Войти
A 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 входе.
Простейшая из этих схем представляет собой форму выпрямителя, который принимает переменное напряжение в качестве входа и выдает удвоенное постоянное напряжение. Переключающие элементы представляют собой простые диоды, и их переключение приводится в действие просто 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 , вместо того, чтобы полагаться на напряжение на переключателе, как в простом случае преобразования переменного тока в постоянный.
Удвоители напряжения представляют собой разновидность схемы умножителя напряжения. Многие, но не все, схемы удвоителя напряжения можно рассматривать как одиночный каскад умножителя более высокого порядка: каскадирование идентичных каскадов вместе обеспечивает большее умножение напряжения.
Рисунок 1 . Схема Виллара Схема Виллара, задуманная Полем Ульрихом Виллар, состоит просто из конденсатора и диода. Несмотря на то, что он имеет большое преимущество простоты, его выходной сигнал имеет очень плохие характеристики пульсации. По сути, схема представляет собой схему диодного зажима. Конденсатор заряжается за отрицательные полупериоды до пикового напряжения переменного тока (V pk). 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 волны переменного тока «фиксируются» диодом на уровне 0 В (фактически -V F, небольшое прямое напряжение смещения диода), поэтому положительные пики выходной волны составляют 2 В стр.. Пульсации от пика до пика составляют огромные 2V pk и не могут быть сглажены, если только схема не будет эффективно преобразована в одну из более сложных форм. Это схема (с перевернутым диодом), используемая для подачи отрицательного высокого напряжения на магнетрон в микроволновой печи.
Рисунок 2 . Схема Грайнахера Удвоитель напряжения Грайнахера 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 номинала используемых конденсаторов. Схема работает, следуя за каскадом ячейки Виллара с тем, что по сути является детектором пиков или детектором огибающей. Ячейка пикового детектора устраняет большую часть пульсаций при сохранении пикового напряжения на выходе. Схема Грейнахера также широко известна как полуволновой удвоитель напряжения.
Рисунок 3 . Счетверитель напряжения - две ячейки Грейнахера с противоположной полярностью Эта схема была впервые изобретена Генрихом Грайнахером в 1913 году (опубликована в 1914 году) для обеспечения 200–300 В, необходимых ему для его недавно изобретенного ионометра, 110 В переменного тока, подаваемого электростанциями Цюрих, в то время было недостаточно. Позже он расширил эту идею до каскада умножителей в 1920 году. Этот каскад ячеек Грейнахера часто неточно называют каскадом Виллара. Его также называют множителем Кокрофта – Уолтона в честь ускорителя частиц, построенного Джоном Кокрофтом и Эрнестом Уолтоном, которые независимо открыли схема в 1932 году. Концепция этой топологии может быть расширена до схемы учетверения напряжения с использованием двух ячеек Грейнахера противоположной полярности, питаемых от одного и того же источника переменного тока. Выходной сигнал принимается через два отдельных выхода. Как и в случае мостовой схемы, невозможно одновременно заземлить вход и выход этой схемы.
Рисунок 4 . Мостовой (Делон) удвоитель напряжения В схеме Делона используется мостовая топология для удвоения напряжения; следовательно, его также называют двухполупериодным удвоителем напряжения . Эта форма цепи одно время обычно использовалась в телевизорах с электронно-лучевой трубкой , где она использовалась для обеспечения питания сверхвысокого напряжения (EHT). Генерация напряжений более 5 кВ с помощью трансформатора имеет проблемы с безопасностью с точки зрения бытового оборудования и в любом случае неэкономична. 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 eht на сетевом трансформаторе, либо были приложены к форме волны на линии обратные катушки.
Схема состоит из двух полуволновых пиковых детекторов, работающих точно так же как 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.
Рисунок 5. Удвоитель напряжения на переключаемых конденсаторах достигается простым переключением заряженных конденсаторов с параллельного на последовательный Можно использовать простые схемы диод-конденсатор, описанные выше, чтобы удвоить напряжение источник постоянного тока путем установки перед удвоителем напряжения цепи прерывателя . Фактически, это преобразует постоянный ток в переменный перед подачей на удвоитель напряжения. 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 схемы переключаемых конденсаторов. 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 требуется мало или совсем не требуется дополнительных схем.
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 много различных переключающих устройств, но в интегральных схемах MOSFET устройства часто используются.
Рисунок 6. Схема удвоителя напряжения накачки заряда Другой Основная концепция - это подкачка заряда, вариант которой схематично показан на рисунке 6. Конденсатор подкачки заряда, C P, сначала заряжается до входного напряжения. Затем он переключается на зарядку выходного конденсатора C O последовательно с входным напряжением, в результате чего C O в конечном итоге заряжается до удвоенного входного напряжения. Может пройти несколько циклов, прежде чем нагнетательный насос завершит полную зарядку C O, но после достижения устойчивого состояния C P необходимо только накачать небольшое количество заряда, эквивалентное который подается в нагрузку из C O. Пока C O отключен от зарядного насоса, он частично разряжается в нагрузку, что приводит к пульсации на выходном напряжении. 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.
Рис. 7. Удвоитель напряжения зарядовой накачки Диксона Зарядная накачка Диксона, или Умножитель Диксона состоит из каскада диодно-конденсаторных ячеек с нижней пластиной каждого конденсатора, управляемой последовательностью тактовых импульсов. 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.
Умножитель Диксона часто используется в интегральных схемах, где напряжение питания (например, от батареи) ниже, чем требуется схемой. 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 заменяются транзисторами этого типа, но они соединяются так, чтобы функционировать как диод - конструкция, называемая MOSFET с диодной проводкой. На рисунке 8 показан удвоитель напряжения Диксона, использующий полевые МОП-транзисторы с n-канальным соединением с диодной проводкой.
Рисунок 8. Удвоитель напряжения Диксона с использованием полевых МОП-транзисторов с диодной проводкой Существует множество вариантов и улучшений 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. При идеальных переключающих элементах выход является целым кратным входу (два для удвоителя), но с одноэлементной батареей в качестве источника входа и переключателями MOSFET выход будет намного меньше, чем это значение, поскольку большая часть напряжения будет падать. через транзисторы. Для схемы, использующей дискретные компоненты, 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 компенсируют его недостатки повышенной сложностью схемы.
Например, элемент щелочной батареи 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 составлять 0,9 В. Этот «удвоитель» напряжения сможет повысить выходное напряжение только примерно на 0,6 В до 2,1 В. Если также принять во внимание падение напряжения на конечном сглаживающем транзисторе, то схема не сможет увеличить напряжение. вообще без использования нескольких этапов. Типичный диод Шоттки, с другой стороны, может иметь напряжение в открытом состоянии 0,3 В. Удвоитель, использующий этот диод Шоттки, даст в результате напряжение 2,7 В или 2,4 В. на выходе после сглаживающего диода
Рис. 9. Перекрестно-связанный удвоитель напряжения на переключаемых конденсаторах Схемы перекрестно-коммутируемых 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 питания, когда он разряжен ниже напряжения.
Когда часы 
Потери в этой схеме низкие, потому что нет диодных полевых МОП-транзисторов и связанных с ними проблем 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 намного более значительны, чем у умножителя Диксона, и составляют большую часть потерь в этой схеме.
