Sprieguma reizinātāja ķēdes izskaidrotas

Elektroniskās ķēdes ierīce, ko izmanto, lai palielinātu spriegumu līdz 2x kārtībai, uzlādējot kondensatorus no zemāka ieejas sprieguma, ir pazīstama kā sprieguma dubultotājs.

Lādēšanas strāva tiek pārslēgta tā, ka jebkurā ideālā situācijā izejā radītais spriegums ir tieši divas reizes lielāks par ieejas spriegumu.

Vienkāršākais sprieguma reizinātājs, izmantojot diodes

Vienkāršākā forma sprieguma divkāršotāja ķēde ir taisngrieža tips, kura ieeja ir maiņstrāvas (maiņstrāvas) sprieguma formā un kā izeja tiek iegūts divkāršs (līdzstrāvas) spriegums.

Vienkāršās diodes tiek izmantotas kā komutācijas elementi, un ieeja tikai mainīga sprieguma veidā tiek izmantota, lai šīs diodes darbinātu komutācijas stāvoklī.

Papildu piedziņas ķēde ir nepieciešama, lai kontrolētu komutācijas ātrumu gadījumā, ja tiek izmantoti sprieguma divkāršotāji no līdzstrāvas līdz līdzstrāvas tipa, jo tos nevar pārslēgt iepriekšminētajā veidā.

Līdzstrāvas līdz līdzstrāvas pārveidotāja ķēdēm lielākoties nepieciešama vēl viena papildu ierīce, ko sauc par komutācijas elementu un kuru var viegli un tieši vadīt, piemēram, tranzistorā.

Tādējādi, ja tas izmanto komutācijas elementu, tam nav jābūt atkarīgam no sprieguma, kas atrodas pāri slēdzim, kā tas ir vienkāršā maiņstrāvas līdz līdzstrāvas formā.

Sprieguma divkāršotājs ir sprieguma reizinātāja ķēdes veids. Lielāko daļu sprieguma divkāršotāju ķēžu ar dažiem izņēmumiem vienā posmā var aplūkot augstākas kārtas reizinātāja veidā. Lielāks sprieguma reizināšanas apjoms tiek sasniegts, ja ir kaskādes identiskas pakāpes, kuras tiek izmantotas kopā.

Villard Circuit

Villard ķēdei ir vienkārša kompozīcija, kas sastāv no diode un kondensatora. No vienas puses, kur Villard ķēde sniedz priekšrocības vienkāršības ziņā, no otras puses, ir arī zināms, ka tā ražo produkciju, kurai ir viļņu īpašības, kuras tiek uzskatītas par ļoti sliktām.

1. attēls. Vilarda ķēde

Būtībā Villard ķēde ir diodes skavas shēmas forma. Negatīvie lielie cikli tiek izmantoti, lai kondensatoru uzlādētu līdz maiņstrāvas maksimālajam spriegumam (Vpk). Maiņstrāvas viļņu forma kā ieeja kopā ar kondensatora vienmērīgu līdzstrāvas superpozīciju veido izeju.

Viļņa formas DC vērtība tiek nobīdīta, izmantojot ķēdes ietekmi uz to. Tā kā diode piesaista maiņstrāvas viļņu negatīvās virsotnes līdz 0V vērtībai (faktiski tas ir –VF, kas ir mazais diodes priekšējais novirzes spriegums), izejas viļņu pozitīvās virsotnes ir 2Vpk.

Pīķi no maksimuma ir grūti izlīdzināt, jo tam ir milzīgs 2Vpk lieluma lielums, un tāpēc to var izlīdzināt tikai tad, kad ķēde tiek efektīvi pārveidota citās sarežģītākās formās.

Negatīvais augstspriegums tiek piegādāts magnetronam, izmantojot šo ķēdi (kas sastāv no diodes apgrieztā formā) mikroviļņu krāsnī.

Grīnacera ķēde

Greinarcher sprieguma divkāršotājs ir izrādījies labāks par Villard ķēdi, ievērojami uzlabojot sevi, pievienojot dažus papildu komponentus par nelielām izmaksām.

Atklāta ķēdes slodzes apstākļos viļņošanās ir ļoti samazināta, lielākoties līdz nullei, bet slodzes pretestībai un izmantotā kondensatora vērtībai ir svarīga loma un tie ietekmē pašreizējā vilkšana.

2. attēls. Grīnacera ķēde

Villarda šūnu posmam seko ķēde, lai darbotos, izmantojot aploksnes detektoru vai pīķa detektoru.

Pīķa detektora iedarbība ir tāda, ka liela daļa pulsācijas tiek noņemta, bet pīķa sprieguma izeja kā tāda tiek saglabāta.

