Spenningsmultiplikator - Voltage multiplier

Villard kaskadespenningsmultiplikator.

En spenningsmultiplikator er en elektrisk krets som konverterer vekselstrøm fra en lavere spenning til en høyere likspenning, vanligvis ved bruk av et nettverk av kondensatorer og dioder .

Spenningsmultiplikatorer kan brukes til å generere noen få volt for elektroniske apparater, til millioner volt for formål som fysiske eksperimenter med høy energi og testing av lyn. Den vanligste typen spenningsmultiplikator er halvbølgeseriemultiplikatoren, også kalt Villard-kaskaden (men faktisk oppfunnet av Heinrich Greinacher ).

Operasjon

Forutsatt at toppspenningen til AC -kilden er +U s , og at C -verdiene er tilstrekkelig høye til å tillate at en strøm strømmer uten vesentlig endring i spenning, så er kaskadens (forenklede) virkning som følger:

Illustrasjon av den beskrevne operasjonen, med +U s = 100 V
  1. negativ topp (−U s ): C 1 -kondensatoren lades gjennom diode D 1 til U s  V ( potensialforskjell mellom venstre og høyre plate på kondensatoren er U s )
  2. positiv topp (+U s ): potensialet til C 1 legger til med kildens, og lader dermed C 2 til 2 U s til D 2
  3. negative spiss: potensialet i C 1 har falt til 0 V og dermed tillater C- 3 for å lades opp via D 3 til 2U s .
  4. positiv topp: potensialet til C 2 stiger til 2U s (analogt med trinn 2), og lader også C 4 til 2U s . Utgangsspenningen (summen av spenninger under C 2 og C 4 ) stiger til 4U s er nådd.

I virkeligheten kreves flere sykluser for at C 4 skal nå full spenning. Hvert tilleggstrinn på to dioder og to kondensatorer øker utgangsspenningen med det dobbelte av toppspenningen for vekselstrøm.

Spenningsdobbel og tripler

En Cockcroft-Walton spennings firedoblingskrets. Den genererer en DC -utgangsspenning V o på fire ganger toppen av AC -inngangsspenningen V i

En spenningsdobbler bruker to trinn til omtrent det dobbelte av DC-spenningen som ville ha blitt oppnådd fra en ett-trinns likeretter . Et eksempel på en spenningsdobbler finnes i inngangstrinnet til brytermodus -strømforsyninger som inneholder en SPDT -bryter for å velge enten 120 V eller 240 V forsyning. I 120 V-posisjonen er inngangen vanligvis konfigurert som en fullbølgespenning dobler ved å åpne et AC-tilkoblingspunkt for en bro-likeretter, og koble inngangen til krysset mellom to seriekoblede filterkondensatorer. For 240 V-drift konfigurerer bryteren systemet som en fullbølge-bro, og kobler kondensatorens midtkranstråd til den åpne vekselstrømsterminalen på et bro-likerettersystem. Dette tillater 120 eller 240 V drift med tillegg av en enkel SPDT -bryter.

En spenningstripler er en tretrinns spenningsmultiplikator. En tripler er en populær type spenningsmultiplikator. Utgangsspenningen til en tripler er i praksis under tre ganger maksimal inngangsspenning på grunn av deres høye impedans , delvis forårsaket av det faktum at hver kondensator i kjeden leverer strøm til den neste, den utlades delvis og mister spenning.

Triplere ble ofte brukt i fargefjernsynsmottakere for å gi høyspenningen til katodestrålerøret (CRT, bilderør).

Triplere brukes fortsatt i høyspenningsforsyninger som kopimaskiner , laserskrivere , bugzappere og elektrosjokkvåpen .

Spenningsammenbrudd

Selv om multiplikatoren kan brukes til å produsere tusenvis av volt, trenger ikke de enkelte komponentene å bli klassifisert for å tåle hele spenningsområdet. Hver komponent trenger bare å være bekymret for de relative spenningsforskjellene direkte over sine egne terminaler og komponentene like ved siden av den.

