Удвоитель напряжения - Voltage doubler

А удвоитель напряжения представляет собой электронную схему, которая заряжает конденсаторы от входного напряжения и переключает эти заряды таким образом, что в идеальном случае на выходе создается ровно в два раза больше напряжения, чем на его входе.

Простейшие из этих схем представляют собой форму выпрямитель которые принимают переменное напряжение в качестве входа и выдают удвоенное постоянное напряжение. Переключающие элементы представляют собой простые диоды, и их переключение приводится в действие только 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, а не полагаться на напряжение на переключателе, как в простом случае преобразования переменного тока в постоянный.

Удвоители напряжения - это разновидности умножитель напряжения цепь. Многие, но не все схемы удвоителя напряжения можно рассматривать как одну ступень умножителя более высокого порядка: каскадирование идентичных ступеней вместе обеспечивает большее умножение напряжения.

Выпрямители с удвоением напряжения

Автодром Виллар

Рисунок 1. Автодром Виллар

В Автодром Виллар, задуманный Пол Ульрих Виллард,[стр. 1] состоит просто из конденсатора и диода. Несмотря на то, что он имеет большое преимущество простоты, его производительность очень плохая. рябь характеристики. По сути, схема представляет собой диод зажим цепь. Конденсатор заряжается за отрицательные полупериоды до пикового напряжения переменного тока (Vpk). Выходной сигнал 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 сигнала переменного тока «фиксируются» до 0 В (фактически -VF, небольшое прямое смещение диода) диодом, поэтому положительные пики выходного сигнала равны 2Vpk. Пульсация размаха составляет огромные 2Vpk и не может быть сглаженный если только схема не будет эффективно преобразована в одну из более сложных форм.[1] Это схема (с перевернутым диодом), используемая для подачи отрицательного высокого напряжения на магнетрон в микроволновой печи.

Схема Грайнахера

фигура 2. Схема Грайнахера

В Greinacher Удвоитель напряжения является значительным усовершенствованием схемы Вилларда за небольшую стоимость дополнительных компонентов. Пульсации значительно уменьшаются, номинально они равны нулю в условиях нагрузки разомкнутой цепи, но время прохождения тока зависит от сопротивления нагрузки и емкости используемых конденсаторов. Схема работает, следуя этапу ячейки Виллара с тем, что по сути является пиковый детектор или детектор конверта сцена. Ячейка пикового детектора устраняет большую часть пульсаций при сохранении пикового напряжения на выходе. Трасса Грайнахера также широко известна как полуволна удвоитель напряжения.[2]

Рисунок 3. Счетверитель напряжения - две ячейки Грейнахера противоположных полярностей

Эта схема была впервые изобретена Генрих Грайнахер в 1913 г. (опубликовано в 1914 г.[стр. 2]) для обеспечения 200–300 В, необходимых для его недавно изобретенного ионометр, 110 В переменного тока, подаваемого Цюрих электростанций того времени недостаточно.[3] Позже он расширил эту идею до каскада множителей в 1920 году.[стр. 3][4][стр. 4] Этот каскад ячеек Грейнахера часто неточно называют каскадом Виллара. Его также называют Множитель Кокрофта – Уолтона после ускоритель частиц машина построена Джон Кокрофт и Эрнест Уолтон, который самостоятельно открыл схему в 1932 году.[стр. 5][5] Концепция этой топологии может быть расширена до схемы учетверения напряжения за счет использования двух ячеек Грайнахера противоположной полярности, питаемых от одного источника переменного тока. Выходной сигнал принимается через два отдельных выхода. Как и в случае мостовой схемы, невозможно одновременно заземлить вход и выход этой схемы.[6]

Схема Делона

Рисунок 4. Мостовой (Делон) удвоитель напряжения

В Схема Делона использует топология моста для удвоения напряжения;[стр. 6] следовательно, его также называют полноволновой удвоитель напряжения.[2] Эта форма цепи когда-то была широко распространена в электронно-лучевая трубка телевизоры, где он использовался для обеспечения Очень высокое напряжение (EHT) поставка. Генерация напряжений более 5 кВ с трансформатор имеет проблемы с безопасностью бытового оборудования и в любом случае является неэкономичным. Однако для черно-белых телевизоров требовалось e.h.t. 10 кВ и цветовых наборов и больше. Удвоители напряжения использовались либо для удвоения напряжения на обмотке эл.в.т. сетевого трансформатора, либо подавались на форму волны на линии. катушки обратного хода.[7]

Схема состоит из двух полуволновых пиковых детекторов, работающих точно так же, как и пиковая ячейка детектора в схеме Грейнахера. Каждая из двух ячеек пикового детектора работает на противоположных полупериодах входящего сигнала. Поскольку их выходы включены последовательно, выходное напряжение в два раза превышает пиковое входное напряжение.

