Circuits multiplicadors de tensió explicats

El dispositiu de circuit electrònic que s’utilitza per augmentar la tensió a un ordre de 2x carregant condensadors des d’una tensió d’entrada inferior es coneix com a duplicador de tensió.

El corrent de càrrega es commuta de manera que, en qualsevol situació ideal, la tensió que es produeix a la sortida és exactament el doble que la tensió a l'entrada.

Multiplicador de voltatge més senzill mitjançant díodes

La forma més senzilla de circuit de duplicador de tensió són un tipus de rectificador que pren l’entrada en forma de tensió de corrent altern (CA) i produeix una tensió de doble magnitud (CC) com a sortida.

Els díodes simples s’utilitzen com a elements de commutació i s’utilitza una entrada en forma de simple voltatge alternatiu per conduir aquests díodes en un estat de commutació.

Es requereix un circuit de conducció addicional per controlar la velocitat de commutació en cas que els duplicadors de tensió que s’utilitzin siguin de tipus CC a CC, ja que no es poden canviar de la manera anterior.

Els circuits convertidors de tensió de CC a CC la majoria de les vegades requereixen un altre dispositiu addicional anomenat element de commutació que es pot controlar fàcilment i directament, com en un transistor.

Per tant, quan utilitza un element de commutació, no ha de dependre de la tensió present a l'interruptor, com és el cas en una forma simple de CA a CC.

El duplicador de tensió és un tipus de circuit multiplicador de tensió. La majoria dels circuits de duplicador de tensió amb poques excepcions es poden veure en forma de multiplicador d’ordre superior en una sola etapa. A més, s’aconsegueix una major quantitat de multiplicació de tensió quan hi ha etapes idèntiques en cascada que s’utilitzen juntes.

Circuit de Villard

El circuit de Villard té una composició senzilla que consisteix en un díode i un condensador. D'una banda, on el circuit de Villard proporciona avantatges en termes de simplicitat, d'altra banda, també se sap que produeix una sortida que té característiques d'ondulació que es consideren molt pobres.

Figura 1. Circuit de Villard

Bàsicament, el circuit de Villard és una forma de circuit de subjecció de díodes. Els cicles alts negatius s’utilitzen per carregar el condensador a la tensió màxima de corrent altern (Vpk). La forma d’ona de CA com a entrada juntament amb la superposició de corrent continu del condensador formen la sortida.

El valor de CC de la forma d’ona es canvia mitjançant l’efecte del circuit sobre ella. Atès que el díode subjecta els pics negatius de la forma d’ona CA al valor de 0V (en termes reals és –VF, que és la petita tensió de biaix cap endavant del díode), els pics positius de la forma d’ona de sortida tenen un valor de 2Vpk.

El punt a pic és difícil de suavitzar, ja que té una mida enorme del valor de 2Vpk i, per tant, només es pot suavitzar quan el circuit es transforma en qualsevol altra forma més sofisticada d’una manera eficaç.

L'alta tensió negativa es subministra al magnetron mitjançant l'ús d'aquest circuit (que consisteix en díodes en forma inversa) en un forn de microones.

Circuit de Greinacher

El duplicador de tensió Greinarcher ha demostrat ser millor que el circuit de Villard, millorant-se significativament afegint alguns components addicionals a un cost reduït.

Sota la condició de càrrega en circuit obert, l’ondulació es redueix molt, la majoria de les vegades a un estat zero, però la resistència de la càrrega i el valor del condensador que s’utilitza juguen un paper important i afecten s'està dibuixant el corrent.

Figura 2. Circuit de Greinacher

El circuit de la cèl·lula de Villard el segueix el circuit per tal de funcionar mitjançant una etapa de detector d’embolcall o un detector de pic.

L’efecte del detector de pics és tal que s’elimina gran part de l’ondulació mentre es conserva la sortida del voltatge de pic com a tal.

Heinrich Greinacher va ser la primera persona que va inventar aquest circuit el 1913 (que es va publicar el 1914) per tal de proporcionar la tensió de 200-300V que necessitava el seu ionòmetre, que va tornar a ser un nou invent seu.

