а именно 3.0 V . Тем не менее, сток-исток падение напряжения на диодном-проводной MOSFET , когда он находится во включенном состоянии должен быть по крайней мере, пороговое напряжение затвора , который может быть , как правило , 0,9 В . [15] Это напряжение «дублер» будет успешным только в повышении выходного напряжения примерно на 0,6 В до 2,1 В . Если также принять во внимание падение напряжения на конечном сглаживающем транзисторе, возможно, схема вообще не сможет повысить напряжение без использования нескольких каскадов. Типичный диод Шоттки, с другой стороны, может иметь от состояния напряжения 0,3 V . [16] Удвоитель, использующий этот диод Шоттки, даст напряжение 2,7 В или 2,4 В на выходе после сглаживающего диода . [17]
Перекрестно-коммутируемые конденсаторы
Схемы с перекрестной коммутацией конденсаторов отлично подходят для очень низких входных напряжений. Для беспроводного оборудования с батарейным питанием, такого как пейджеры, устройства Bluetooth и т.п., может потребоваться одноэлементный аккумулятор для продолжения подачи энергии, когда он разряжен до уровня ниже напряжения. [18]
Когда часы Низкий уровень транзистора Q 2 выключен. В то же время часывысокий уровень при включении транзистора Q 1, в результате чего конденсатор C 1 заряжается до напряжения V in . Когдаидет высоко верхняя пластина C 1 выталкивается в два раза V в . При этом переключатель S 1 замыкается, и это напряжение появляется на выходе. В то же время Q 2 включается, позволяя C 2 заряжаться. В следующем полуцикле роли поменяются местами: будет низким, будет высоким, S 1 откроется, а S 2 закроется. Таким образом, выходной сигнал подается с 2 - V в поочередно с каждой стороны контура. [19]
Потери в этой схеме низкие, потому что нет полевых МОП-транзисторов с диодной проводкой и связанных с ними проблем с пороговым напряжением. Схема также имеет то преимущество, что частота пульсаций удваивается, потому что фактически имеется два удвоителя напряжения, оба из которых подают выходной сигнал синхронизирующих импульсов, не совпадающих по фазе. Основным недостатком этой схемы является то, что паразитные емкости намного более значительны, чем у умножителя Диксона, и составляют большую часть потерь в этой схеме. [20]
Смотрите также
- Повышающий преобразователь
- Понижающий-повышающий преобразователь
- Преобразователь постоянного тока в постоянный
- Обратный преобразователь
Рекомендации
- ^ Kind & Фезер 2001 , стр. 28 год
- ^ а б
- Эрл Гейтс (2011). Введение в электронику . Cengage Learning. С. 283–284. ISBN 1-111-12853-7.
- Джеймс Ф. Кокс (2002). Основы линейной электроники: интегральная и дискретная . Cengage Learning. С. 42–43. ISBN 0-7668-3018-7.
- Роберт Диффендерфер (2005). Электронные устройства: системы и приложения . Cengage Learning. п. 135. ISBN 1-4018-3514-7.
- ^ Мехра, стр. 284
- ^ Kind & Фезер 2001 , стр. 29
- ^ Kind & Фезер 2001 , стр. 30
- Перейти ↑ Ryder 1970 , p. 107
- ^ Kories и Шмидт-Вальтер, p.615
Миллман и Halkias, стр. 109
Wharton and Howorth, стр. 68–69. - ^ МакКомб, pp.148-150
- Перейти ↑ Liu 2006 , pp. 225–226
- ↑ Ахмед, стр.164.
- ^ Zumbahlen, p.741
- ↑ Лю 2006 , стр. 226
Юань, стр. 13-14 - ↑ Лю 2006 , стр. 226
юаней, стр.14 - ^ Liu 2006 , стр. 228-232
Yuan, 14-21 - ^ Liou et al. , стр.185
- Перейти ↑ Bassett & Taylor 2003 , p. 17/27
- ↑ Юань, стр.17
- ^ Peluso et al. ,стр. 36–37.
Лю 2006 , стр. 232–234. - ^ Кампардо и др. , стр.377
Peluso et al. , стр.36
Лю 2006 , стр. 234 - ^ Peluso et al. , стр.36
Лю 2006 , стр. 234
Библиография
- Ахмед, Сайед Имран Методы проектирования и улучшения конвейерных АЦП , Springer, 2010 г. ISBN 90-481-8651-X .
- Bassett, RJ; Taylor, PD (2003), «17. Power Semiconductor Devices», Справочник инженера-электрика , Newnes, стр. 17 / 1–17 / 37, ISBN 0-7506-4637-3
- Кампардо, Джованни; Микелони, Рино; Новосел, Дэвид СБИС-дизайн энергонезависимых воспоминаний , Springer, 2005 г. ISBN 3-540-20198-X .
- Добрый, Дитер; Фезер, Курт (2001), переводчик Я. Нараяна Рао (редактор), Высоковольтные методы испытаний , Newnes, ISBN 0-7506-5183-0
- Кори, Ральф; Шмидт-Вальтер, Heinz Taschenbuch der Elektrotechnik: Grundlagen und Elektronik , Deutsch Harri GmbH, 2004 ISBN 3-8171-1734-5 .
- Liou, Juin J .; Ортис-Конде, Адельмо; Гарсиа-Санчес, Ф. Анализ и разработка полевых МОП-транзисторов , Springer, 1998 г. ISBN 0-412-14601-0 .
- Лю, Минлян (2006), Демистификация схем переключаемых конденсаторов , Newnes, ISBN 0-7506-7907-7
- Маккомб, золотая жила Гордона Гордона МакКомба! , McGraw-Hill Professional, 1990 г. ISBN 0-8306-3360-X .
