Razloženi tokokrožni multiplikatorji

Preizkusite Naš Instrument Za Odpravo Težav





Naprava z elektronskim vezjem, ki se uporablja za povečanje napetosti do 2x reda s polnjenjem kondenzatorjev iz nižje vhodne napetosti, je znana kot dvojnik napetosti.

Polnilni tok se preklopi tako, da je v vsakem idealnem primeru napetost, ki nastane na izhodu, natančno dvakrat večja od napetosti na vhodu.



Najenostavnejši napetostni multiplikator z diodami

Najenostavnejša oblika vezje dvojnega napetosti so vrsta usmernika, ki sprejme vhod v obliki izmenične napetosti (AC) in kot izhod ustvari dvojno velikost (DC) napetosti.

Preproste diode se uporabljajo kot preklopni elementi, vhod v obliki zgolj izmenične napetosti pa se uporablja za pogon teh diod v preklopnem stanju.



Za nadzor preklopne hitrosti je potreben dodaten pogonski krog, če so uporabljeni dvojni napetostni napetosti enosmernega na enosmerni tok, ker jih ni mogoče preklopiti na zgornji način.

Vezja pretvornika enosmernega v enosmerni tok večino časa zahtevajo še eno dodatno napravo, imenovano preklopni element, ki jo je mogoče enostavno in neposredno krmiliti, na primer v tranzistorju.

Ko torej uporablja stikalni element, ni treba, da je odvisen od napetosti na stikalu, kot je to v preprosti obliki izmeničnega in enosmernega toka.

Podvojitelj napetosti je vrsta vezja napetostnega pomnoževalnika. Večino tokokrogov z dvojnimi napetostmi je z nekaj izjemami mogoče videti v obliki multiplikatorja višjega reda na eni stopnji. Prav tako je večje število množenja napetosti doseženo, kadar obstajajo kaskadno enake stopnje, ki se uporabljajo skupaj.

Krog Villard

Vezje Villard ima preprosto sestavo, sestavljeno iz diode in kondenzatorja. Po eni strani, kjer Villardovo vezje prinaša koristi z vidika preprostosti, je po drugi strani znano tudi, da daje izhod, ki ima značilnosti valovanja, ki veljajo za zelo slabe.

vezje multiplikatorja napetosti vilarda

Slika 1. Vilardovo vezje

V bistvu je vezje Villard oblika vezja diode. Negativni visoki cikli se uporabljajo za polnjenje kondenzatorja do izmenične napetosti (Vpk). Izhod ustvarja valovna oblika izmeničnega toka kot vhod in enakomerna enosmerna superpozicija kondenzatorja.

Vrednost enosmerne napetosti valovne oblike se premakne z uporabo učinka vezja na njej. Ker dioda pritrdi negativne vrhove AC valovne oblike na vrednost 0V (v resnici je –VF, kar je majhna napetost prednapetosti diode naprej), so pozitivni vrhovi izhodne valovne vrednosti 2Vpk.

Vrh do vrha je težko zgladiti, saj ima ogromno velikost 2Vpk, zato ga je mogoče zgladiti šele, ko se vezje na učinkovit način spremeni v druge bolj izpopolnjene oblike.

Negativna visoka napetost se napaja na magnetron z uporabo tega vezja (ki je sestavljeno iz diode v obratni obliki) v mikrovalovni pečici.

Greinacherjevo vezje

Greinarcherjev podvojitelj napetosti se je izkazal za boljšega od vezja Villard, saj se je z majhnimi stroški znatno izboljšal z dodatnimi komponentami.

V pogojih obremenitve z odprtim krogom se ugotovi, da se valovanje zelo zmanjša, največkrat v stanje nič, toda upor obremenitve in vrednost uporabljenega kondenzatorja igrata pomembno vlogo in vplivata na tok se črpa.

Greinacherjevo vezje

Slika 2. Greinacherjevo vezje

Fazi celice Villard sledi vezje, da deluje z uporabo stopnje detektorja ovojnice ali detektorja vrha.

Učinek vršnega detektorja je tak, da se večji del valovanja odstrani, medtem ko se izhod najvišje napetosti ohrani kot tak.

Heinrich Greinacher je bil prvi, ki je leta 1913 izumil to vezje (ki je bilo objavljeno leta 1914), da bi zagotovil napetost 200-300 V, ki mu je bila potrebna za njegov ionometer, kar je bil znova njegov nov izum.