El requisit d'inventar aquest circuit per obtenir tanta tensió va sorgir perquè la potència subministrada per les centrals de Zuric només era de 110 V CA i, per tant, era insuficient.

Heinrich va desenvolupar aquesta idea més el 1920 i la va ampliar per fer una cascada de multiplicadors. La majoria de les vegades, la gent es refereix a aquesta cascada de multiplicadors inventada per Heinrich Greinacher com una cascada de Villard que és inexacta i no és certa.

Aquesta cascada de multiplicadors també es coneix com Cockroft-Walton després dels científics John Cockroft i Ernest Walton que havien construït la màquina acceleradora de partícules i que havien redescobert el circuit de manera independent el 1932.

L'ús de dues cèl·lules de Greinacher que tenen polaritats oposades entre si però que es condueixen des de la mateixa font de CA pot estendre el concepte d'aquest tipus de topologia a un circuit quadruplador de tensió.

Les dues sortides individuals s’utilitzen per tal de reduir la sortida a través d’elles. La connexió a terra de l'entrada i la sortida simultàniament en aquest circuit és força impossible, com és el cas d'un circuit de pont.

Circuit de ponts

El tipus de topologia que fa servir un circuit de Delon per duplicar el voltatge es coneix com a topologia de pont.

Es va trobar que un dels usos habituals d’aquest tipus de circuits delon era als aparells de televisió amb tub de raigs catòdics. El circuit delon d’aquests aparells de televisió es va utilitzar per tal de proporcionar l’eh. subministrament de tensió.

Figura 3. Quadrupler de tensió: dues cèl·lules de Greinacher de polaritats oposades

Hi ha molts riscos i problemes relacionats amb la seguretat relacionats amb la generació de tensions de més de 5 kV, a més de ser molt poc econòmics en un transformador, principalment en equips domèstics.

Però un e.h.t. de 10 kV és un requisit bàsic per als televisors que són en blanc i negre, mentre que els televisors en color requereixen encara més e.h.t.

Hi ha diferents maneres i mitjans pels quals l'e.h.t. d'aquestes dimensions s'aconsegueixen, com ara: duplicar la tensió del transformador de xarxa dins d'un bobinat e.h.t mitjançant l'ús de duplicadors de tensió o aplicant els duplicadors de tensió a la forma d'ona de les bobines de retrocés de línia.

Els dos detectors de pics que consisteixen en mitja ona dins d’un circuit són funcionalment similars a les cèl·lules de detecció de pics que es troben al circuit de Greinacher.

Els semicicles oposats entre si a la forma d'ona entrant s'utilitzen per funcionar per cadascuna de les dues cèl·lules del detector de pics. La sortida sempre es troba en el doble del voltatge màxim d’entrada ja que les sortides produïdes per elles són en sèrie.

Figura 4. Doblador de tensió Bridge (Delon)

Circuits de condensadors commutats

El voltatge d’una font de corrent continu es pot duplicar mitjançant l’ús de circuits de díode-condensador que són prou senzills i que s’han descrit a la secció anterior precedint el duplicador de tensió amb l’ús d’un circuit chopper.

Per tant, això és eficaç per convertir el corrent continu a corrent altern abans de passar pel duplicador de tensió. Per aconseguir circuits construïts que siguin més eficients, els dispositius de commutació s'executen des d'un rellotge extern que sigui capaç de funcionar tant en termes de picat com de multiplicació i que es pot aconseguir simultàniament.

Figura 5.

El duplicador de tensió del condensador commutat s’aconsegueix simplement canviant els condensadors carregats de paral·lel a sèrie Aquests tipus de circuits es coneixen com a circuits de condensadors commutats.

Les aplicacions alimentades per baixa tensió són les aplicacions que utilitzen especialment aquest enfocament, ja que els circuits integrats requereixen un subministrament d’una quantitat específica de voltatge que és superior al que pot produir o produir la bateria.

En la majoria dels casos, sempre hi ha disponibilitat d’un senyal de rellotge a bord del circuit integrat i, per tant, fa innecessari tenir cap altre circuit addicional o només calen pocs circuits per generar-lo.

