Spennings dobler - Voltage doubler

En spenningsdobbler er en elektronisk krets som lader kondensatorer fra inngangsspenningen og bytter disse ladningene på en slik måte at i det ideelle tilfellet produseres nøyaktig to ganger spenningen ved utgangen som ved inngangen.

Den enkleste av disse kretsene er en form for likeretter som tar en AC -spenning som inngang og gir ut en doblet DC -spenning. Bryterelementene er enkle dioder, og de drives bare til å bytte tilstand av inngangens vekselspenning. DC-til-DC spenningsdobblere kan ikke bytte på denne måten og krever en drivkrets for å kontrollere koblingen. De krever ofte også et koblingselement som kan styres direkte, for eksempel en transistor , i stedet for å stole på spenningen over bryteren som i den enkle AC-til-DC-saken.

Spenningsdobblere er en rekke spenningsmultiplikatorskretser . Mange, men ikke alle, spenningsdoble kretser kan sees på som et enkelt trinn i en multiplikator av høyere orden: ved å kaskade identiske trinn oppnås en større spenningsmultiplikasjon.

Spenningsdoble likerettere

Villard krets

Figur 1 . Villard krets

Den Villard krets , unnfanget av Paul Ulrich Villard , bare består av en kondensator og en diode. Selv om den har den store fordelen med enkelhet, har produksjonen svært dårlige ringvirkninger . I hovedsak er kretsen en diode klemme krets. Kondensatoren lades på de negative halvsyklusene til toppspenningen ( V _pk ). Utgangen er superposisjonen til inngangens AC -bølgeform og kondensatorens jevne likestrøm. Kretsens effekt er å forskyve bølgeformens likverdi. De negative toppene til AC -bølgeformen "klemmes" til 0 V (faktisk - V _F , diodenes lille forspenningsspenning) av dioden, derfor er de positive toppene til utgangsbølgeformen 2 V _pk . Rippelen fra topp til topp er en enorm 2 V _pk og kan ikke glattes med mindre kretsen effektivt blir til en av de mer sofistikerte formene. Dette er kretsen (med omvendt diode) som brukes til å levere den negative høyspenningen til magnetronen i en mikrobølgeovn.

Greinacher krets

Figur 2 . Greinacher krets

Den Greinacher spen-ningsdobling er en betydelig forbedring i forhold til Villard krets for en liten kostnad i ytterligere komponenter. Krusningen er mye redusert, nominelt null under belastningsforhold i åpen krets, men når strøm trekkes avhenger av belastningenes motstand og verdien av kondensatorene som brukes. Kretsen fungerer ved å følge et Villard -cellestadium med det som i hovedsak er et toppdetektor- eller konvoluttdetektortrinn . Toppdetektorcellen har den effekten at den fjerner mesteparten av krusningen samtidig som toppspenningen ved utgangen bevares. Greinacher-kretsen er også ofte kjent som halvbølgespenningsdobbleren .

Figur 3 . Spennings firedobler - to Greinacher -celler med motsatt polaritet

Denne kretsen ble først oppfunnet av Heinrich Greinacher i 1913 (utgitt 1914) for å gi 200–300 V han trengte til sitt nyoppfunnede ionometer , 110 V AC levert av datidens kraftstasjoner i Zürich var utilstrekkelig. Senere utvidet han denne ideen til en kaskade av multiplikatorer i 1920. Denne kaskaden av Greinacher -celler blir ofte unøyaktig referert til som en Villard -kaskade. Det kalles også en Cockcroft - Walton -multiplikator etter partikkelakselerator -maskinen som ble bygget av John Cockcroft og Ernest Walton , som uavhengig oppdaget kretsen i 1932. Konseptet i denne topologien kan utvides til en spennings -firdoble krets ved å bruke to Greinacher -celler med motsatt polariteter drevet fra samme AC -kilde. Utgangen blir tatt på tvers av de to individuelle utgangene. Som med en brokrets er det umulig å jorde inngangen og utgangen til denne kretsen samtidig.

