Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Умножитель каскадного напряжения Виллара.

Умножитель напряжения является электрическая схема , которая преобразует напряжение переменного электрического питания от более низкого напряжения до более высокого напряжения постоянного тока, как правило , с использованием сети конденсаторов и диодов .

Умножители напряжения могут использоваться для генерации от нескольких вольт для электронных приборов до миллионов вольт для таких целей, как эксперименты по физике высоких энергий и тестирование молниезащиты. Наиболее распространенный тип умножителя напряжения - это умножитель полуволнового ряда, также называемый каскадом Виллара (но фактически изобретенный Генрихом Грайнахером ).

Операция [ править ]

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

Иллюстрация описанной работы при + U s = 100 В
  1. отрицательный пик (-U s ): конденсатор C 1 заряжается через диод D 1 до U s  V ( разность потенциалов между левой и правой пластинами конденсатора составляет U s )
  2. положительный пик (+ U s ): потенциал C 1 складывается с потенциалом источника, таким образом заряжая C 2 до 2U s через D 2
  3. отрицательный пик: потенциал C 1 упал до 0 В, что позволяет заряжать C 3 через D 3 до 2U s .
  4. положительный пик: потенциал C 2 повышается до 2U с (аналогично шагу 2), также заряжается C 4 до 2U с . Выходное напряжение (сумма напряжений ниже C 2 и C 4 ) повышается до 4U s .

На самом деле, чтобы C 4 достиг полного напряжения , требуется больше циклов . Каждый дополнительный каскад из двух диодов и двух конденсаторов увеличивает выходное напряжение вдвое по сравнению с пиковым напряжением питания переменного тока.

Удвоитель и тройник напряжения [ править ]

См. Также: Удвоитель напряжения
Коккрофт-Уолтон удвоением напряжения цепи. Он генерирует выходное напряжение постоянного тока V o, в два раза превышающее размах входного напряжения переменного тока V i.

Удвоитель напряжения использует два каскада, чтобы примерно удвоить напряжение постоянного тока, которое было бы получено от одноступенчатого выпрямителя . Пример удвоителя напряжения можно найти во входном каскаде импульсных источников питания, содержащих переключатель SPDT для выбора источника питания 120 В или 240 В. В положении 120 В вход обычно конфигурируется как двухполупериодный удвоитель напряжения путем размыкания 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 подключая провод центрального отвода конденсатора к разомкнутой клемме переменного тока системы мостового выпрямителя. Это позволяет работать на 120 или 240 В с добавлением простого переключателя SPDT.

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

Триплеры обычно использовались в приемниках цветного телевидения для обеспечения высокого напряжения электронно-лучевой трубки (ЭЛТ, кинескоп).

Триплеры по-прежнему используются в источниках высокого напряжения, таких как копировальные аппараты , лазерные принтеры , устройства защиты от насекомых и электрошоковое оружие .

Напряжение пробоя [ править ]

Хотя умножитель может использоваться для выработки выходных сигналов в тысячи вольт, отдельные компоненты не обязательно должны быть рассчитаны на выдерживание всего диапазона напряжений. Каждому компоненту необходимо учитывать только относительные разности напряжений непосредственно на его собственных клеммах и на компонентах, непосредственно прилегающих к нему.

Обычно умножитель напряжения будет физически устроен как лестница, так что постепенно увеличивающийся потенциал напряжения не дает возможности дуги на участках цепи с гораздо более низким потенциалом.

Обратите внимание, что необходим некоторый запас прочности во всем относительном диапазоне разностей напряжений в умножителе, чтобы лестница могла выдержать короткое замыкание по крайней мере одного диода или компонента конденсатора. В противном случае одноточечное короткое замыкание может привести к последовательному перенапряжению и разрушению каждого следующего компонента в умножителе, потенциально разрушив всю цепочку умножителя.

Другие топологии схем [ править ]

Два каскада управляются одним трансформатором с центральным отводом. Эта конфигурация обеспечивает двухполупериодное выпрямление, что снижает пульсации, а при любом коллапсе из-за дуги может подавляться емкостная энергия.
Штабелирование
Второй каскад наложен на первый, управляемый второй вторичной обмоткой, изолированной от высокого напряжения. Вторая обмотка соединена с фазовым сдвигом 180 °, чтобы получить двухполупериодное выпрямление. Обе обмотки необходимо изолировать от высокого напряжения между ними.
Одна вторичная обмотка трансформатора управляет двумя каскадами противоположной полярности одновременно. Объединение двух каскадов обеспечивает выходное напряжение в два раза большее, но с лучшими характеристиками пульсации и заряда конденсатора, чем можно было бы достичь с помощью одного длинного каскада с таким же напряжением.

