Zdvojovač napětí - Voltage doubler

Zdvojovač napětí je elektronický obvod, který nabíjí kondenzátory od vstupního napětí a spínače tyto poplatky takovým způsobem, že v ideálním případě přesně dvojnásobek napětí na výstupu, jako na jeho vstupu.

Nejjednodušší z těchto obvodů jsou formou usměrňovače, který jako vstup odebírá střídavé napětí a vydává zdvojnásobené stejnosměrné napětí. Spínací prvky jsou jednoduché diody a jsou spínány do spínacího stavu pouze střídavým napětím vstupu. Zdvojovače napětí DC-DC nemohou přepínat tímto způsobem a vyžadují řídicí obvod pro ovládání přepínání. Často také vyžadují spínací prvek, který lze ovládat přímo, například tranzistor , než aby se spoléhali na napětí na spínači jako v jednoduchém případě AC-DC.

Zdvojovače napětí jsou různé obvody multiplikátoru napětí . Mnoho, ale ne všechny obvody zdvojovače napětí lze považovat za jeden stupeň multiplikátoru vyššího řádu: kaskádové shodné stupně dohromady dosahují většího násobení napětí.

Usměrňovače zdvojnásobující napětí

Okruh Villard

Obrázek 1 . Okruh Villard

Obvod Villard , navržený Paulem Ulrichem Villardem , se skládá jednoduše z kondenzátoru a diody. I když má velkou výhodu jednoduchosti, jeho výstup má velmi špatné charakteristiky zvlnění . Obvod je v podstatě obvod s diodovou svorkou . Kondenzátor se nabíjí v záporných polovičních cyklech na špičkové střídavé napětí ( V pk ). Výstupem je superpozice vstupního průběhu střídavého proudu a stálého stejnosměrného proudu kondenzátoru. Účinek obvodu je posunutí hodnoty DC průběhu. Negativní vrcholy střídavého průběhu jsou diodou „upnuty“ na 0 V (ve skutečnosti - V F , malé dopředné předpínací napětí diody), proto kladné vrcholy výstupního průběhu jsou 2 V pk . Zvlnění špička-špička je enormní 2 V pk a nelze ji vyhladit, pokud není obvod účinně přeměněn na jednu ze sofistikovanějších forem. Toto je obvod (s obrácenou diodou) používaný k napájení záporného vysokého napětí magnetronu v mikrovlnné troubě.

Greinacherův okruh

Obrázek 2 . Greinacherův okruh

Greinacher zdvojovač napětí je významné zlepšení oproti obvodu Villard pro malé náklady v dalších komponent. Zvlnění je výrazně sníženo, nominálně nulové za podmínek zatížení otevřeného obvodu, ale při odběru proudu závisí na odporu zátěže a hodnotě použitých kondenzátorů. Obvod funguje tak, že sleduje stupeň buňky Villard s tím, co je v podstatě vrcholným detektorem nebo fázovým detektorem . Buňka detektoru špiček má za následek odstranění většiny zvlnění při zachování špičkového napětí na výstupu. Greinacherův obvod je také běžně známý jako poloviční vlnový zdvojovač napětí.

Obrázek 3 . Čtyřnásobek napětí - dvě Greinacherovy buňky opačné polarity

Tento obvod byl poprvé vynalezen Heinrichem Greinacherem v roce 1913 (publikováno 1914), aby poskytl 200–300 V, které potřeboval pro svůj nově vynalezený ionometr , přičemž 110 V AC dodávané v současné době curyšskými elektrárnami je nedostatečné. Později tuto myšlenku rozšířil na kaskádu multiplikátorů v roce 1920. Tato kaskáda Greinacherových buněk je často nepřesně označována jako Villardova kaskáda. Nazývá se také multiplikátor Cockcroft – Walton podle stroje urychlovače částic postaveného Johnem Cockcroftem a Ernestem Waltonem , který obvod nezávisle objevil v roce 1932. Koncept v této topologii lze rozšířit na napěťový čtyřnásobný obvod pomocí dvou Greinacherových buněk opačného polarity poháněné stejným zdrojem střídavého proudu. Výstup je převzat přes dva jednotlivé výstupy. Stejně jako u můstkového obvodu není možné současně uzemnit vstup a výstup tohoto obvodu.