Així, el diagrama de la figura 5 mostra esquemàticament la forma més senzilla de configuració del condensador commutat. En aquest diagrama, hi ha dos condensadors que s'han carregat simultàniament a la mateixa tensió en paral·lel.

Post aquest condensadors es canvien en sèrie després d’apagar l’alimentació. Per tant, la tensió de sortida produïda és el doble de la tensió d’alimentació o d’entrada en cas que la sortida es derivi dels dos condensadors en sèrie.

Hi ha diversos tipus de dispositius de commutació que es poden utilitzar en aquests circuits, però els dispositius MOSFET són els dispositius de commutació més utilitzats en el cas de circuits integrats.

Figura 6. Esquema del duplicador de tensió de la bomba de càrrega

El diagrama de la figura 6 mostra esquemàticament un dels altres conceptes bàsics de la 'Bomba de càrrega'. El voltatge d’entrada s’utilitza per carregar primer el Cp, el condensador de la bomba de càrrega.

Després d'això, el condensador de sortida, C0 es carrega canviant en sèrie amb la tensió d'entrada que resulta en carregar el C0 el doble de la quantitat de tensió d'entrada. Per tal de carregar completament C0 amb èxit, pot ser que la bomba de càrrega requereixi molts cicles.

Però un cop adquirit un estat estacionari, l'únic element essencial per al condensador de la bomba de càrrega, Cp és bombar la càrrega en petites quantitats, que equival a la càrrega subministrada des del condensador de sortida, C0 a la càrrega.

Es forma una ondulació a la tensió de sortida quan C0 es descarrega parcialment a la càrrega mentre es desconnecta de la bomba de càrrega. Aquesta ondulació formada en aquest procés té la característica d'un temps de descàrrega més curt i fàcil de filtrar i, per tant, aquestes característiques els fan més petits per a freqüències de freqüències de rellotge més altes.

Així, per a qualsevol ondulació específica, es poden reduir els condensadors. La quantitat màxima de freqüència de rellotge per a tots els propòsits pràctics dels circuits integrats sol situar-se en el rang de centenars de kHz.

Bomba de càrrega Dickson

La bomba de càrrega Dickson, també coneguda com a multiplicador Dickson, consisteix en una cascada de cèl·lules de díode / condensador on un tren de polsos de rellotge condueix la placa inferior de cadascun dels condensadors.

Es considera que el circuit és una modificació del multiplicador Cockcroft-Walton, però amb l’única excepció que el senyal de commutació és proporcionat per l’entrada DC amb trens de rellotge en lloc d’una entrada CA, com és el cas del multiplicador Cockcroft-Walton.

El requisit bàsic d’un multiplicador de Dickson és que els polsos de rellotge de fases oposades entre si condueixin les cèl·lules alternatives. Però, en el cas d'un duplicador de tensió, representat a la figura 7, només es requereix un senyal de rellotge únic, ja que només hi ha una etapa de multiplicació.

Figura 7. Doblador de tensió de la bomba de càrrega Dickson

Els circuits on s’utilitzen majoritàriament i freqüentment els multiplicadors de Dickson són els circuits integrats on la tensió d’alimentació, com per exemple, de qualsevol bateria, és inferior a la que requereixen els circuits.

El fet que tots els semiconductors utilitzats en això siguin bàsicament similars actua com un avantatge per als fabricants del circuit integrat.

El bloc lògic estàndard que es troba i s’utilitza amb més freqüència en nombrosos circuits integrats són els dispositius MOSFET.

Aquesta és una de les raons per les quals els díodes se substitueixen moltes vegades pel transistor d'aquest tipus, però també estan connectats a una funció en forma de díode.

Aquesta disposició també es coneix com a MOSFET amb cable de díode. El diagrama de la figura 8 representa un duplicador de voltatge de Dickson que utilitza aquest tipus de dispositius MOSFET de millora de canal n amb cable de díode.