Heinrihs Greinahers bija pirmais, kurš 1913. gadā izgudroja šo ķēdi (kas tika publicēta 1914. gadā), lai nodrošinātu 200–300 V spriegumu, kas viņam bija vajadzīgs viņa jonometram, kas atkal bija jauns viņa izgudrojums.

Prasība izgudrot šo ķēdi, lai iegūtu tik lielu spriegumu, radās tāpēc, ka Cīrihes spēkstaciju piegādātā jauda bija tikai 110 V maiņstrāva un tādējādi nepietiekama.

Heinrihs vairāk attīstīja šo ideju 1920. gadā un paplašināja, lai izveidotu reizinātāju kaskādi. Lielākoties cilvēki šo reizinātāju kaskādi, kuru izgudroja Heinrihs Grīnacers, dēvē par Villardas kaskādi, kas ir neprecīza un neatbilst patiesībai.

Šī pavairotāju kaskāde ir pazīstama arī kā Kokrofts-Voltons pēc zinātniekiem Džona Kokrofa un Ernesta Voltona, kuri bija uzbūvējuši daļiņu paātrinātāju un neatkarīgi no jauna atklāja ķēdi 1932. gadā.

Divu Greinahera šūnu izmantošana, kuru polaritāte ir pretēja, bet tiek virzīta no viena maiņstrāvas avota, var paplašināt šāda veida topoloģijas jēdzienu līdz sprieguma četrkāršojošai ķēdei.

Abas atsevišķās izejas tiek izmantotas, lai no tām izvadītu izvadi. Ieejas un izejas iezemēšana vienlaikus šajā ķēdē ir diezgan neiespējama, kā tas ir tilta ķēdē.

Tilta ķēde

To veida topoloģiju, ko Delona ķēde izmanto, lai palielinātu spriegumu, sauc par tilta topoloģiju.

Tika konstatēts, ka viens no šāda veida delona ķēžu izplatītākajiem lietojumiem ir televizoros ar katodstaru lampu. Delona ķēde šajos televizoros tika izmantota, lai nodrošinātu e.h.t. sprieguma padeve.

3. attēls. Sprieguma četrkāršotājs - divas pretējas polaritātes Greinacher šūnas

Pastāv daudz drošības apdraudējumu un problēmu, kas saistītas ar sprieguma, kas pārsniedz 5kV, ģenerēšanu, kā arī ļoti neekonomiski transformatorā, galvenokārt iekārtās, kas ir sadzīves iekārtas.

Bet e.h.t. 10 kV ir pamatprasība televizoriem, kuri ir melnbalti, savukārt krāsainajiem televizoriem ir vajadzīga vēl lielāka e.h.t.

Ir dažādi veidi un veidi, kā e.h.t. šādi izmēri tiek sasniegti, piemēram: tīkla transformatora sprieguma divkāršošana e.h.t tinumā, izmantojot to, izmantojot sprieguma divkāršotājus vai pieliekot sprieguma dubultotājus viļņu formai uz līnijas atgriezeniskās spoles.

Divi pīķa detektori, kas sastāv no pusviļņa ķēdē, ir funkcionāli līdzīgi pīķa detektoru šūnām, kas atrodami Greinahera ķēdē.

Pusciklus, kas ir pretēji ienākošajai viļņu formai, darbina katra no divām maksimuma detektora šūnām. Tiek uzskatīts, ka izeja vienmēr ir dubultā no maksimālā ieejas sprieguma, jo to radītās izejas ir sērijveidā.

4. attēls. Tilta (Delon) sprieguma dubultotājs

Pārslēgtas kondensatora shēmas

Līdzstrāvas avota spriegumu var dubultot, izmantojot pietiekami vienkāršas diodes-kondensatora ķēdes, kas aprakstītas iepriekšminētajā sadaļā, pirms sprieguma divkāršotāja, izmantojot smalcinātāja ķēdi.

Tādējādi tas ir efektīvs, pārveidojot līdzstrāvu maiņstrāvā, pirms tā iet caur sprieguma dubultotāju. Lai sasniegtu un uzbūvētu efektīvākas ķēdes, komutācijas ierīces darbina no ārējā pulksteņa, kas ir kompetents darboties gan sasmalcināšanas, gan reizināšanas ziņā un ko var panākt vienlaicīgi.

5. attēls.

Pārslēgta kondensatora sprieguma divkāršotājs, kas panākts, vienkārši pārslēdzot uzlādētos kondensatorus no paralēlas uz sēriju. Šie ķēžu veidi ir pazīstami kā ieslēgtas kondensatora ķēdes

Zema sprieguma barošana ir lietojumprogrammas, kas īpaši izmanto šo pieeju, jo integrētajām shēmām ir nepieciešama noteikta sprieguma padeve, kas pārsniedz to, ko akumulators faktiski var piegādāt vai ražot.