Vanligvis vil en spenningsmultiplikator være fysisk anordnet som en stige, slik at det gradvis økende spenningspotensialet ikke gis muligheten til å bue over til de mye lavere potensielle delene av kretsen.

Vær oppmerksom på at det er nødvendig med en sikkerhetsmargin over det relative spenningsforskjellene i multiplikatoren, slik at stigen kan overleve den korte feilen på minst én diode eller kondensatorkomponent. Ellers kan en enkeltpunkts kortslutningssvikt suksessivt overspenne og ødelegge hver neste komponent i multiplikatoren, og potensielt ødelegge hele multiplikatorkjeden.

Andre kretstopologier

To kaskader drevet av en enkelt senter-tappet transformator. Denne konfigurasjonen gir fullbølge-utbedring som fører til mindre ringvirkninger, og ved kollaps fra lysbue kan kapasitiv energi avbrytes.
Stacking
En andre kaskade stablet på den første drevet av en høyspenningsisolert andre sekundærvikling. Den andre viklingen er koblet til 180 ° faseforskyvning for å få full bølge -utbedring. De to viklingene må isoleres mot den store spenningen mellom dem.
En enkelt sekundærvikling av en transformator som driver to kaskader med motsatt polaritet samtidig. Stablingen av de to kaskadene gir en utgang på det dobbelte av spenningen, men med bedre ringvirkninger og kondensatorladingskarakteristika enn det som ville oppnås med en enkelt lang kaskade med samme spenning.

Et jevnt antall diodekondensatorceller brukes i en hvilken som helst kolonne slik at kaskaden ender på en utjevningscelle. Hvis det var merkelig og endte på en klemmecelle, ville ringespenningen være veldig stor. Større kondensatorer i tilkoblingssøylen reduserer også ringvirkning, men på bekostning av ladetid og økt diodestrøm.

Dickson ladepumpe

Standard Dickson ladepumpe (4 trinn: 5 × multiplikator)

Den Dickson ladningspumpe , eller Dickson multiplikator , er en modifikasjon av Greinacher / Cockcroft-Walton multiplikator . I motsetning til den kretsen tar imidlertid Dickson-multiplikatoren en DC-forsyning som inngang, så det er en form for DC-til-DC-omformer . I motsetning til Greinacher/Cockcroft-Walton som brukes på høyspenningsapplikasjoner, er Dickson-multiplikatoren også beregnet på lavspenningsformål. I tillegg til DC -inngangen, krever kretsen en mating av to klokkepulstog med en amplitude som svinger mellom DC -tilførselsskinnene. Disse pulstogene er i antifase.

For å beskrive den ideelle driften av kretsen, nummerer du dioder D1, D2 etc. fra venstre til høyre og kondensatorene C1, C2 etc. Når klokken er lav, vil D1 lade C1 til V in . Når den går høyt, skyves topplaten til C1 opp til 2 V in . D1 slås deretter av og D2 slås på og C2 begynner å lade til 2 V in . På neste klokkesyklus går igjen lavt og går nå høyt og skyver topplaten på C2 til 3 V inn . D2 slår seg av og D3 slås på, lader C3 til 3 V inn og så videre med ladning som passerer kjedet, derav navnet ladningspumpe . Den siste diode-kondensatorcellen i kaskaden er koblet til jord i stedet for en klokkefase og er derfor ikke en multiplikator; det er en toppdetektor som bare gir utjevning .

Det er en rekke faktorer som reduserer effekten fra det ideelle tilfellet av nV in . En av disse er terskelspenningen, V T til koblingsenheten, det vil si spenningen som kreves for å slå den på. Utgangen reduseres med minst nV T på grunn av voltfallene over bryterne. Schottky -dioder brukes ofte i Dickson -multiplikatorer på grunn av deres lave spenningsfall fremover, blant andre grunner. En annen vanskelighet er at det er parasittiske kapasitanser til jord ved hver node. Disse parasittiske kapasitansene fungerer som spenningsdelere med kretsens lagringskondensatorer som reduserer utgangsspenningen ytterligere. Opp til et punkt er en høyere klokkefrekvens fordelaktig: krusningen reduseres og den høye frekvensen gjør det lettere å filtrere den gjenværende krusningen. Også størrelsen på nødvendige kondensatorer reduseres siden mindre ladning må lagres per syklus. Imidlertid øker tapene ved avledende kapasitans med økende klokkefrekvens og en praktisk grense rundt noen hundre kilohertz.