Zahteva po izumu tega vezja, da bi dobili toliko napetosti, se je pojavila, ker je bila moč elektrarn v Zürichu samo 110 V izmeničnega toka in je bila zato nezadostna.

Heinrich je to idejo bolj razvil leta 1920 in jo razširil na kaskado multiplikatorjev. V večini primerov ljudje to kaskado multiplikatorjev, ki jo je izumil Heinrich Greinacher, označujejo za kaskado Villarda, ki je netočna in ne drži.

Ta kaskada multiplikatorjev je znana tudi kot Cockroft-Walton po znanstvenikih Johnu Cockroftu in Ernestu Waltonu, ki sta zgradila stroj za pospeševanje delcev in leta 1932 neodvisno odkrila vezje.

Uporaba dveh Greinacherjevih celic, ki imata polarnosti nasproti druga drugi, vendar se poganjata iz istega vira izmeničnega toka, lahko koncept tovrstne topologije razširi na napetostno vezje.

Dva posamezna izhoda se uporabljata za snemanje izhodov prek njih. Ozemljitev vhoda in izhoda hkrati v tem vezju je povsem nemogoča, kot je to v primeru mostnega vezja.

Mostno vezje

Vrsta topologije, ki jo Delonovo vezje uporablja za podvojitev napetosti, je znana kot topologija mostu.

Ugotovljeno je bilo, da je ena od pogostih načinov uporabe te vrste delonovega kroga v televizijskih sprejemnikih z katodno cevjo. Delonovo vezje v teh televizijskih sprejemnikih je bilo uporabljeno za zagotavljanje zunanje energije napajanje z napetostjo.

Slika 3. Napetostni kvadrupler - dve Greinacherjevi celici z nasprotnimi polaritetami

Z ustvarjanjem napetosti več kot 5 kV so povezane številne nevarnosti in težave, poleg tega pa so zelo neekonomični v transformatorjih, večinoma v opremi, ki je domača oprema.

Ampak e.h.t. 10kV je osnovna zahteva črno-belih televizijskih sprejemnikov, medtem ko barvni televizorji zahtevajo še več zunanje opreme.

Obstajajo različni načini in sredstva, s katerimi lahko e.h.t. dosežejo takšne dimenzije, kot so: podvojitev napetosti na omrežnem transformatorju znotraj zunanjega navitja na njem z uporabo dvojnih napetosti ali z uporabo napetostnih dvojnikov na valovno obliko na linijskih tuljavah.

Dva vršna detektorja, sestavljena iz polvalov v krogu, sta funkcionalno podobna detektorskim celicam vrhov, ki jih najdemo v Greinacherjevem vezju.

Polovični cikli, ki so nasprotni vhodni valovni obliki, se uporabljajo za delovanje vsake od obeh vršnih detektorskih celic. Ugotovljeno je, da je izhod vedno dvojni od najvišje vhodne napetosti, saj so izhodi, ki jih proizvajajo, zaporedni.

Slika 4. Mostni (Delonov) podvojitelj napetosti

Preklopljeni kondenzatorski tokokrogi

Napetost enosmernega vira je mogoče podvojiti z uporabo diod-kondenzatorskih vezij, ki so dovolj preprosta in so bila opisana v zgornjem poglavju pred dvojnikom napetosti z uporabo sekalnega kroga.

Tako je to učinkovito pri pretvorbi enosmernega v izmenični tok, preden gre skozi podvojnik napetosti. Da bi dosegli in zgradili tokokroge, ki so učinkovitejši, se preklopne naprave poganjajo od zunanje ure, ki dobro deluje tako pri sekanju kot pri množenju in jo je mogoče hkrati doseči.

Preklopljeni kondenzatorski tokokrogi

Slika 5.

Preklopni podvojitelj napetosti kondenzatorja, dosežen s preprostim preklopom napolnjenih kondenzatorjev iz vzporednega v zaporedje Te vrste vezij so znana kot preklopna kondenzatorska vezja.

Aplikacije, ki jih napaja nizka napetost, so tiste, ki še posebej uporabljajo ta pristop, saj imajo integrirana vezja zahtevo po določeni napetosti, ki je večja od tiste, ki jo baterija dejansko lahko odda ali proizvede.