Vairumā gadījumu uz integrētās shēmas borta vienmēr ir pieejams pulksteņa signāls, un tāpēc tas padara nevajadzīgu citu papildu shēmu izmantošanu vai arī to ģenerēšanai ir nepieciešama tikai maza shēma.

Tādējādi 5. attēlā redzamā shēma shematiski parāda vienkāršāko ieslēgtā kondensatora konfigurācijas formu. Šajā diagrammā ir divi kondensatori, kuri vienlaikus tiek lādēti vienādam spriegumam paralēli.

Pēc šī barošanas pārtraukšanas kondensatori tiek pārslēgti sērijās. Tādējādi izejas spriegums ir divreiz lielāks par barošanas vai ieejas spriegumu gadījumā, ja izeja tiek iegūta no diviem sērijveidā esošiem kondensatoriem.

Šādās shēmās var izmantot dažādu veidu komutācijas ierīces, taču integrēto shēmu gadījumā visbiežāk izmanto komutācijas ierīces MOSFET ierīces.

6. attēls. Uzlādes sūkņa sprieguma divkāršotāja shēma

Diagrammā 6. attēlā shematiski parādīts viens no citiem “Uzlādes sūkņa” pamatjēdzieniem. Ieejas spriegumu izmanto, lai vispirms uzlādētu uzlādes sūkņa kondensatoru Cp.

Pēc tam izejas kondensators C0 tiek uzlādēts, sērijveidā pārslēdzoties ar ieejas spriegumu, kā rezultātā C0 tiek uzlādēts divreiz vairāk nekā ieejas spriegums. Lai veiksmīgi uzlādētu C0, uzlādes sūknim var būt nepieciešams veikt vairākus ciklus.

Bet, kad ir iegūts līdzsvara stāvoklis, vienīgā būtiskā lieta uzlādes sūkņa kondensatoram Cp ir sūknēt lādiņu mazos daudzumos, kas ir vienāds ar lādiņu, kas tiek piegādāts no izejas kondensatora C0 līdz slodzei.

Izvades spriegumam rodas viļņošanās, kad C0 daļēji tiek izvadīts slodzē, kamēr tas tiek atvienots no uzlādes sūkņa. Šim procesam, kas izveidojies šajā procesā, raksturīgs īsāks izlādes laiks, un to ir viegli filtrēt, un tādējādi šīs īpašības padara tos mazākus biežākām augstāku pulksteņa frekvencēm.

Tādējādi jebkuram konkrētam pulsācijai kondensatorus var padarīt mazākus. Maksimālais pulksteņa frekvences daudzums visiem praktiskiem mērķiem integrētajās shēmās parasti ir simtiem kHz.

Diksona lādēšanas sūknis

Diksona lādēšanas sūknis, kas pazīstams arī kā Diksona reizinātājs, sastāv no diodes / kondensatora šūnu kaskādes, kur pulksteņa impulsa vilciens virza katra kondensatora apakšējo plāksni.

Kontūra tiek uzskatīta par Cockcroft-Walton reizinātāja modifikāciju, bet vienīgais izņēmums ir komutācijas signāla nodrošināšana ar līdzstrāvas ieeju ar pulksteņa vilcieniem maiņstrāvas ieejas vietā, kā tas ir Cockcroft-Walton reizinātāja gadījumā.

Diksona reizinātāja pamatprasība ir tāda, ka fāzes pulksteņa impulsiem, kas ir pretēji viens otram, vajadzētu vadīt alternatīvās šūnas. Bet sprieguma divkāršotāja gadījumā, kas attēlots 7. attēlā, ir vajadzīgs tikai viens pulksteņa signāls, jo ir tikai viens reizināšanas posms.

7. attēls. Diksona uzlādes sūkņa sprieguma dubultotājs

Ķēdes, kurās visbiežāk un bieži izmanto Diksona reizinātājus, ir integrētās shēmas, kur barošanas spriegums, piemēram, no jebkura akumulatora, ir mazāks par ķēdē prasīto.

Fakts, ka visi tajā izmantotie pusvadītāji būtībā ir līdzīgi, integrētās shēmas ražotājiem darbojas kā priekšrocība.

Standarta loģiskais bloks, kas visbiežāk tiek atrasts un izmantots daudzās integrētajās shēmās, ir MOSFET ierīces.

Tas ir viens no iemesliem, kāpēc diodes daudzkārt tiek aizstātas ar šāda veida tranzistoriem, bet arī tiek savienotas ar funkciju diodes formā.

Šis izkārtojums ir pazīstams arī kā MOSFET ar diode vadu. 8. attēlā redzamajā diagrammā attēlots Diksona sprieguma divkāršotājs, izmantojot šāda veida ar diodēm vadītu n-kanālu uzlabošanas tipa MOSFET ierīces.

