Spiegazione dei circuiti moltiplicatori di tensione

Il dispositivo del circuito elettronico che viene utilizzato per aumentare la tensione a un ordine 2x caricando i condensatori da una tensione di ingresso inferiore è noto come duplicatore di tensione.

La corrente di carica viene commutata in modo tale che, in qualsiasi situazione ideale, la tensione prodotta in uscita sia esattamente due volte quella della tensione in ingresso.

Moltiplicatore di tensione più semplice utilizzando diodi

La forma più semplice di circuito duplicatore di tensione sono un tipo di raddrizzatore che assume l'ingresso sotto forma di tensione in corrente alternata (CA) e produce una doppia ampiezza di tensione (CC) come uscita.

I diodi semplici vengono utilizzati come elementi di commutazione e un ingresso sotto forma di semplice tensione alternata viene utilizzato per pilotare questi diodi in uno stato di commutazione.

È richiesto un circuito di pilotaggio aggiuntivo per controllare la velocità di commutazione nel caso in cui i duplicatori di tensione utilizzati siano di tipo da CC a CC poiché non possono essere commutati nel modo sopra.

I circuiti del convertitore di tensione da CC a CC la maggior parte delle volte richiedono un altro dispositivo aggiuntivo chiamato elemento di commutazione che può essere facilmente e direttamente controllato come in un transistor.

Pertanto, quando utilizza un elemento di commutazione, non deve dipendere dalla tensione presente ai capi dell'interruttore come nel caso di una semplice forma da CA a CC.

Il duplicatore di tensione è un tipo di circuito moltiplicatore di tensione. La maggior parte dei circuiti duplicatori di tensione con poche eccezioni può essere visualizzata sotto forma di un moltiplicatore di ordine superiore in un unico stadio. Inoltre, si ottiene una maggiore quantità di moltiplicazione della tensione quando ci sono stadi identici in cascata che vengono usati insieme.

Circuito di Villard

Il circuito di Villard ha una composizione semplice costituita da un diodo e un condensatore. Da un lato dove il circuito di Villard offre vantaggi in termini di semplicità, dall'altro è anche noto per produrre output che hanno caratteristiche di ripple che sono considerate molto scadenti.

Figura 1 Circuito di Villard

Essenzialmente, il circuito di Villard è una forma di circuito a diodo. I cicli alti negativi vengono utilizzati per caricare il condensatore alla tensione di picco AC (Vpk). La forma d'onda CA come ingresso insieme alla costante sovrapposizione CC del condensatore forma l'uscita.

Il valore CC della forma d'onda viene spostato utilizzando l'effetto del circuito su di esso. Poiché il diodo blocca i picchi negativi della forma d'onda CA al valore di 0 V (in termini effettivi è –VF, che è la piccola tensione di polarizzazione diretta del diodo), i picchi positivi della forma d'onda in uscita sono del valore di 2 Vpk.

Il peak-to-peak è difficile da smussare poiché ha dimensioni enormi del valore di 2Vpk e quindi può essere smussato solo quando il circuito viene trasformato in qualsiasi altra forma più sofisticata in modo efficace.

L'alta tensione negativa viene fornita al magnetron utilizzando questo circuito (che consiste in un diodo in forma inversa) in un forno a microonde.

Circuito Greinacher

Il duplicatore di tensione Greinarcher si è dimostrato migliore del circuito Villard migliorandosi in modo significativo aggiungendo alcuni componenti aggiuntivi per un piccolo costo.

Nella condizione di carico a circuito aperto l'ondulazione si riduce molto, il più delle volte a zero ma la resistenza del carico e il valore del condensatore che viene utilizzato giocano un ruolo importante e influenzano il corrente in fase di prelievo.

Figura 2. Circuito Greinacher

Lo stadio della cella di Villard è seguito dal circuito per funzionare utilizzando uno stadio del rivelatore di inviluppo o un rivelatore di picco.

L'effetto del rilevatore di picco è tale che gran parte dell'ondulazione viene rimossa mentre l'uscita della tensione di picco viene preservata come tale.

Heinrich Greinacher fu la prima persona a inventare questo circuito nel 1913 (che fu pubblicato nel 1914) per fornire la tensione di 200-300 V di cui aveva bisogno per il suo ionometro che era di nuovo una sua nuova invenzione.