Коммутируемые конденсаторные схемы

Рисунок 5. Удвоитель напряжения на коммутируемом конденсаторе достигается простым переключением заряженных конденсаторов с параллельного на последовательный

Можно использовать описанные выше простые диодно-конденсаторные схемы, чтобы удвоить напряжение источника постоянного тока, перед удвоителем напряжения с помощью цепь 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 переключаемый конденсатор схемы. Этот подход особенно полезен в приложениях с низковольтным батарейным питанием, где интегральным схемам требуется напряжение, большее, чем может обеспечить батарея. Часто тактовый сигнал легко доступен на плате интегральной схемы, и для его генерации 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 только в интегральных схемах. МОП-транзистор устройства часто используются.[10]

Рисунок 6. Схема удвоителя напряжения зарядного насоса

Еще одна основная концепция - это зарядный насос, вариант которого схематично показан на рисунке 6. Конденсатор накачки заряда, Cп, сначала заряжается до входного напряжения. Затем он переключается на зарядку выходного конденсатора CО, последовательно с входным напряжением, в результате чего CО в конечном итоге заряжается до удвоенного входного напряжения. Может пройти несколько циклов, прежде чем зарядный насос полностью зарядит CО но после достижения устойчивого состояния это необходимо только для Cп для перекачки небольшого количества заряда, эквивалентного тому, которое подается на нагрузку от CО. Хотя CО отключается от зарядного насоса, он частично разряжается в нагрузку, в результате чего рябь по выходному напряжению. Эта пульсация меньше для более высоких тактовых частот, так как 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

Рисунок 7. Удвоитель напряжения зарядовой накачки Диксона

Зарядный насос Диксона, или Множитель Диксона, состоит из каскада диодно-конденсаторных ячеек, нижняя пластина каждого конденсатора приводится в действие тактовый импульс поезд.[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 этап 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 заменяют на этот тип транзисторов, но они подключены для работы в качестве диода - устройство, называемое MOSFET с диодной проводкой. На рисунке 8 показан удвоитель напряжения Диксона, использующий полевые МОП-транзисторы с n-канальным соединением с диодной проводкой.[13]

Рисунок 8. Удвоитель напряжения Диксона на полевых МОП-транзисторах с диодной связью

Есть много вариации и улучшения к основному зарядному насосу Диксона. Многие из них связаны с уменьшением влияния напряжения сток-исток транзистора. Это может быть очень важно, если входное напряжение небольшое, например, от низковольтной батареи. С идеальными переключающими элементами 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 с дискретными компонентами Диод Шоттки будет 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 компенсировать его недостатки повышенной сложностью схемы.[14]

В качестве примера щелочная батарея ячейка имеет номинальное напряжение 1,5 В. Удвоитель напряжения, использующий идеальные переключающие элементы с нулевым падением напряжения, будет выдавать вдвое больше, а именно 3,0 В. Однако падение напряжения сток-исток полевого МОП-транзистора с диодной связью, когда он находится во включенном состоянии, должно быть не менее порогового напряжения затвора, которое обычно может быть 0,9 В.[15] Этот «удвоитель» напряжения сможет повысить выходное напряжение только примерно на 0,6 В к 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. С другой стороны, типичный диод Шоттки может иметь напряжение в открытом состоянии 0,3 В.[16] Удвоитель, использующий этот диод Шоттки, даст в результате напряжение 2,7 В, или на выходе после сглаживающего диода, 2,4 В.[17]

Перекрестно-коммутируемые конденсаторы

Рисунок 9. Удвоитель напряжения на перекрестно-связанных конденсаторах

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 транзистор Q2 выключен. В то же время часы высокий уровень включения транзистора Q1 в результате конденсатор C1 взимается с Vв. Когда высоко поднимается верхняя пластина C1 увеличивается до двух раз Vв. При этом переключатель S1 закрывается, поэтому это напряжение появляется на выходе. В то же время Q2 включен, позволяя C2 заряжать. В следующем полуцикле роли поменяются местами: будет низким, будет высоким, S1 откроется и S2 закрою. Таким образом, на выходе имеется 2Vв поочередно с каждой стороны цепи.[19]

Потери в этой схеме невелики, поскольку отсутствуют полевые МОП-транзисторы с диодной проводкой и связанные с ними проблемы 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 синфазных тактовых импульсов. Основным недостатком этой схемы является то, что паразитные емкости гораздо более значительны, чем у умножителя Диксона, и составляют большую часть потерь в этой схеме.[20]