Delon krets

Figur 4 . Bridge (Delon) spennings dobler

Den Delon Kretsen benytter en bro topologi for spenningsdobling; Følgelig er det også kalles en hel bølge spen-ningsdobling. Denne formen for krets ble på en gang ofte funnet i katodestrålerør -fjernsynsapparater der den ble brukt til å gi en ekstra høy spenning (EHT) forsyning. Generering av spenninger over 5 kV med en transformator har sikkerhetsproblemer når det gjelder husholdningsutstyr og er uansett uøkonomisk. Imidlertid krevde svart -hvitt fjernsyn en eht på 10 kV og fargesett enda mer. Spenningsdobblere ble brukt til enten å doble spenningen på en eht -vikling på netttransformatoren eller ble påført bølgeformen på linjen flyback -spoler .

Kretsen består av to halvbølgede toppdetektorer, som fungerer på nøyaktig samme måte som toppdetektorcellen i Greinacher-kretsen. Hver av de to toppdetektorcellene opererer på motsatte halvsykluser av den innkommende bølgeformen. Siden utgangene deres er i serie, er utgangen dobbelt så høy som inngangsspenningen.

Byttet kondensatorkrets

Figur 5. Byttet kondensatorspenning dobler oppnådd ved ganske enkelt å bytte ladede kondensatorer fra parallell til serie

Det er mulig å bruke de enkle diode-kondensator kretsene beskrevet ovenfor for å doble spenningen til en likestrømskilde ved å gå foran spenningsdobbleren med en helikopterkrets . Dette konverterer faktisk DC til AC før applikasjon til spenningsdobbleren. Mer effektive kretser kan bygges ved å drive koblingsenhetene fra en ekstern klokke, slik at begge funksjonene, hakking og multiplisering, oppnås samtidig. Slike kretser er kjent som koblede kondensatorkretser . Denne tilnærmingen er spesielt nyttig i lavspenningsbatteridrevne applikasjoner der integrerte kretser krever en spenningsforsyning som er større enn batteriet kan levere. Ofte er et klokkesignal lett tilgjengelig ombord på den integrerte kretsen, og det er lite eller ingen ekstra kretser nødvendig for å generere det.

Konseptuelt er kanskje den enkleste koblede kondensatorkonfigurasjonen den som er vist skjematisk i figur 5. Her lades to kondensatorer samtidig til samme spenning parallelt. Tilførselen blir deretter slått av og kondensatorene settes i serie. Utgangen er hentet fra de to kondensatorene i serie, noe som resulterer i en utgang som dobler forsyningsspenningen. Det er mange forskjellige koblingsenheter som kan brukes i en slik krets, men i integrerte kretser brukes ofte MOSFET -enheter.

Figur 6. Skjema for doble pumpespenninger

Et annet grunnleggende konsept er ladepumpen , hvis versjon er vist skjematisk i figur 6. Ladningspumpekondensatoren, C _P , blir først ladet til inngangsspenningen. Det blir deretter svitsjet til lading av kondensatoren utgang, C _O , i serie med den inngangsspenning som resulterer i C _O slutt blir ladet til det dobbelte av inngangsspenningen. Det kan ta flere sykluser før ladepumpen lykkes i full lading C, _O , men etter at stabil tilstand er nådd er det bare nødvendig for C _P å pumpe en liten mengde av ladning tilsvarende det som blir tilført til lasten fra C- _O . Mens _CO er koblet fra ladningspumpen, tømmes den delvis inn i lasten, noe som resulterer i ringvirkninger på utgangsspenningen. Denne krusningen er mindre for høyere klokkefrekvenser siden utladningstiden er kortere, og er også lettere å filtrere. Alternativt kan kondensatorene gjøres mindre for en gitt krusningsspesifikasjon. Den praktiske maksimale klokkefrekvensen i integrerte kretser er vanligvis i hundrevis av kilohertz.