V večini primerov je na krovu integriranega vezja vedno na voljo taktni signal, zato ni treba imeti nobenega drugega dodatnega vezja ali pa je le malo vezja potrebno za njegovo generiranje.

Tako diagram na sliki 5 shematsko prikazuje najpreprostejšo obliko konfiguracije preklopnega kondenzatorja. V tem diagramu sta dva kondenzatorja, ki sta bila istočasno vzporedno napolnjena na isto napetost.

Po tem kondenzatorji se po izklopu napajanja preklopijo v serijo. Tako je proizvedena izhodna napetost dvakrat večja od napajalne ali vhodne napetosti, če izhodna napetost izhaja iz dveh zaporednih kondenzatorjev.

Obstajajo različne vrste preklopnih naprav, ki jih je mogoče uporabiti v takšnih vezjih, vendar so MOSFET naprave najpogosteje uporabljene preklopne naprave v primeru integriranih vezij.

Slika 6. Shema podvojnika napetosti polnilne črpalke

Diagram na sliki 6 shematsko prikazuje enega od drugih osnovnih konceptov 'črpalke za polnjenje'. Vhodna napetost se uporablja za prvo polnjenje kondenzatorja polnilne črpalke Cp.

Po tem se izhodni kondenzator C0 napolni s serijskim preklopom z vhodno napetostjo, zaradi česar se C0 napolni z dvojno količino vhodne napetosti. Za uspešno polnjenje C0 v celoti bo polnilna črpalka morda dolga več ciklov.

Ko pa je vzpostavljeno stabilno stanje, je edina bistvena stvar za kondenzator polnilne črpalke, Cp, črpanje napolnjenosti v majhnih količinah, kar ustreza naboju, ki se napaja iz izhodnega kondenzatorja, C0, do obremenitve.

Na izhodni napetosti nastane valovitost, ko se C0 delno izprazni v obremenitev, ko je odklopljena od polnilne črpalke. Ta valovanja, ki nastanejo v tem procesu, so značilna za krajši čas praznjenja in jih je enostavno filtrirati, zato so zaradi teh lastnosti manjše pri frekvencah za višje taktne frekvence.

Tako lahko za vsako določeno valovanje kondenzatorji postanejo manjši. Največja količina taktne frekvence za vse praktične namene v integriranih vezjih je običajno v območju sto kHz.

Dicksonova črpalka za polnjenje

Dicksonova črpalka za polnjenje, znana tudi kot Dicksonov multiplikator, je sestavljena iz kaskade diodnih / kondenzatorskih celic, kjer urni impulzni pogon poganja spodnjo ploščo vsakega kondenzatorja.

Šteje se, da je vezje modifikacija multiplikatorja Cockcroft-Walton, vendar je edina izjema preklopni signal, ki ga daje enosmerni vhod z urnimi vlaki namesto vhoda izmeničnega toka, kot je to pri multiplikatorju Cockcroft-Walton.

Osnovna zahteva Dicksonovega multiplikatorja je, da morajo urni impulzi faz, ki so nasproti druge, poganjati nadomestne celice. Toda v primeru dvojnika napetosti, prikazanega na sliki 7, je potreben samo en urni signal, saj obstaja samo ena stopnja množenja.

Dicksonova črpalka za polnjenje

Slika 7. Dicksonov dvojnik napetosti črpalke za polnjenje

Vezja, kjer se najpogosteje in pogosto uporabljajo Dicksonovi multiplikatorji, so integrirana vezja, pri katerih je napajalna napetost, na primer iz katere koli baterije, manjša od tiste, ki jo zahteva vezje.

Dejstvo, da so vsi polprevodniki, ki se pri tem uporabljajo, v bistvu podobni, deluje kot prednost za proizvajalce integriranega vezja.

Standardni logični blok, ki ga najpogosteje najdemo in uporabljamo v številnih integriranih vezjih, so naprave MOSFET.

To je eden od razlogov, zakaj so diode večkrat zamenjane s tovrstnim tranzistorjem, vendar so tudi ožičene na funkcijo v obliki diode.

Ta ureditev je znana tudi kot MOSFET z diodnim ožičenjem. Diagram na sliki 8 prikazuje Dicksonov podvojitelj napetosti, ki uporablja tovrstne MOSFET-naprave z n-kanalnim ojačevalnikom z diodami.