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ Кинд и Фесер 2001, п. 28
  2. ^ 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.
  3. ^ Мехра, стр. 284
  4. ^ Кинд и Фесер 2001, п. 29
  5. ^ Кинд и Фесер 2001, п. 30
  6. ^ Райдер 1970, п. 107
  7. ^ Кори и Шмидт-Вальтер, стр.615
    Миллман и Халкиас, стр. 109
    Wharton and Howorth, стр. 68–69.
  8. ^ МакКомб, стр 148-150
  9. ^ Лю 2006, стр. 225–226
  10. ^ Ахмед, стр.164
  11. ^ Зумбахлен, стр.741
  12. ^ Лю 2006, п. 226
    Юань, стр. 13-14.
  13. ^ Лю 2006, п. 226
    Юань, стр.14
  14. ^ Лю 2006, стр. 228–232
    Юань, 14–21
  15. ^ Liou и другие., стр.185
  16. ^ Бассет и Тейлор 2003, п. 17/27
  17. ^ Юань, стр.17
  18. ^ Peluso и другие., стр.36-37
    Лю 2006, стр. 232–234
  19. ^ Кампардо и другие., стр.377
    Peluso и другие., стр.36
    Лю 2006, п. 234
  20. ^ Peluso и другие., стр.36
    Лю 2006, п. 234

Список используемой литературы

  • Ахмед, Сайед Имран Конструирование и методы улучшения конвейерных АЦП, Springer, 2010 г. ISBN  90-481-8651-X.
  • Bassett, R.J .; Тейлор, П. Д. (2003), "17. Силовые полупроводниковые приборы", Справочник инженера-электрика, Newnes, стр. 17 / 1–17 / 37, ISBN  0-7506-4637-3
  • Кампардо, Джованни; Микелони, Рино; Новосел, Давид СБИС-дизайн энергонезависимых воспоминаний, Springer, 2005 г. ISBN  3-540-20198-Х.
  • Добрый, Дитер; Фесер, Курт (2001), переводчик Ю. Нараяна Рао (редактор), Методы высоковольтных испытаний, Newnes, ISBN  0-7506-5183-0
  • Кори, Ральф; Шмидт-Вальтер, Хайнц Taschenbuch der Elektrotechnik: Grundlagen und Elektronik, Deutsch Harri GmbH, 2004 г. ISBN  3-8171-1734-5.
  • Liou, Juin J .; Ортис-Конде, Адельмо; Гарсиа-Санчес, Ф. Анализ и дизайн 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, Гордон Золотая жила гаджетера Гордона МакКомба!, McGraw-Hill Professional, 1990 г. ISBN  0-8306-3360-X.
  • Mehra, J; Рехенберг, H Историческое развитие квантовой теории, Springer, 2001 г. ISBN  0-387-95179-2.
  • Миллман, Джейкоб; Халкиас, Христос К. Интегрированная электроника, Макгроу-Хилл Когакуша, 1972 г. ISBN  0-07-042315-6.
  • Пелузо, Винченцо; Steyaert, Michiel; Сансен, Вилли М.С. Конструкция 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 телевизионного приема, 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.
  • Зумбахлен, Хэнк Справочник по проектированию линейных схем, Новости, 2008 ISBN  0-7506-8703-7.

Основные источники

  1. ^ Вильярд, 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, Дои:10.1051 / jphystap: 019010010002801. Бустер Вильярда показан на рис. 1 на стр. 31.
  2. ^ 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), 15: 410–415. Удвоитель напряжения Грайнахера представлен на рис. 4 на стр. 412. Он использовал химические (электролитические) выпрямители, которые обозначаются "Z" (Зеллен, клетки).
  3. ^ Грайнахер, Х. (1921), "Über eine Methode, Wechselstrom mittels elektrischer Ventile und Kondensatoren in hochgespannten Gleichstrom umzuwandeln" [О способе преобразования переменного тока ток через электрические диоды и конденсаторы в высоковольтный постоянный ток. текущий], Zeitschrift für Physik (на немецком), 4 (2): 195–205, Дои:10.1007 / bf01328615
  4. ^ 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 тока. напряжения], Elektrotechnische Zeitschrift (на немецком), 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.
  5. ^ Кокрофт, Дж. Д.; Уолтон, Э. Т. С. (1932), «Эксперименты с высокоскоростными положительными ионами. (1) Дальнейшее развитие метода получения высокоскоростных положительных ионов», Труды Королевского общества А, 136: 619–630, Дои:10.1098 / rspa.1932.0107
  6. ^ 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 (связаться с турнант).
    • Его аппарат выставлялся на выставке 1908 г. Выставка электричества в Марселе, Франция: Жорж Тарди (15 августа 1908 г.) "Связаться с Tournant de la Société française des câbles électriques Systeme Berthoud-Borel", 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 изд., Т. 1, (Берлин, Германия: Вильгельм Эрнст и Зон, 1921), страницы 710-711.
    • Имя и даты Делона указаны в: Friedrich Heilbronner, Internationale Liste von Elektrotechnikern (2013) С. 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, вып. 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.
  7. ^ Диксон, Джон Ф. (июль 1976 г.), «Генерация высокого напряжения на кристалле в интегральных схемах MNOS с использованием усовершенствованной техники умножения напряжения», Журнал IEEE по твердотельным схемам, 11 (3): 374–378, Дои:10.1109 / jssc.1976.1050739