Dickson ladepumpe

Figur 7. Dickson ladepumpe spennings-dobler

Dickson -ladningspumpen, eller Dickson -multiplikatoren , består av en kaskade av diode/kondensatorceller med bunnplaten til hver kondensator drevet av et klokkeimpulstog . Kretsen er en modifikasjon av Cockcroft-Walton-multiplikatoren, men tar en DC-inngang med klokketogene som gir koblingssignalet i stedet for AC-inngangen. Dickson -multiplikatoren krever normalt at alternative celler drives fra klokkepulser i motsatt fase. Siden en spenningsdobbler, vist i figur 7, krever imidlertid bare ett trinn av multiplikasjon, kreves det bare ett klokkesignal.

Dickson -multiplikatoren brukes ofte i integrerte kretser der forsyningsspenningen (for eksempel fra et batteri) er lavere enn den som kreves av kretsene. Det er fordelaktig i integrert kretsproduksjon at alle halvlederkomponentene er av i utgangspunktet samme type. MOSFET er vanligvis standard logikkblokk i mange integrerte kretser. Av denne grunn blir dioder ofte erstattet av denne typen transistor, men kablet til å fungere som en diode - et arrangement som kalles en diode -kablet MOSFET. Figur 8 viser en Dickson spenningsdobbler som bruker diode-kablede n-kanals forbedringstype MOSFET.

Figur 8. Dickson spennings dobler ved hjelp av diode-kablede MOSFET-er

Det er mange variasjoner og forbedringer av den grunnleggende Dickson ladepumpen. Mange av disse er opptatt av å redusere effekten av transistorens avløpskildespenning. Dette kan være veldig betydelig hvis inngangsspenningen er liten, for eksempel et lavspenningsbatteri. Med ideelle koblingselementer er utgangen et integrert multiplum av inngangen (to for en dobler), men med et encellet batteri som inngangskilde og MOSFET-brytere vil utgangen være langt mindre enn denne verdien siden mye av spenningen vil falle på tvers av transistorene. For en krets som bruker diskrete komponenter, ville Schottky -dioden være et bedre valg av koblingselement for sitt ekstremt lave spenningsfall i på -tilstand. Imidlertid foretrekker integrerte kretsdesignere å bruke den lett tilgjengelige MOSFET og kompensere for manglene med økt kretskompleksitet.

Som et eksempel, et alkalisk batteri har cellen en nominell spenning på 1,5 V . En spen-ningsdobling ved hjelp ideelle svitsje-elementer med null spenningsfall vil produksjonen doble dette, nemlig 3,0 volt . Imidlertid emitter-spenningsfallet over en diode-kablet MOSFET når det er i på-tilstand må være minst portterskelspenningen som kan typisk være 0,9 V . Denne spenningen "dobbler" vil bare lykkes i å øke utgangsspenningen med om lag 0,6 V til 2,1 V . Hvis det også tas hensyn til fallet over den endelige utjevningstransistoren, kan det hende at kretsen ikke kan øke spenningen i det hele tatt uten å bruke flere trinn. En typisk Schottky-diode, på den annen side, kan ha en på-tilstand spenning på 0,3 V . En dobleren ved hjelp av denne Schottky-diode vil resultere i en spenning på 2,7 V , eller på utgangen etter utjevnings diode, 2,4 V .

Krysskoblede koblede kondensatorer

Figur 9. Krysskoblet koblet kondensator spenning dobler

Krysskoblede koblede kondensatorkretser kommer til sin rett for svært lave inngangsspenninger. Trådløst batteridrevet utstyr som personsøkere, bluetooth-enheter og lignende kan kreve at et encellet batteri fortsetter å levere strøm når det er utladet til under en volt.