La necessità di inventare questo circuito per ottenere così tanta tensione è nata perché l'alimentazione fornita dalle centrali elettriche di Zurigo era di soli 110 V CA e quindi era insufficiente.

Heinrich sviluppò questa idea maggiormente nel 1920 e la estese per creare una cascata di moltiplicatori. La maggior parte delle volte, le persone si riferiscono a questa cascata di moltiplicatori inventata da Heinrich Greinacher come una cascata di Villard che è imprecisa e non vera.

Questa cascata di moltiplicatori è anche conosciuta come Cockroft-Walton dopo che gli scienziati John Cockroft ed Ernest Walton che avevano costruito la macchina dell'acceleratore di particelle e avevano riscoperto il circuito in modo indipendente nel 1932.

L'uso di due celle Greinacher che hanno polarità opposte tra loro ma essendo pilotate dalla stessa sorgente CA può estendere il concetto di questo tipo di topologia a un circuito quadruplicatore di tensione.

Le due uscite individuali vengono utilizzate per togliere l'uscita attraverso di esse. La messa a terra simultanea dell'ingresso e dell'uscita in questo circuito è del tutto impossibile come nel caso di un circuito a ponte.

Circuito a ponte

Il tipo di topologia utilizzato da un circuito Delon per avere il raddoppio della tensione è noto come topologia a ponte.

Uno degli usi comuni di questo tipo di circuito delon è stato riscontrato nei televisori con tubo a raggi catodici. Il circuito delon in questi televisori è stato utilizzato per fornire l'e.h.t. alimentazione di tensione.

Figura 3 Quadruplicatore di tensione: due celle Greinacher di polarità opposte

Ci sono molti rischi e problemi per la sicurezza associati alla generazione di tensioni superiori a 5kV oltre ad essere altamente antieconomici in un trasformatore, principalmente nelle apparecchiature che sono apparecchiature domestiche.

Ma un e.h.t. di 10kV è un requisito fondamentale dei televisori che sono in bianco e nero mentre i televisori a colori richiedono ancora più e.h.t.

Esistono diversi modi e mezzi con cui l'e.h.t. di tali dimensioni si ottengono come: il raddoppio della tensione sul trasformatore di rete all'interno di un avvolgimento e.h.t su di esso utilizzando duplicatori di tensione o applicando i duplicatori di tensione alla forma d'onda sulle bobine flyback di linea.

I due rilevatori di picco costituiti da semionda all'interno di un circuito sono funzionalmente simili alle celle dei rilevatori di picco che si trovano nel circuito Greinacher.

I semicicli opposti l'uno all'altro della forma d'onda in entrata vengono utilizzati per il funzionamento da ciascuna delle due celle del rivelatore di picco. L'uscita si trova sempre essere il doppio della tensione di ingresso di picco poiché le uscite da loro prodotte sono in serie.

Figura 4. Duplicatore di tensione Bridge (Delon)

Circuiti condensatori commutati

La tensione di una sorgente DC può essere raddoppiata utilizzando i circuiti diodo-condensatore che sono abbastanza semplici e sono stati descritti nella sezione precedente facendo precedere il duplicatore di tensione con l'uso di un circuito chopper.

Pertanto, questo è efficace nel convertire la CC in CA prima che passi attraverso il duplicatore di tensione. Per ottenere e realizzare circuiti più efficienti, i dispositivi di commutazione sono pilotati da un orologio esterno che è abile nel funzionamento sia in termini di triturazione che di moltiplicazione e può essere realizzato su base simultanea.

Figura 5.

Duplicatore di tensione del condensatore commutato ottenuto semplicemente commutando i condensatori carichi da parallelo a serie Questi tipi di circuiti sono noti come circuiti a condensatore commutato.

Le applicazioni che sono alimentate a bassa tensione sono le applicazioni che utilizzano particolarmente questo approccio poiché i circuiti integrati richiedono un'alimentazione di una quantità specifica di tensione che è superiore a quella che la batteria può effettivamente fornire o produrre.