- Mehra, J; Рехенберг, Х. Историческое развитие квантовой теории , Springer, 2001. ISBN 0-387-95179-2 .
- Миллман, Джейкоб; Халкиас, Christos C. Integrated Electronics , McGraw-Hill Kogakusha, 1972 г. ISBN 0-07-042315-6 .
- Пелузо, Винченцо; Steyaert, Michiel; Сансен, Вилли М.К. Разработка низковольтных маломощных КМОП дельта-сигма аналого-цифровых преобразователей , Springer, 1999 г. ISBN 0-7923-8417-2 .
- Райдер, Дж. Д. (1970), Основы электроники и приложения , Pitman Publishing, ISBN 0-273-31491-2
- Wharton, W .; Ховорт, Д. Принципы приема на телевидении , Pitman Publishing, 1971 г. ISBN 0-273-36103-1 .
- Юань, Фэй КМОП-схемы для пассивных беспроводных микросистем , Springer, 2010 г. ISBN 1-4419-7679-5 .
- Zumbahlen, Hank Linear Circuit Design Handbook , Newnes, 2008. ISBN 0-7506-8703-7 .
Основные источники
- ^ Виллар, П. (1901), «Преобразователь высокого напряжения. Катодный предохранитель» [Высоковольтный трансформатор. Катодный усилитель напряжения], Journal de Physique Théorique et Appliquée , 4-я серия (на французском языке), 10 : 28–32, doi : 10.1051 / jphystap: 019010010002801. Бустер Вильярда показан на рис. 1 на стр. 31.
- ^ Грайнахер, Х. (1914), "Das Ionometer und seine Verwendung zur Messung von Radium- und Röntgenstrahlen" [Ионометр и его применение для измерения радиевых и рентгеновских лучей], Physikalische Zeitschrift (на немецком языке), 15 : 410– 415. Удвоитель напряжения Грейнахера представлен на рис. 4 на стр. 412. Он использовал химические (электролитические) выпрямители, которые обозначаются буквой «Z» ( Zellen , элементы).
- ^ Грайнахер, Х. (1921), «Über eine Methode, Wechselstrom mittels elektrischer Ventile und Kondensatoren in hochgespannten Gleichstrom umzuwandeln» [О методе преобразования переменного тока через электрические диоды и конденсаторы в высоковольтный постоянный ток], Zeitschrift für Physik ( немецкий), 4 (2): 195-205, DOI : 10.1007 / bf01328615
- ↑ В 1919 году, за год до того, как Грайнахер опубликовал свой умножитель напряжения, немец Мориц Шенкель опубликовал многоступенчатый умножитель напряжения.
- Шенкель, Мориц (10 июля 1919 г.), «Eine neue Schaltung für die Erzeugung hoher Gleichspannungen» [Новая схема для создания высокого постоянного напряжения], Elektrotechnische Zeitschrift (на немецком языке), 40 (28): 333–344
- Краткая версия статьи Шенкеля - с иллюстрацией схемы - появилась в: «Eine neue Schaltung für die Erzeugung hoher Gleichspannungen», Polytechnische Schau , 334 : 203-204 (1919). Доступно в Интернете по адресу: Политехнический журнал .
- ^ Кокрофт, Дж. Д .; Уолтон, ETS (1932), «Эксперименты с высокоскоростными положительными ионами. (1) Дальнейшее развитие метода получения высокоскоростных положительных ионов», Proceedings of the Royal Society A , 136 : 619-630, doi : 10.1098 / rspa. 1932.0107
- ↑ Жюль Делон (1876-1941) был инженером французской компании Société française des câbles électriques Berthoud-Borel . Он использовал механический выпрямитель, в основе которого лежал вращающийся коммутатор ( контактный жгут ).
- Его аппарат был выставлен на выставке Exposition d'électricité 1908 года в Марселе, Франция: Жорж Тарди (15 августа 1908 г.) «Контактный турне по французскому обществу электрических кабелей системы Бертуд-Борель» , L'Electricien: Revue Internationale de l'Electricité et de ses Applications , 2-я серия, 36 (920): 97-98. (В статье есть фотография машины.) Оборудование использовалось для проверки изоляции высоковольтных коммерческих линий электропередач.
- Работа мостового выпрямителя Делона также объясняется (со схемой) в: Э. фон Рзиха и Йозеф Зайденер , Starkstromtechnik: Taschenbuch für Elektrotechniker (Сильноточные технологии: Карманный справочник для инженеров-электриков), 5-е изд., Т. 1, (Берлин, Германия: Wilhelm Ernst & Sohn, 1921), страницы 710-711.
- Имя и даты Делона указаны в: Friedrich Heilbronner, Internationale Liste von Elektrotechnikern (2013) , стр. 14-15. Краткий некролог Жюля Делона, Technica (Журнал Association des anciens eleves de l'ecole centrale Lyonnaise (Ассоциация выпускников Центральной школы Лиона)), 2-я серия, no. 25, стр. 24 (декабрь 1941 г.). Доступно в Интернете по адресу: Technica. См. Также патенты Делона в США № 1,740,076, нет. 1 837 952 и нет. 1,995,201.
- ^ Диксон, Джон Ф. (июль 1976 г.), «Генерация высокого напряжения на кристалле в интегральных схемах MNOS с использованием усовершенствованной методики умножения напряжения», IEEE Journal of Solid-State Circuits , 11 (3): 374–378, DOI : 10.1109 /jssc.1976.1050739