Умножитель напряжения — это электрическая схема , которая преобразует электрическую мощность переменного тока из более низкого напряжения в более высокое постоянное напряжение, обычно с использованием сети конденсаторов и диодов .
Умножители напряжения можно использовать для генерации от нескольких вольт для электронных приборов до миллионов вольт для таких целей, как эксперименты по физике высоких энергий и испытания на молниезащиту. Наиболее распространенным типом умножителя напряжения является полуволновой последовательный умножитель, также называемый каскадом Виллара (но на самом деле изобретенный Генрихом Грейнахером ).
Если предположить, что пиковое напряжение источника переменного тока равно +U s , и что значения C достаточно высоки, чтобы при зарядке ток протекал без значительного изменения напряжения, тогда (упрощенная) работа каскада будет выглядеть так: следует:
Добавление дополнительного каскада увеличит выходное напряжение в два раза по сравнению с пиковым напряжением источника переменного тока (за вычетом потерь из-за диодов — см. следующий параграф).
В действительности, для достижения полного напряжения C 4 требуется больше циклов , а напряжение каждого конденсатора снижается за счет прямого падения напряжения ( U f ) каждого диода на пути к этому конденсатору. Например, напряжение C 4 в данном примере будет составлять не более 2U s - 4U f , поскольку между его положительным выводом и истоком имеется 4 диода. Общее выходное напряжение будет U(C 2 ) + U(C 4 ) = (2U s - 2U f ) + (2U s - 4U f ) = 4U s - 6U f . В каскаде с n каскадами из двух диодов и двух конденсаторов выходное напряжение равно 2n U s - n(n+1) U f . Член n(n+1) U f представляет собой сумму потерь напряжения, вызванных диодами, на всех конденсаторах на выходной стороне (т. е. на правой стороне примера – C 2 и C 4 ). Например, если у нас есть 2 этапа, как в примере, общие потери составят 2+4 = 2*(2+1) = 6 раз U f . Дополнительный каскад увеличит выходное напряжение в два раза по сравнению с напряжением источника за вычетом прямого падения напряжения на 2n+2 диодах: 2U s - (2n+2)U f .
Удвоитель напряжения использует два каскада, чтобы примерно удвоить напряжение постоянного тока, которое можно было бы получить от однокаскадного выпрямителя . Пример удвоителя напряжения можно найти во входном каскаде импульсных источников питания , содержащем однополюсный переключатель для выбора источника питания 120 В или 240 В. В положении 120 В вход обычно конфигурируется как двухполупериодный удвоитель напряжения путем открытия 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 подсоединяя провод центрального отвода конденсатора к открытой клемме переменного тока мостовой выпрямительной системы. Это позволяет работать с напряжением 120 или 240 В при добавлении простого однополюсного переключателя.
Утроитель напряжения представляет собой трехступенчатый умножитель напряжения. Тройник — популярный тип умножителя напряжения. Выходное напряжение тройника на практике в три раза ниже пикового входного напряжения из-за их высокого импеданса , частично вызванного тем, что, когда каждый конденсатор в цепи подает питание на следующий, он частично разряжается, теряя при этом напряжение.
Тройники обычно использовались в приемниках цветного телевидения для подачи высокого напряжения на электронно-лучевую трубку (ЭЛТ, кинескоп).
Тройники до сих пор используются в источниках высокого напряжения , таких как копировальные аппараты , лазерные принтеры , устройства для уничтожения насекомых и электрошоковое оружие .
Хотя умножитель можно использовать для получения выходного напряжения в тысячи вольт, отдельные компоненты не обязательно должны быть рассчитаны на выдержку всего диапазона напряжений. Каждый компонент должен учитывать только относительную разность напряжений непосредственно на своих клеммах и на компонентах, непосредственно прилегающих к нему.
Обычно умножитель напряжения физически устроен как лестница, так что постепенно увеличивающийся потенциал напряжения не дает возможности проникнуть в участки цепи с гораздо более низким потенциалом.