Dickson ladepumpe ved hjelp av diode-kablet MOSFET (fire trinn: 5 × multiplikator)

Dickson-multiplikatorer finnes ofte i integrerte kretser (IC) hvor de brukes til å øke lavspenningsbatteritilførselen til spenningen IC trenger. Det er fordelaktig for IC -designeren og produsenten å kunne bruke samme teknologi og samme grunnleggende enhet gjennom hele IC -en. Av denne grunn er transistoren som utgjør den grunnleggende byggesteinen i kretsene i de populære CMOS -teknologi -IC -ene MOSFET . Følgelig blir dioder i Dickson -multiplikatoren ofte erstattet med MOSFET -er koblet til for å oppføre seg som dioder.

Dickson ladepumpe med lineær MOSFET parallelt med diode-kablet MOSFET (4 trinn: 5 × multiplikator)

Den diodekoblede MOSFET-versjonen av Dickson-multiplikatoren fungerer ikke veldig bra ved veldig lave spenninger på grunn av de store dreneringskildespenningsfallene til MOSFET-ene. Ofte brukes en mer kompleks krets for å overvinne dette problemet. En løsning er å koble parallelt med bytte MOSFET en annen MOSFET forspent i sin lineære region. Denne andre MOSFET har en lavere dreneringsspenning enn den MOSFET-koblingen ville ha alene (fordi MOSFET-bryteren drives hardt på) og følgelig økes utgangsspenningen. Porten til den lineære forspente MOSFET er koblet til utgangen til neste trinn slik at den slås av mens neste trinn lades fra forrige trinns kondensator. Det vil si at den lineære forspente transistoren slås av samtidig som koblingstransistoren.

En ideell 4-trinns Dickson multiplikator (5 x multiplikator) med en inngang på 1,5 V vil gi en produksjon på 7,5 V . Imidlertid kan en diodekoblet MOSFET 4-trinns multiplikator kun har en effekt på 2 V . Legge parallelle MOSFET i det lineære området forbedrer dette til rundt 4 V . Mer komplekse kretser kan fremdeles oppnå en utgang mye nærmere det ideelle tilfellet.

Mange andre variasjoner og forbedringer av den grunnleggende Dickson -kretsen eksisterer. Noen prøver å redusere bryterterskelspenningen, for eksempel Mandal-Sarpeshkar-multiplikatoren eller Wu-multiplikatoren. Andre kretser avbryter terskelspenningen: Umeda -multiplikatoren gjør det med en eksternt levert spenning og Nakamoto -multiplikatoren gjør det med internt generert spenning. Bergeret -multiplikatoren konsentrerer seg om å maksimere energieffektiviteten.

Modifikasjon for RF -strøm

Modifisert Dickson ladepumpe (2 trinn: 3 × multiplikator)

I integrerte CMOS -kretser er klokkesignaler lett tilgjengelig, eller ellers enkelt generert. Dette er ikke alltid tilfellet i RF -integrerte kretser, men ofte vil en kilde til RF -strøm være tilgjengelig. Standard Dickson -multiplikatorkrets kan endres for å oppfylle dette kravet ved ganske enkelt å jorde den normale inngangen og en av klokkeinngangene. RF -strøm injiseres i den andre klokkeinngangen, som deretter blir kretsinngangen. RF -signalet er effektivt både klokken og strømkilden. Siden klokken bare injiseres i hver annen node, oppnår kretsen imidlertid bare et multiplikasjonstrinn for hver andre diodekondensatorcelle. De andre diodekondensatorcellene fungerer bare som toppdetektorer og glatter krusningen uten å øke multiplikasjonen.