Delonův obvod

Obrázek 4 . Zdvojovač napětí mostu (Delon)

Obvod Delon používá pro zdvojnásobení napětí topologii můstku ; v důsledku toho se také nazývá zdvojovač plného vlnového napětí. Tato forma obvodu se svého času běžně vyskytovala v televizních přijímačích s katodovou trubicí, kde byla používána k zajištění dodávky extra vysokého napětí (EHT). Generování napětí přesahujícího 5 kV pomocí transformátoru má problémy s bezpečností domácích zařízení a v každém případě je neekonomické. Černobílé televize však vyžadovaly eht 10 kV a barevné sady ještě více. Zdvojovače napětí byly použity buď ke zdvojnásobení napětí na vinutí eht na síťovém transformátoru, nebo byly aplikovány na průběh vlny na cívkách flyback .

Obvod se skládá ze dvou polovičních špičkových detektorů, fungujících přesně stejným způsobem jako buňka detektoru špiček v Greinacherově obvodu. Každá ze dvou špičkových detektorových buněk pracuje na opačných polovičních cyklech příchozí vlny. Protože jsou jejich výstupy v sérii, je výstup dvojnásobkem špičkového vstupního napětí.

Spínané kondenzátorové obvody

Obrázek 5. Zdvojovač napětí spínaného kondenzátoru dosažený jednoduchým přepnutím nabitých kondenzátorů z paralelních na sériové

Je možné použít výše popsané jednoduché obvody diodových kondenzátorů ke zdvojnásobení napětí stejnosměrného zdroje předřazením zdvojovače napětí se střídacím obvodem . Ve skutečnosti to převádí DC na AC před aplikací na zdvojovač napětí. Efektivnější obvody lze vybudovat řízením spínacích zařízení z externích hodin tak, aby byly obě funkce, sekání a násobení, dosahovány současně. Takové obvody jsou známé jako spínané kondenzátorové obvody. Tento přístup je obzvláště užitečný v aplikacích napájených bateriemi s nízkým napětím, kde integrované obvody vyžadují napájecí napětí větší, než může baterie dodat. Na integrovaném obvodu je často k dispozici hodinový signál a k jeho generování je zapotřebí jen malý nebo žádný další obvod.

Koncepčně je nejjednodušší konfigurací spínaného kondenzátoru ta, která je schematicky znázorněna na obrázku 5. Zde jsou dva kondenzátory souběžně nabíjeny na stejné napětí paralelně. Poté se vypne napájení a kondenzátory se přepnou do série. Výstup je odebírán z obou kondenzátorů v sérii, což vede k dvojnásobnému výstupu napájecího napětí. V takovém obvodu lze použít mnoho různých spínacích zařízení, ale v integrovaných obvodech se často používají zařízení MOSFET .

Obrázek 6. Schéma zdvojovače napětí nabíjecího čerpadla

Dalším základním konceptem je nabíjecí čerpadlo , jehož verze je schematicky znázorněna na obrázku 6. Kondenzátor nabíjecího čerpadla C P se nejprve nabije na vstupní napětí. Poté se přepne na nabíjení výstupního kondenzátoru C O v sérii se vstupním napětím, což má za následek, že se C O nakonec nabije na dvojnásobek vstupního napětí. To může trvat několik cyklů, než nabíjecí zařízení uspěje v plném nabití C O , ale poté, co v ustáleném stavu je dosaženo, že je nutné pouze pro C P pumpovat malé množství náboje ekvivalentní že je vedena do zátěže z C O . Zatímco C O je odpojen od nabíjecího čerpadla, částečně se vybije do zátěže, což má za následek zvlnění výstupního napětí. Toto zvlnění je menší pro vyšší hodinové frekvence, protože doba vybíjení je kratší a je také snazší filtrovat. Alternativně mohou být kondenzátory zmenšeny pro danou specifikaci zvlnění. Praktická maximální taktovací frekvence v integrovaných obvodech je obvykle ve stovkách kilohertzů.