Slika 8. Dicksonov podvojitelj napetosti z uporabo diodno ožičenih MOSFET-jev

Osnovna oblika Dicksonove polnilne črpalke je bila precej izboljšana in spremenjena. Večina teh izboljšav je na področju zmanjšanja učinka, ki ga povzroča tranzistorska odvodna napetost. To izboljšanje velja za tako pomembno, če je vhodna napetost majhna, kot pri nizkonapetostni bateriji.

Izhodna napetost je vedno integral večkratnika vhodne napetosti (dvakrat v primeru podvojitelja napetosti), kadar se uporabljajo idealni preklopni elementi.

Toda v primeru, da se kot vhodni vir skupaj s stikali MOSFET uporablja enocelična baterija, je izhod v takšnih primerih veliko manjši od te vrednosti, ker bo prišlo do padca napetosti na tranzistorjih.

Zaradi izredno nizkega padca napetosti v stanju delovanja tokokroga, ki uporablja diskretne komponente, Schottkyjeva dioda velja za dobro izbiro kot preklopni element.

Toda oblikovalci integriranega vezja večinoma raje uporabljajo MOSFET, saj je ta lažje dostopen, kar več kot kompenzira prisotnost pomanjkljivosti in visoko zapletenost v vezju, ki je prisotno v napravah MOSFET.

Za ponazoritev si oglejmo primer: v alkalni bateriji je prisotna nominalna napetost melodije 1,5 V.

Izhodno moč se lahko podvoji na 3,0 V z uporabo dvojnega napetosti skupaj z idealnimi preklopnimi elementi, ki imajo padec napetosti nič.

Toda padec napetosti vira odtoka MOSFET, ki je diode, ko je v stanju vklopa, mora biti najmanj enak napetosti praga vrat, ki je običajno v vrednosti 0,9 V.

Izhodno napetost lahko dvojnik napetosti uspešno dvigne le za približno 0,6 V do 2,1 V.

Povečanja napetosti v tokokrogu ni mogoče doseči brez uporabe več stopenj, če se upošteva in upošteva tudi padec na končnem gladilnem tranzistorju.

Po drugi strani pa je napetost na odru tipične Schottkyjeve diode 0,3 V. izhodna napetost, ki jo proizvaja podvojnik napetosti, bo v območju 2,7 V, če uporablja Schottkyjevo diodo, ali 2,4 V, če uporablja glajenje diode.

Križno sklopljeni kondenzatorji

Medsebojno vezana kondenzatorska vezja so znana po vhodni napetosti, ki je zelo nizka. V napravah, ki jih poganja brezžična baterija, kot so pozivniki in naprave Bluetooth, lahko potrebujete enocelično baterijo za neprekinjeno napajanje, ko se izprazni pod voltom.

Križno sklopljeni kondenzatorji

Slika 9. Dvojnik napetosti z navzkrižno sklopljenim kondenzatorjem

Tranzistor Q2 se izklopi, če je ura nizka. Hkrati se tranzistor Q1 vklopi, če je ura visoka, kar povzroči polnjenje kondenzatorja C1 na napetost Vn. zgornja plošča C1 je potisnjena navzgor, da podvoji Vin, če gre Ø1 visoko.

Da bi se ta napetost prikazala kot izhod, se stikalo S1 hkrati zapre. Hkrati se lahko C2 polni z vklopom Q2.

Vloge komponent se v naslednjem pol ciklusu zamenjajo: Ø1 bo nizka, S1 se bo odprla, Ø2 bo visoka in S2 se bo zaprla.

Tako se izhodno napetost z obeh strani vezja napaja z 2Vin. izguba v tem vezju je majhna, ker primanjkuje diodnih MOSFET-jev in s tem povezanih težav s pragom napetosti.

Ena od drugih prednosti vezja je, da podvoji frekvenco valovanja, saj sta na voljo dva dvojna napetostna pretvornika, ki učinkovito oskrbujejo izhod iz faznih ur.

Osnovna pomanjkljivost tega vezja je, da se zdi, da so zapuščene kapacitivnosti Dickinsonovega multiplikatorja veliko manj pomembne od tega vezja in tako predstavljajo večino izgub, ki nastanejo v tem vezju.

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




Prejšnja: 10/12 vatna LED žarnica z 12 V adapterjem Naprej: Uporaba hladilnika iz aluminijastega traku za LED diode visoke moči namesto PCB