Når klokken er lav transistor Q ₂ er slått av. Samtidig klokke er høy tenning av transistoren Q ₁ resulterer i kondensatoren C ₁ blir belastet til V _i . Når den går høyt, skyves topplaten til C ₁ opp til to V _inn . Samtidig bryter S ₁ lukkes, slik at denne spenning fremkommer ved utgangen. Samtidig er Q ₂ slått på slik at C ₂ kan lades. I den neste halve syklusen vil rollene bli omvendt: vil være lav, vil være høy, S ₁ vil åpne og S ₂ stenge. Således blir utgangs forsynt med to V _i vekselvis fra hver side av kretsen. ${\ displaystyle \ phi _ {1} \}$${\ displaystyle \ phi _ {2} \}$${\ displaystyle \ phi _ {1} \}$${\ displaystyle \ phi _ {1} \}$${\ displaystyle \ phi _ {2} \}$

Tapet er lavt i denne kretsen fordi det ikke er noen diode-tilkoblede MOSFET-er og tilhørende terskelspenningsproblemer. Kretsen har også fordelen at krusningsfrekvensen dobles fordi det faktisk er to spenningsdobblere som begge leverer utgangen fra faseklokker. Den primære ulempen med denne kretsen er at herreløse kapasitanser er mye mer signifikante enn med Dickson -multiplikatoren og står for den største delen av tapene i denne kretsen.

Se også

• Boost -omformer
• Buck-boost-omformer
• DC til DC omformer
• Flyback -omformer

Referanser

Bibliografi

• Ahmed, Syed Imran Pipelined ADC Design and Enhancement Techniques , Springer, 2010 ISBN  90-481-8651-X .
• Bassett, RJ; Taylor, PD (2003), "17. Power Semiconductor Devices", Electrical Engineer's Reference Book , Newnes, s. 17/1–17/37, ISBN 0-7506-4637-3
• Campardo, Giovanni; Micheloni, Rino; Novosel, David VLSI-design of Non-volatile Memories , Springer, 2005 ISBN  3-540-20198-X .
• Snill, Dieter; Feser, Kurt (2001), oversetter Y. Narayana Rao (red.), High-voltage Test Techniques , Newnes, ISBN 0-7506-5183-0
• Kories, Ralf; Schmidt-Walter, Heinz Taschenbuch der Elektrotechnik: Grundlagen und Elektronik , Deutsch Harri GmbH, 2004 ISBN  3-8171-1734-5 .
• Liou, Juin J .; Ortiz-Conde, Adelmo; García-Sánchez, F. Analyse og design av MOSFETs , Springer, 1998 ISBN  0-412-14601-0 .
• Liu, Mingliang (2006), Demystifying Switched Condacitor Circuits , Newnes, ISBN 0-7506-7907-7
• McComb, Gordon Gordon McCombs gadgeteerens gullgruve! , McGraw-Hill Professional, 1990 ISBN  0-8306-3360-X .
• Mehra, J; Rechenberg, H The Historical Development of Quantum Theory , Springer, 2001 ISBN  0-387-95179-2 .
• Millman, Jacob; Halkias, Christos C. Integrated Electronics , McGraw-Hill Kogakusha, 1972 ISBN  0-07-042315-6 .
• Peluso, Vincenzo; Steyaert, Michiel; Sansen, Willy MC Design av lavspennings lavt effekt CMOS Delta-Sigma A/D-omformere , Springer, 1999 ISBN  0-7923-8417-2 .
• Ryder, JD (1970), Electronic Fundamentals & Applications , Pitman Publishing, ISBN 0-273-31491-2
• Wharton, W .; Howorth, D. Principles of Television Reception , Pitman Publishing, 1971 ISBN  0-273-36103-1 .
• Yuan, Fei CMOS-kretser for passive trådløse mikrosystemer , Springer, 2010 ISBN  1-4419-7679-5 .
• Zumbahlen, Hank Linear Circuit Design Handbook , Newnes, 2008 ISBN  0-7506-8703-7 .

Hoved kilde