Nabíjecí čerpadlo Dickson

Obrázek 7. Zdvojovač napětí nabíjecího čerpadla Dickson

Nabíjecí čerpadlo Dickson nebo Dicksonův multiplikátor se skládá z kaskády diodových/kondenzátorových článků se spodní deskou každého kondenzátoru poháněného hodinovým pulzním sledem. Obvod je modifikací multiplikátoru Cockcroft-Walton, ale využívá stejnosměrný vstup s hodinovými soupravami poskytujícími spínací signál místo střídavého vstupu. Dicksonův multiplikátor normálně vyžaduje, aby alternativní buňky byly poháněny hodinovými impulsy opačné fáze. Protože však zdvojovač napětí, ukázaný na obrázku 7, vyžaduje pouze jeden stupeň násobení, je vyžadován pouze jeden hodinový signál.

Multiplikátor Dickson se často používá v integrovaných obvodech, kde je napájecí napětí (například z baterie) nižší, než vyžaduje obvod. Při výrobě integrovaných obvodů je výhodné, že všechny polovodičové součásti jsou v podstatě stejného typu. MOSFETy jsou běžně standardním logickým blokem v mnoha integrovaných obvodech. Z tohoto důvodu jsou diody často nahrazovány tímto typem tranzistoru, ale jsou zapojeny tak, aby fungovaly jako dioda - uspořádání nazývané diodový drátový MOSFET. Obrázek 8 ukazuje zdvojovač Dicksonova napětí využívající MOSFETy s n-kanálovým vylepšením diodovým kabelem.

Obrázek 8. Zdvojovač napětí Dickson pomocí diodových kabelů MOSFET

Základní nabíjecí čerpadlo Dickson má mnoho variací a vylepšení . Mnoho z nich se zabývá snížením účinku napětí tranzistorového odtokového zdroje. To může být velmi významné, pokud je vstupní napětí malé, například nízkonapěťová baterie. S ideálními spínacími prvky je výstup integrálním násobkem vstupu (dva pro zdvojovač), ale s jednobuněčnou baterií jako vstupním zdrojem a spínači MOSFET bude výstup mnohem menší než tato hodnota, protože velká část napětí klesne přes tranzistory. Pro obvod využívající diskrétní součásti by byla Schottkyho dioda lepší volbou spínacího prvku pro jeho extrémně nízký pokles napětí v zapnutém stavu. Návrháři integrovaných obvodů však raději používají snadno dostupný MOSFET a kompenzují jeho nedostatky vyšší složitostí obvodů.

Jako například alkalické baterie buňka má jmenovité napětí 1,5 V . Napětí zdvojovač pomocí spínacích ideálních prvků s nulovým napětím umístí kapka výstup dvojnásobek toho, a to 3,0 V . Nicméně, kolektorem a emitorem úbytek napětí MOSFET diodového-pevné, když je v zapnutém stavu, musí být alespoň brána prahové napětí, které by mohlo být typicky 0,9 V . Toto napětí „doubler“ se podaří pouze při zvyšování výstupního napětí o cca 0,6 V2,1 V . Pokud je také zohledněn pokles přes konečný vyhlazovací tranzistor, obvod nemusí být schopen zvýšit napětí bez použití více stupňů. Typický Schottkyho dioda, na druhé straně, může mít na státní napětí 0,3 V . Zdvojovač použití této diody Schottkyho bude mít za následek napětí 2,7 V , nebo na výstupu po vyhlazovací dioda, 2,4 V .

Křížově spínané kondenzátory

Obrázek 9. Zdvojený napěťový zdvojený spínaný kondenzátor

Křížově spínané kondenzátorové obvody si přijdou na své pro velmi nízké vstupní napětí. Zařízení poháněná bezdrátovými bateriemi, jako jsou pagery, bluetooth zařízení a podobně, mohou vyžadovat, aby po vybití pod voltem pokračovala v dodávce energie jednočlánková baterie.