Krysskoblet koblet kondensator

Kaskade av krysskoblede MOSFET spenningsdobblere (3 trinn: 4 × multiplikator)

En spenningsmultiplikator kan dannes av en kaskade av spenningsdobblere av den krysskoblede koblede kondensatortypen . Denne typen krets brukes vanligvis i stedet for en Dickson -multiplikator når kildespenningen er 1,2 V eller mindre. Dickson-multiplikatorer har stadig dårligere effektkonverteringseffektivitet ettersom inngangsspenningen synker fordi spenningsfallet over de diodetrådede transistorer blir mye mer signifikant sammenlignet med utgangsspenningen. Siden transistorene i den krysskoblede kretsen ikke er diodetrådede, er ikke voltfallsproblemet så alvorlig.

Kretsen fungerer ved å vekselvis bytte utgangen fra hvert trinn mellom en spenningsdobbler drevet av og en drevet av . Denne oppførselen fører til en annen fordel i forhold til Dickson -multiplikatoren: redusert ringespenning ved dobbel frekvens. Økningen i krusningsfrekvensen er fordelaktig fordi den er lettere å fjerne ved filtrering. Hvert trinn (i en ideell krets) øker utgangsspenningen med toppklokkespenningen. Forutsatt at dette er samme nivå som DC -inngangsspenningen, vil en n -trinnsmultiplikator (ideelt sett) sende ut nV inn . Hovedårsaken til tap i den krysskoblede kretsen er parasittisk kapasitans i stedet for å bytte terskelspenning. Tapene oppstår fordi noe av energien må gå til å lade opp parasittkapasitansene på hver syklus.

applikasjoner

TV -kaskade (grønn) og flyback -transformator (blå).

Høyspenningstilførselene til katodestrålerør (CRT) i TV-er bruker ofte spenningsmultiplikatorer med den siste fasen utjevningskondensatoren dannet av innvendig og utvendig akvadagbelegg på selve CRT. CRT -er var tidligere en vanlig komponent i TV -apparater. Spenningsmultiplikatorer kan fremdeles finnes i moderne TV -er, kopimaskiner og bugzappere .

Høyspentmultiplikatorer brukes i spraymaling utstyr, oftest funnet i bilindustrien produksjonsanlegg. En spenningsmultiplikator med en effekt på ca. 100kV brukes i munnstykket på malingssprøyten for å lade de forstøvede malingspartiklene elektrisk som deretter tiltrekkes av de motsatt ladede metalloverflatene som skal males. Dette bidrar til å redusere volumet av maling som brukes og bidrar til å spre et jevnt lag med maling.

En vanlig type spenningsmultiplikator som brukes i høyenergifysikk er Cockcroft-Walton-generatoren (som ble designet av John Douglas Cockcroft og Ernest Thomas Sinton Walton for en partikkelakselerator for bruk i forskning som vant dem Nobelprisen i fysikk i 1951) .

Se også

  • Marx generator (en enhet som bruker gnistgap i stedet for dioder som koblingselementer og kan levere høyere toppstrømmer enn dioder kan).
  • Boost-omformer (en DC-til-DC-effektomformer som øker spenningen, ofte ved hjelp av en induktor)

Merknader

Bibliografi

  • Campardo, Giovanni; Micheloni, Rino; Novosel, David VLSI-design of Non-volatile Memories , Springer, 2005 ISBN  3-540-20198-X .
  • Lin, Yu-Shiang kretser for lav effekt for miniatyrsensorsystemer , Publisher ProQuest, 2008 ISBN  0-549-98672-3 .
  • Liu, Mingliang Demystifying Switched Condacitor Circuits , Newnes, 2006 ISBN  0-7506-7907-7 .
  • McGowan, Kevin, Semiconductors: From Book to Breadboard , Cengage Learning, 2012 ISBN  1133708382 .
  • 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 .
  • 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 .

Eksterne linker