8. attēls. Diksona sprieguma dubultotājs, izmantojot MOSFET ar diodēm

Dickson lādēšanas sūkņa pamatforma ir piedzīvojusi daudzus uzlabojumus un variācijas. Lielākā daļa šo uzlabojumu ir tranzistora notekas avota sprieguma radītā efekta samazināšanas jomā. Šis uzlabojums tiek uzskatīts par nozīmīgu gadījumā, ja ieejas spriegums ir mazs, kā tas ir zemsprieguma akumulatora gadījumā.

Ja tiek izmantoti ideāli komutācijas elementi, izejas spriegums vienmēr ir ieejas sprieguma neatņemams reizinājums (divreiz sprieguma dubultotāja gadījumā).

Bet, ja kā ievades avotu kopā ar MOSFET slēdžiem tiek izmantota vienšūnas baterija, izeja šādos gadījumos ir daudz mazāka nekā šī vērtība, jo tranzistoros samazināsies spriegums.

Sakarā ar ārkārtīgi zemo sprieguma kritumu ieslēgtā stāvoklī ķēdē, kurā tiek izmantoti atsevišķi komponenti, Schottky diode tiek uzskatīta par labu izvēli kā komutācijas elementu.

Bet integrētās shēmas dizaineri galvenokārt dod priekšroku MOSFET izmantošanai, jo tas ir vieglāk pieejams, kas vairāk nekā kompensē nepilnības un augstu sarežģītību ķēdē, kas atrodas MOSFET ierīcēs.

Lai to ilustrētu, ņemsim piemēru: sārma akumulatorā ir nomināls spriegums 1,5 V melodijai.

Rezultātu var dubultot līdz 3,0 V, izmantojot sprieguma dubultotāju kopā ar ideāliem komutācijas elementiem, kuru sprieguma kritums ir nulle.

Bet ar diodi vadītajam MOSFET notekas avota sprieguma kritumam, kad tas ir ieslēgtā stāvoklī, jābūt vismaz vienādam ar vārtu sliekšņa spriegumu, kas parasti ir 0,9 V.

Izejas spriegumu sekmīgi var palielināt sprieguma dubultotājs tikai par aptuveni 0,6 V līdz 2,1 V.

Ķēdes sprieguma pieaugumu nevar panākt, neizmantojot vairākus posmus, ja tiek ņemts vērā un ņemts vērā kritums gala izlīdzināšanas tranzistorā.

No otras puses, tipiska Schottky diodes skatuves spriegums ir 0,3 V. sprieguma divkāršotāja radītais izejas spriegums būs robežās no 2,7 V, ja tas izmanto Schottky diode, vai 2,4 V, ja tas izmanto izlīdzinošo diodi.

Savstarpēji savienoti komutētie kondensatori

Šķērssaistītās komutētās kondensatora ķēdes ir zināmas, jo ieejas spriegums ir ļoti zems. Ierīcēm, kuras vada bezvadu akumulatori, piemēram, peidžeri un Bluetooth ierīces, var būt nepieciešama vienšūnas baterija, lai nepārtraukti piegādātu enerģiju, ja tā ir izlādējusies zem sprieguma.

9. attēls. Sakrustotā komutētā kondensatora sprieguma dubultotājs

Transistors Q2 tiek izslēgts, ja pulkstenis ir zems. Tajā pašā laikā tranzistors Q1 tiek ieslēgts, ja pulkstenis ir augsts, un tā rezultātā kondensators C1 tiek uzlādēts spriegumam Vn. C1 augšējā plāksne tiek piespiesta līdz dubultai Vin gadījumā, ja Ø1 iet uz augšu.

Lai šis spriegums varētu parādīties kā izeja, slēdzis S1 vienlaikus tiek aizvērts. Arī tajā pašā laikā C2 ir atļauts uzlādēt, ieslēdzot Q2.

Nākamajā pusciklā komponentu lomas tiek mainītas: Ø1 būs zems, S1 atvērsies, Ø2 būs augsts un S2 aizvērsies.

Tādējādi alternatīvi no katras ķēdes puses izejas spriegums tiek piegādāts ar 2Vin. šajā ķēdē radītie zaudējumi ir mazi, jo trūkst diodu vadu MOSFET un ar to saistītās sliekšņa sprieguma problēmas.

Viena no citām ķēdes priekšrocībām ir tā, ka tā dubulto pulsācijas frekvenci, jo ir divi sprieguma dubultotāji, kas efektīvi piegādā izeju no fāzes pulksteņiem.

Šīs ķēdes galvenais trūkums ir tāds, ka tiek konstatēts, ka Dikinsona reizinātāja klaiņojošās kapacitātes ir daudz mazāk nozīmīgas nekā šī ķēde un tādējādi veido lielāko daļu zaudējumu, kas rodas šajā ķēdē.

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