Když jsou hodiny nízké, tranzistor Q 2 je vypnutý. Současně jsou hodiny vysoké při zapnutí tranzistoru Q 1, což má za následek nabití kondenzátoru C 1 na V in . Když přejde do horní desku C 1 se zasune až na dvojnásobek V v . Současně se spínač S 1 sepne, takže se toto napětí objeví na výstupu. Současně je zapnutý Q 2, který umožňuje nabíjení C 2 . V dalším půl cyklu se role obrátí: budou nízké, budou vysoké, S 1 se otevře a S 2 se zavře. To znamená, že výstup je dodáván s 2 V v střídavě z každé strany obvodu.

Ztráta je v tomto obvodu nízká, protože neexistují žádné MOSFETy zapojené diodami a související problémy s prahovým napětím. Obvod má také tu výhodu, že zvlnění frekvence je dvojnásobné, protože ve skutečnosti existují dva zdvojovače napětí, které dodávají výstup z fázových hodin. Primární nevýhodou tohoto obvodu je, že rozptylové kapacity jsou mnohem významnější než u Dicksonova multiplikátoru a představují větší část ztrát v tomto obvodu.

Viz také

Reference

Bibliografie

  • Ahmed, Syed Imran Pipelined ADC Design and Enhancement Techniques , Springer, 2010 ISBN  90-481-8651-X .
  • Bassett, RJ; Taylor, PD (2003), „17. Power Semiconductor Devices“, Electrical Engineer's Reference Book , Newnes, s. 17/1–17/37, ISBN 0-7506-4637-3
  • Campardo, Giovanni; Micheloni, Rino; Novosel, David VLSI-design energeticky nezávislých vzpomínek , Springer, 2005 ISBN  3-540-20198-X .
  • Milý, Dieter; Feser, Kurt (2001), překladatel Y. Narayana Rao (ed.), High-Voltage Test Techniques , Newnes, ISBN 0-7506-5183-0
  • Kories, Ralf; Schmidt-Walter, Heinz Taschenbuch der Elektrotechnik: Grundlagen und Elektronik , Deutsch Harri GmbH, 2004 ISBN  3-8171-1734-5 .
  • Liou, Juin J .; Ortiz-Conde, Adelmo; García-Sánchez, F. Analýza a návrh MOSFETů , Springer, 1998 ISBN  0-412-14601-0 .
  • Liu, Mingliang (2006), Demystifikující spínané kondenzátorové obvody , Newnes, ISBN 0-7506-7907-7
  • McComb, zlatý důl gadgeteer Gordona Gordona McComba! , McGraw-Hill Professional, 1990 ISBN  0-8306-3360-X .
  • Mehra, J; Rechenberg, H Historický vývoj kvantové teorie , Springer, 2001 ISBN  0-387-95179-2 .
  • Millman, Jacob; Halkias, Christos C. Integrated Electronics , McGraw-Hill Kogakusha, 1972 ISBN  0-07-042315-6 .
  • Peluso, Vincenzo; Steyaert, Michiel; Sansen, Willy MC Design nízkonapěťových nízkonapěťových CMOS Delta-Sigma A/D převodníků , Springer, 1999 ISBN  0-7923-8417-2 .
  • Ryder, JD (1970), Electronic Fundamentals & Applications , Pitman Publishing, ISBN 0-273-31491-2
  • Wharton, W .; Howorth, D. Principles of Television Reception , Pitman Publishing, 1971 ISBN  0-273-36103-1 .
  • Yuan, Fei CMOS Circuits for Passive Wireless Microsystems , Springer, 2010 ISBN  1-4419-7679-5 .
  • Zumbahlen, Hank Linear Circuit Design Handbook , Newnes, 2008 ISBN  0-7506-8703-7 .

Primární zdroje