В любом столбце используется четное количество диодно-конденсаторных ячеек, так что каскад заканчивается на сглаживающей ячейке. Если бы он был нечетным и заканчивался на фиксирующей ячейке, пульсации напряжения были бы очень большими. Конденсаторы большего размера в соединительной колонке также уменьшают пульсации, но за счет времени зарядки и увеличения тока диода.

Зарядный насос Диксона [ править ]

Стандартный зарядный насос Диксона (4 ступени: 5-кратный множитель)

Диксона заряда насоса , или Диксона мультипликатора , является модификацией множителя Greinacher / Коккрофт-Walton . Однако, в отличие от этой схемы, умножитель Диксона принимает на входе источник постоянного тока, поэтому является формой преобразователя постоянного тока . Кроме того, в отличие от Greinacher / Cockcroft – Walton, который используется в высоковольтных приложениях, умножитель Диксона предназначен для низковольтных целей. В дополнение к входу постоянного тока схема требует подачи двух последовательностей тактовых импульсов с разной амплитудой между шинами питания постоянного тока. Эти последовательности импульсов находятся в противофазе. [1]

Для того, чтобы описать работу идеала цепи, количество диодов D1, D2 и т.д. слева направо , и конденсаторы С1, С2 и т.д. Когда часы низкие, D1 будет взимать плату C1- V в . Когда идет высоко верхняя пластина из С1 проталкивается до 2 V в . D1 , затем выключается и D2 включается и С2 начинает заряд до 2 V в . На следующем цикле тактовой синхронизации снова переходит на низкий уровень , и теперь переходит на высокий уровень толкает верхнюю пластину С2 до 3 V в . D2 выключается, а D3 включается, заряжая C3 до 3 В на входе и так далее с зарядом, проходящим вверх по цепи, отсюда и название « насос заряда».. Конечная диодно-конденсаторная ячейка в каскаде соединена с землей, а не с фазой синхронизации, и, следовательно, не является умножителем; это пиковый детектор, который просто обеспечивает сглаживание . [2]

Есть ряд факторов, которые уменьшают выходную мощность в идеальном случае nV in . Одно из них - это пороговое напряжение коммутирующего устройства V T , то есть напряжение, необходимое для его включения. Выходная мощность будет уменьшена как минимум на нВ Тл из-за падения напряжения на переключателях. Диоды Шоттки обычно используются в умножителях Диксона из-за их низкого прямого падения напряжения, среди других причин. Другая трудность заключается в том, что в каждом узле есть паразитные емкости относительно земли. Эти паразитные емкости действуют как делители напряжения, а накопительные конденсаторы схемы еще больше снижают выходное напряжение. [3] До определенного момента более высокая тактовая частота полезна: пульсации уменьшаются, а высокая частота облегчает фильтрацию оставшейся пульсации. Также уменьшается размер необходимых конденсаторов, поскольку за один цикл необходимо хранить меньше заряда. Однако потери из-за паразитной емкости увеличиваются с увеличением тактовой частоты, и практический предел составляет около нескольких сотен килогерц. [4]

Накачка заряда Диксона с использованием полевых МОП-транзисторов с диодной связью (4 ступени: 5-кратный умножитель)

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

Накачка заряда Диксона с линейным МОП-транзистором, подключенным параллельно с МОП-транзистором с диодной связью (4 ступени: 5-кратный множитель)

Версия умножителя Диксона с диодными полевыми МОП-транзисторами не очень хорошо работает при очень низких напряжениях из-за больших падений напряжения сток-исток полевых МОП-транзисторов. Часто для решения этой проблемы используется более сложная схема. Одно из решений - подключить параллельно переключающему полевому МОП-транзистору другой полевой МОП-транзистор, смещенный в его линейную область. Этот второй МОП-транзистор имеет более низкое напряжение сток-исток, чем переключающий МОП-транзистор сам по себе (потому что 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 отключается, пока следующий каскад заряжается от конденсатора предыдущего каскада. То есть транзистор с линейным смещением выключается одновременно с переключающим транзистором. [6]

Идеально подходит 4-ступенчатый Диксон умножитель (5 × множитель) с входом 1,5 V будет иметь выход 7,5 V . Однако диод-проводной МОП - 4-ступенчатый умножитель может иметь только выход 2 V . Добавление параллельных МОП - транзисторов в линейной области улучшает это около 4 V . Более сложные схемы все же могут обеспечить выход, намного более близкий к идеальному. [7]

Существует множество других вариаций и улучшений базовой схемы Диксона. Некоторые пытаются уменьшить пороговое напряжение переключения, такие как множитель Мандала-Сарпешкара [8] или множитель Ву. [9] Другие схемы нейтрализуют пороговое напряжение: умножитель Umeda делает это с помощью внешнего напряжения [10], а умножитель Накамото - с внутренним напряжением. [11] Множитель Бержере сконцентрирован на максимизации энергоэффективности. [12]

Модификация для мощности RF [ править ]

Модифицированный зарядовый насос Диксона (2 ступени: 3 × множитель)