Nella maggior parte dei casi, c'è sempre una disponibilità di un segnale di clock a bordo del circuito integrato e quindi questo rende superfluo avere qualsiasi altra circuiteria aggiuntiva o è necessaria solo una piccola circuiteria per generarla.

Pertanto, il diagramma nella Figura 5 mostra schematicamente la forma più semplice di configurazione del condensatore commutato. In questo diagramma, ci sono due condensatori che sono stati caricati alla stessa tensione simultaneamente in parallelo.

Post questo i condensatori vengono messi in serie dopo aver spento l'alimentazione. Pertanto, la tensione di uscita prodotta è il doppio della tensione di alimentazione o di ingresso nel caso in cui l'uscita sia derivata dai due condensatori in serie.

Esistono vari tipi di dispositivi di commutazione che possono essere utilizzati in tali circuiti, ma i dispositivi MOSFET sono i dispositivi di commutazione più utilizzati nel caso dei circuiti integrati.

Figura 6. Schema del duplicatore di tensione della pompa di carica

Il diagramma in Figura 6 mostra schematicamente uno degli altri concetti di base della 'Pompa di carica'. La tensione di ingresso viene utilizzata per caricare prima il Cp, il condensatore della pompa di carica.

Dopodiché, il condensatore di uscita, C0 viene caricato commutando in serie con la tensione di ingresso, il che si traduce nel caricare il C0 del doppio della tensione di ingresso. Per caricare completamente C0 con successo, la pompa di carica potrebbe richiedere molti cicli.

Ma una volta acquisito uno stato stazionario, l'unica cosa essenziale per il condensatore della pompa di carica, Cp è pompare la carica in piccole quantità che è equivalente alla carica fornita dal condensatore di uscita, C0 al carico.

Si forma un'ondulazione sulla tensione di uscita quando C0 viene scaricato parzialmente nel carico mentre viene scollegato dalla pompa di carica. Questa ondulazione formata in questo processo ha la caratteristica di un tempo di scarica più breve e di facile essere filtrata e quindi queste caratteristiche le rendono più piccole per frequenze per frequenze di clock più alte.

Pertanto, per ogni data ondulazione specifica, i condensatori possono essere ridotti. La quantità massima di frequenza di clock per tutti gli scopi pratici nei circuiti integrati rientra tipicamente nella gamma di centinaia di kHz.

Pompa di carica Dickson

La pompa di carica Dickson, nota anche come moltiplicatore Dickson, è costituita da una cascata di celle diodo / condensatore in cui un treno di impulsi di clock aziona la piastra inferiore di ciascun condensatore.

Il circuito è considerato una modifica del moltiplicatore Cockcroft-Walton ma con la sola eccezione del segnale di commutazione fornito dall'ingresso CC con treni di clock invece di un ingresso CA come nel caso del moltiplicatore Cockcroft-Walton.

Il requisito di base di un moltiplicatore Dickson è che gli impulsi di clock di fasi opposte l'una all'altra dovrebbero guidare le celle alternate. Ma, nel caso di un duplicatore di tensione, illustrato nella Figura 7, è richiesto un solo segnale di clock poiché c'è solo uno stadio di moltiplicazione.

Figura 7. Duplicatore di tensione della pompa di carica Dickson

I circuiti in cui i moltiplicatori Dickson sono maggiormente e frequentemente utilizzati sono i circuiti integrati in cui la tensione di alimentazione, ad esempio da qualsiasi batteria, è inferiore a quella richiesta dalla circuiteria.

Il fatto che tutti i semiconduttori utilizzati in questo siano sostanzialmente simili funge da vantaggio per i produttori del circuito integrato.

Il blocco logico standard che si trova più comunemente e utilizzato in numerosi circuiti integrati è i dispositivi MOSFET.

Questo è uno dei motivi per cui i diodi vengono più volte sostituiti da transistor di questo tipo, ma sono anche collegati a una funzione sotto forma di diodo.

Questa disposizione è anche nota come MOSFET cablato a diodi. Il diagramma nella Figura 8 mostra un duplicatore di tensione Dickson che utilizza questo tipo di dispositivi MOSFET a canale n cablati a diodi.