Figura 8. Doblador de tensió de Dickson mitjançant MOSFET amb cable de díode

La forma bàsica de la bomba de càrrega Dickson ha experimentat moltes millores i variacions. La majoria d’aquestes millores es refereixen a la reducció de l’efecte produït per la tensió de la font de drenatge del transistor. Aquesta millora es considera significativa en cas que el voltatge d’entrada sigui petit, igual que en el cas d’una bateria de baixa tensió.

La tensió de sortida és sempre un múltiple integral de la tensió d’entrada (dues vegades en cas de duplicador de tensió) quan s’utilitzen elements de commutació ideals.

Però en el cas que s'utilitzi una bateria d'una sola cel·la com a font d'entrada juntament amb els commutadors MOSFET, la sortida en aquests casos és molt inferior a aquest valor perquè hi haurà una caiguda de la tensió a través dels transistors.

A causa de la caiguda extremadament baixa de la tensió en estat d’encesa d’un circuit que utilitza components discrets, el díode Schottky es considera una bona opció com a element de commutació.

Però els dissenyadors de circuits integrats prefereixen utilitzar MOSFET, ja que està més fàcilment disponible, cosa que compensa la presència d’inexistències i alta complexitat en el circuit present en dispositius MOSFET.

Per il·lustrar-ho, posem un exemple: en una bateria alcalina hi ha un voltatge nominal del to de 1,5 V.

La sortida en això es pot duplicar a 3,0 V mitjançant un duplicador de voltatge juntament amb elements de commutació ideals que tenen una caiguda de voltatge zero.

Però la caiguda de tensió de la font de drenatge del MOSFET amb cable de díode quan es troba en estat d’encesa ha de ser com a mínim igual a la tensió del llindar de la porta que normalment està en sintonia amb 0,9 V.

El duplicador de tensió només pot augmentar la tensió de sortida aproximadament entre 0,6 V i 2,1 V.

L'augment de la tensió del circuit no es pot aconseguir sense utilitzar diverses etapes en cas que també es tingui en compte i es tingui en compte la caiguda del transistor de suavitzat final.

D'altra banda, la tensió a l'escenari d'un díode Schottky típic és de 0,3 V. la tensió de sortida produïda per un duplicador de tensió estarà en el rang de 2,7 V si utilitza un díode Schottky o de 2,4 V si utilitza un díode de suavització.

Condensadors commutats acoblats

Els circuits de condensadors commutats acoblats creuadament són coneguts perquè la tensió d'entrada és molt baixa. Es pot requerir una bateria unicel·lular als equips que funcionen amb bateria sense fils, com ara cercadors i dispositius Bluetooth, per subministrar energia contínuament quan s’ha descarregat a menys d’un volt.

Figura 9. Doblador de tensió del condensador commutat acoblat creuat

El transistor Q2 està apagat per si el rellotge és baix. Al mateix temps, el transistor Q1 s’encén si el rellotge és alt i això provoca la càrrega del condensador C1 a la tensió Vn. la placa superior de C1 s’impulsa cap amunt per doblar el Vin en cas que el Ø1 s’elevi.

Per tal que aquesta tensió aparegui com a sortida, l’interruptor S1 es tanca al mateix temps. A més, al mateix temps es permet carregar C2 activant el Q2.

Els rols dels components s’inverteixen en el proper semicicle: Ø1 serà baix, S1 s’obrirà, Ø2 serà alt i S2 es tancarà.

Així, alternativament, des de cada costat del circuit, la tensió de sortida es subministra amb 2Vin. la pèrdua incorreguda en aquest circuit és baixa, ja que hi ha una manca de MOSFET amb cable de díode i els problemes de tensió llindar associats.

Un dels altres avantatges del circuit és que duplica la freqüència d'ondulació, ja que hi ha dos duplicadors de tensió presents que subministren la sortida eficaçment dels rellotges de fase.

L’inconvenient bàsic d’aquest circuit és que es troba que les capacitats perdudes del multiplicador de Dickinson són molt menys significatives que aquest circuit i, per tant, suposen la major part de les pèrdues que es produeixen en aquest circuit.

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