Обратите внимание, что в относительном диапазоне разностей напряжений в умножителе необходим некоторый запас прочности, чтобы схема могла выдержать короткое замыкание хотя бы одного компонента диода или конденсатора. В противном случае одноточечное короткое замыкание может привести к последовательному перенапряжению и разрушению каждого следующего компонента умножителя, потенциально разрушая всю цепочку умножителя.
В любом столбце используется четное количество диодно-емкостных ячеек, чтобы каскад заканчивался на сглаживающей ячейке. Если бы оно было нечетным и заканчивалось на зажимном элементе, пульсации напряжения были бы очень большими. Конденсаторы большей емкости в соединительной колонне также уменьшают пульсации, но за счет увеличения времени зарядки и увеличения тока диода.
Насос заряда Диксона , или множитель Диксона , представляет собой модификацию множителя Грейначера/Кокрофта-Уолтона . Однако есть несколько важных отличий:
Чтобы описать идеальную работу схемы, пронумеруйте диоды D1, D2 и т. д. слева направо, а также конденсаторы C1, C2 и т. д. Когда тактовый сигнал низкий, D1 заряжает C1 до V в . При высоком уровне верхняя пластина C1 поднимается до 2 В. Затем D1 выключается, а D2 включается, и C2 начинает заряжаться до 2 В. В следующем тактовом цикле напряжение снова становится низким, а теперь становится высоким, повышая напряжение на верхней пластине C2 до 3 В на входе . D2 выключается, а D3 включается, заряжая C3 до 3 В и так далее , при этом заряд проходит вверх по цепи, отсюда и название зарядного насоса . Последняя ячейка диода и конденсатора в каскаде подключена к земле, а не к фазе тактового сигнала и, следовательно, не является умножителем; это пиковый детектор , который просто обеспечивает сглаживание . [2]
Существует ряд факторов, которые уменьшают выходной сигнал в идеальном случае нВ в . Одним из них является пороговое напряжение V Т коммутационного устройства, то есть напряжение, необходимое для его включения. Выходная мощность уменьшится как минимум на нВ T из-за падения напряжения на переключателях. Диоды Шоттки обычно используются в умножителях Диксона, среди других причин, из-за их низкого прямого падения напряжения. Другая трудность заключается в том, что в каждом узле имеются паразитные емкости на землю. Эти паразитные емкости действуют как делители напряжения, а накопительные конденсаторы схемы еще больше снижают выходное напряжение. [3] В определенном смысле более высокая тактовая частота выгодна: пульсации уменьшаются, а высокая частота облегчает фильтрацию оставшихся пульсаций. Также уменьшается размер необходимых конденсаторов, поскольку за цикл необходимо сохранять меньше заряда. Однако потери из-за паразитной емкости увеличиваются с увеличением тактовой частоты, и практический предел составляет около нескольких сотен килогерц. [4]
Умножители Диксона часто встречаются в интегральных схемах (ИС), где они используются для увеличения напряжения питания низковольтной батареи до напряжения, необходимого ИС. Разработчику и производителю ИС выгодно иметь возможность использовать одну и ту же технологию и одно и то же базовое устройство во всей ИС. По этой причине в популярных интегральных схемах с КМОП- технологией основным строительным блоком схемы является МОП-транзистор . Следовательно, диоды в умножителе Диксона часто заменяются МОП-транзисторами, работающими как диоды. [5]
Диодная версия умножителя Диксона на МОП-транзисторах не работает очень хорошо при очень низких напряжениях из-за большого падения напряжения сток-исток на МОП-транзисторах. Часто для решения этой проблемы используется более сложная схема. Одним из решений является подключение параллельно переключающему МОП-транзистору другого МОП-транзистора, смещенного в его линейную область. Этот второй МОП-транзистор имеет более низкое напряжение сток-исток, чем переключающий МОП-транзистор сам по себе (поскольку 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 выключен, пока следующий каскад заряжается от конденсатора предыдущего каскада. То есть линейно-смещенный транзистор выключается одновременно с переключающим транзистором. [6]