В интегральных схемах КМОП тактовые сигналы легко доступны или легко генерируются. Это не всегда так в интегральных схемах RF , но часто источник RF мощности будет доступен. Стандартная схема умножителя Диксона может быть модифицирована для удовлетворения этого требования путем простого заземления нормального входа и одного из входов часов. ВЧ-мощность подается на другой вход синхронизации, который затем становится входом схемы. Радиочастотный сигнал является не только источником энергии, но и часами. Однако, поскольку тактовые импульсы вводятся только в каждый другой узел, в схеме достигается только этап умножения для каждой второй ячейки диод-конденсатор. Другие диодно-конденсаторные ячейки просто действуют как детекторы пиков и сглаживают пульсации без увеличения умножения. [13]

Конденсатор с перекрестной связью [ править ]

Каскад удвоителей напряжения на полевых МОП-транзисторах с перекрестной связью (3 ступени: 4-кратный умножитель)

Умножитель напряжения может быть сформирован из каскада удвоителей напряжения типа перекрестно связанных переключаемых конденсаторов . 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 транзисторах с диодной связкой становится намного более значительным по сравнению с выходным напряжением. Поскольку транзисторы в схеме с перекрестной связью не являются диодными, проблема падения напряжения не столь серьезна. [14]

Схема работает, попеременно переключая выход каждой ступени между удвоителем напряжения, управляемым и управляемым . Такое поведение приводит к другому преимуществу по сравнению с умножителем Диксона: уменьшению пульсаций напряжения при удвоенной частоте. Увеличение частоты пульсаций выгодно, потому что их легче удалить с помощью фильтрации. Каждый каскад (в идеальной схеме) увеличивает 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 nV в. Основной причиной потерь в схеме с перекрестной связью является паразитная емкость, а не пороговое напряжение переключения. Потери возникают из-за того, что часть энергии должна идти на зарядку паразитных емкостей в каждом цикле. [15]

Приложения [ править ]

ТВ-каскад (зеленый) и обратноходовой трансформатор (синий).

В источниках высокого напряжения для ЭЛТ часто используются умножители напряжения со сглаживающим конденсатором конечной ступени, образованным внутренним и внешним аквадагным покрытием на самом ЭЛТ. ЭЛТ раньше были обычным компонентом телевизоров. Умножители напряжения до сих пор можно найти в современных телевизорах, копировальных аппаратах и устройствах защиты от насекомых . [16]

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

Распространенным типом умножителя напряжения, используемым 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 [ править ]

  • Генератор Маркса (устройство, которое использует искровые разрядники вместо диодов в качестве переключающих элементов и может обеспечивать более высокие пиковые токи, чем диоды).

Примечания [ править ]

  1. ^ Лю, стр. 226
    • Юань, стр. 14
  2. ↑ Лю, стр. 226–227
  3. ↑ Юань, стр. 13–14
    Лю | 2006, стр. 227–228
  4. ^ Peluso et al. , п. 35 год
    • Zumbahlen, p. 741
  5. ↑ Лю, стр. 226–228
    • Юань, стр. 14
  6. ↑ Лю, стр. 228–230
    • 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.
  14. ^ Кампардо и др. , стр. 377–379
    • Лю, стр. 232–235.
    • Линь, с. 81 год
  15. ^ Кампардо и др. , п. 379
    • Лю, стр. 234
  16. ^ Макгоуэн, стр. 87

Библиография [ править ]

  • Кампардо, Джованни; Микелони, Рино; Новосел, Дэвид СБИС-дизайн энергонезависимых воспоминаний , Springer, 2005 ISBN  3-540-20198-X .
  • Лин, Юй-Шианг Схемы малой мощности для миниатюрных сенсорных систем , Издательство ProQuest, 2008 ISBN 0-549-98672-3 . 
  • Лю, Mingliang проясняет схемы коммутируемых конденсаторов , Newnes, 2006 ISBN 0-7506-7907-7 . 
  • Макгоуэн, Кевин, Полупроводники: от книги до макета , Cengage Learning, 2012 ISBN 1133708382 . 
  • Пелузо, Винченцо; Steyaert, Michiel; Сансен, Вилли М.К. Конструкция низковольтных маломощных КМОП-дельта-сигма аналого- цифровых преобразователей , Springer, 1999 ISBN 0-7923-8417-2 . 
  • Юань, Фэй КМОП-схемы для пассивных беспроводных микросистем , Springer, 2010 ISBN 1-4419-7679-5 . 
  • Zumbahlen, Hank Linear Circuit Design Handbook , Newnes, 2008 ISBN 0-7506-8703-7 . 

Внешние ссылки [ править ]

  • Базовые схемы умножителя
  • Множители Кокрофта-Уолтона
  • Схема марки Kadette (International Radio Corp.) модели 1019 . Радиоприемник 1937 года с ламповым выпрямителем-умножителем напряжения (25Z5).