Figura 8. Duplicatore di tensione Dickson che utilizza MOSFET cablati a diodi

La forma base della pompa di carica Dickson ha subito molti miglioramenti e variazioni. La maggior parte di questi miglioramenti sono nell'area della riduzione dell'effetto prodotto dalla tensione di drain source del transistor. Questo miglioramento è considerato significativo nel caso in cui la tensione di ingresso sia piccola come nel caso di una batteria a bassa tensione.

La tensione di uscita è sempre un multiplo intero della tensione di ingresso (due volte nel caso di un duplicatore di tensione) quando vengono utilizzati elementi di commutazione ideali.

Ma nel caso in cui una batteria a cella singola venga utilizzata come sorgente di ingresso insieme a interruttori MOSFET, l'uscita in questi casi è di gran lunga inferiore a questo valore perché si verificherà un calo della tensione sui transistor.

A causa della caduta estremamente bassa della tensione nello stato on di un circuito che utilizza componenti discreti, il diodo Schottky è considerato una buona scelta come elemento di commutazione.

Ma i progettisti di circuiti integrati preferiscono principalmente l'uso di MOSFET in quanto è più facilmente disponibile che più che compensare la presenza di inadeguatezze e di elevata complessità nel circuito che è presente nei dispositivi MOSFET.

Per illustrare ciò, facciamo un esempio: in una batteria alcalina è presente una tensione nominale dell'ordine di 1.5V.

L'uscita in questo può essere raddoppiata a 3,0 V utilizzando un duplicatore di tensione insieme a elementi di commutazione ideali che hanno una caduta di tensione pari a zero.

Ma la caduta di tensione di drain-source del MOSFET cablato a diodi quando è nello stato di acceso deve essere al minimo uguale alla tensione di soglia del gate che è tipicamente dell'ordine di 0,9 V.

La tensione di uscita può essere aumentata con successo dal duplicatore di tensione solo da circa 0,6 V a 2,1 V.

L'aumento della tensione da parte del circuito non può essere ottenuto senza l'utilizzo di più stadi nel caso in cui venga considerata e presa in considerazione anche la caduta attraverso il transistore di livellamento finale.

D'altra parte, la tensione sul palco di un tipico diodo Schottky è di 0,3 V. la tensione di uscita prodotta da un duplicatore di tensione sarà nell'intervallo di 2,7 V se utilizza un diodo Schottky o 2,4 V se utilizza un diodo di livellamento.

Condensatori commutati ad accoppiamento incrociato

I circuiti a condensatori commutati ad accoppiamento incrociato sono noti per la tensione di ingresso molto bassa. Una batteria a cella singola può essere richiesta nelle apparecchiature che sono azionate da batterie wireless come cercapersone e dispositivi Bluetooth per fornire alimentazione in modo continuo quando si è scaricata a meno di un volt.

Figura 9. Raddoppiatore di tensione a condensatore commutato ad accoppiamento incrociato

Il transistor Q2 è spento nel caso in cui il clock sia basso. Allo stesso tempo, il transistore Q1 viene acceso se il clock è alto e questo si traduce nella carica del condensatore C1 alla tensione Vn. la piastra superiore di C1 viene spinta fino a raddoppiare Vin nel caso in cui Ø1 vada alto.

Per consentire a questa tensione di apparire come un'uscita, l'interruttore S1 si chiude contemporaneamente. Inoltre, allo stesso tempo C2 può caricare accendendo Q2.

I ruoli dei componenti vengono invertiti nel semiciclo successivo: Ø1 sarà basso, S1 si aprirà, Ø2 sarà alto e S2 si chiuderà.

Quindi alternativamente da ogni lato del circuito, la tensione di uscita viene fornita con 2Vin. la perdita sostenuta in questo circuito è bassa poiché mancano MOSFET cablati a diodi e i problemi di tensione di soglia ad esso associati.

Uno degli altri vantaggi del circuito è che raddoppia la frequenza di ondulazione poiché sono presenti due duplicatori di tensione che alimentano efficacemente l'uscita dagli orologi di fase.

Lo svantaggio fondamentale di questo circuito è che le capacità parassite del moltiplicatore Dickinson sono molto meno significative di questo circuito e quindi rappresentano la maggior parte delle perdite che si verificano in questo circuito.

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