Идеальный 4-ступенчатый умножитель Диксона (5-кратный умножитель) со входным напряжением 1,5 В имел бы выходное напряжение 7,5 В. Однако 4-ступенчатый умножитель MOSFET с диодной проводкой может иметь выходное напряжение только 2 В. Добавление параллельных МОП-транзисторов в линейной области улучшает это напряжение примерно до 4 В. Более сложные схемы все же могут обеспечить выходной сигнал, гораздо более близкий к идеальному. [7]
Существует множество других вариаций и улучшений базовой схемы Диксона. Некоторые пытаются снизить пороговое напряжение переключения, например, с помощью умножителя Мандал-Сарпешкара [8] или умножителя Ву. [9] Другие схемы компенсируют пороговое напряжение: умножитель Умеда делает это с помощью внешнего напряжения [10] , а умножитель Накамото делает это с помощью внутреннего напряжения. [11] Множитель Бержере направлен на максимизацию энергоэффективности. [12]
В интегральных схемах КМОП тактовые сигналы легко доступны или легко генерируются. В радиочастотных интегральных схемах это не всегда так , но часто имеется доступный источник радиочастотной энергии. Стандартную схему умножителя Диксона можно модифицировать для удовлетворения этого требования, просто заземлив обычный вход и один из тактовых входов. Радиочастотная мощность подается на другой тактовый вход, который затем становится входом схемы. Радиочастотный сигнал фактически является тактовым сигналом, а также источником энергии. Однако, поскольку тактовый сигнал подается только в каждый второй узел, схема достигает стадии умножения только для каждой второй ячейки диодного конденсатора. Остальные диодно-емкостные ячейки действуют просто как пиковые детекторы и сглаживают пульсации, не увеличивая коэффициент умножения. [13]
Умножитель напряжения может быть образован каскадом удвоителей напряжения типа переключаемого конденсатора с перекрестной связью . 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 диодных транзисторах становится гораздо более значительным по сравнению с выходным напряжением. Поскольку транзисторы в схеме с перекрестной связью не имеют диодной схемы, проблема падения напряжения не столь серьезна. [14]
Схема работает путем поочередного переключения выхода каждого каскада между удвоителем напряжения, управляемым и управляемым . Такое поведение приводит к еще одному преимуществу перед умножителем Диксона: уменьшению пульсаций напряжения при удвоенной частоте. Увеличение частоты пульсаций выгодно, поскольку их легче устранить фильтрацией. Каждый каскад (в идеальной схеме) повышает 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 нВ в . Основной причиной потерь в схеме с перекрестной связью является паразитная емкость, а не пороговое напряжение переключения. Потери происходят потому, что часть энергии уходит на зарядку паразитных емкостей в каждом цикле. [15]
В источниках высокого напряжения для электронно-лучевых трубок (ЭЛТ) в телевизорах часто используются умножители напряжения со сглаживающим конденсатором конечной ступени, образованным внутренним и внешним покрытиями аквадага на самой ЭЛТ. ЭЛТ раньше были обычным компонентом телевизоров. Умножители напряжения до сих пор можно найти в современных телевизорах, копировальных аппаратах и устройствах для устранения ошибок . [16]
Умножители высокого напряжения используются в оборудовании для окраски распылением, которое чаще всего встречается на автомобильных производствах. Умножитель напряжения с выходной мощностью около 100 кВ используется в сопле распылителя краски для электрического заряда распыленных частиц краски, которые затем притягиваются к противоположно заряженным металлическим поверхностям, подлежащим окраске. Это помогает уменьшить объем используемой краски и способствует равномерному распределению слоя краски.
Распространенным типом умножителя напряжения, используемого 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). .
