Gerilim Çoğaltıcı Devreleri Açıklandı

Daha düşük bir giriş voltajından kondansatörleri şarj ederek voltajı 2x sırasına çıkarmak için kullanılan elektronik devre cihazı, voltaj katlayıcı olarak bilinir.

Şarj akımı, herhangi bir ideal durumda, çıkışta üretilen voltaj, girişteki voltajın tam olarak iki katı olacak şekilde değiştirilir.

Diyotları Kullanan En Basit Gerilim Çarpanı

En basit şekli voltaj katlama devresi girişi Alternatif Akım (AC) voltajı şeklinde alan ve çıkış olarak çift büyüklükte (DC) voltaj üreten bir redresör türüdür.

Basit diyotlar, anahtarlama elemanları olarak kullanılır ve bu diyotları bir anahtarlama durumunda sürmek için sadece alternatif voltaj formundaki bir giriş kullanılır.

Yukarıdaki şekilde değiştirilemedikleri için, kullanılan voltaj katlayıcıların DC'den DC'ye tipte olması durumunda anahtarlama oranını kontrol etmek için ek bir tahrik devresi gereklidir.

DC'den DC'ye voltaj dönüştürücü devreleri çoğu zaman, bir transistör gibi kolayca ve doğrudan kontrol edilebilen anahtarlama elemanı adı verilen başka bir ek cihaz gerektirir.

Bu nedenle, anahtarlama elemanını kullandığında, AC'den DC'ye basit bir formda olduğu gibi, anahtar boyunca mevcut olan gerilime bağlı olmak zorunda değildir.

Voltaj katlayıcı, voltaj çoğaltıcı devresinin bir türüdür. Birkaç istisna dışında voltaj katlayıcı devrelerinin çoğu, tek bir aşamada daha yüksek dereceli bir çarpan şeklinde görüntülenebilir. Ayrıca, birlikte kullanılan basamaklı özdeş aşamalar olduğunda daha fazla miktarda voltaj çarpımı elde edilir.

Villard Pisti

Villard devresi, bir diyot ve bir kapasitörden oluşan basit bir bileşime sahiptir. Bir yandan Villard devresinin basitlik açısından fayda sağladığı diğer yandan çok zayıf kabul edilen dalgalanma özelliklerine sahip çıktılar ürettiği de bilinmektedir.

Şekil 1.Villard devresi

Esasen, Villard devresi bir diyot kelepçe devresi şeklidir. Kondansatörü AC tepe voltajına (Vpk) şarj etmek için negatif yüksek döngüler kullanılır. Giriş olarak AC dalga formu ve kapasitörün sabit DC’nin üst üste binmesi çıkışı oluşturur.

Dalga formunun DC değeri, devrenin üzerindeki etkisi kullanılarak kaydırılır. Diyot, AC dalga formunun negatif zirvelerini 0V değerine tutturduğundan (gerçek anlamda, diyotun küçük ileri ön gerilim voltajı olan –VF'dir) çıkış dalga formunun pozitif zirveleri 2Vpk değerindedir.

Tepeden tepeye, 2Vpk değerinin muazzam boyutunda olduğundan, düzeltilmesi zordur ve bu nedenle, yalnızca devre, etkili bir şekilde başka herhangi bir daha karmaşık formlara dönüştürüldüğünde düzeltilebilir.

Mikrodalga fırında ters formda diyottan oluşan bu devre kullanılarak magnetrona negatif yüksek voltaj verilir.

Greinacher devresi

Greinarcher voltaj katlayıcı, küçük bir maliyetle bazı ek bileşenler ekleyerek kendisini önemli ölçüde geliştirerek Villard devresinden daha iyi olduğunu kanıtladı.

Açık devre yükü durumunda dalgalanmanın çok azaldığı, çoğu zaman sıfır durumuna düştüğü bulunur ancak yükün direnci ve kullanılan kapasitörün değeri önemli bir rol oynar ve onu etkiler. akım çekiliyor.

Şekil 2. Greinacher devresi

Villard hücre aşamasını, bir zarf dedektör aşaması veya bir tepe dedektörü kullanarak çalışmak için devre izler.

Tepe detektörünün etkisi, tepe voltajının çıkışı bu şekilde korunurken dalgalanmanın çoğunun giderileceği şekildedir.

Heinrich Greinacher, yine kendisi tarafından yeni bir buluş olan iyonometresi için ihtiyaç duyduğu 200-300V voltajı sağlamak için 1913'te (1914'te yayınlandı) bu devreyi icat eden ilk kişiydi.

Bu devrenin bu kadar voltaj elde etmek için icat edilmesi gerekliliği, Zurich elektrik santrallerinin sağladığı gücün sadece 110V AC olması ve dolayısıyla yetersiz olması nedeniyle ortaya çıktı.

Heinrich bu fikri 1920'de daha çok geliştirdi ve onu bir çarpanlar dizisi oluşturacak şekilde genişletti. Çoğu zaman insanlar, Heinrich Greinacher tarafından icat edilen bu çarpanlar silsilesini, hatalı ve doğru olmayan bir Villard kaskadı olarak adlandırırlar.

Bu çarpanlar dizisi, parçacık hızlandırıcı makinesini inşa eden ve 1932'de bağımsız olarak devreyi yeniden keşfeden bilim adamları John Cockroft ve Ernest Walton'dan sonra Cockroft-Walton olarak da bilinir.

Birbirine zıt kutuplara sahip olan ancak aynı AC kaynağından sürülen iki Greinacher hücresinin kullanılması, bu tür topoloji kavramını bir voltaj dörtlü devresine genişletebilir.

İki ayrı çıktı, çıktıyı aralarında azaltmak için kullanılır. Bu devrede giriş ve çıkışın aynı anda topraklanması, köprü devresinde olduğu gibi oldukça imkansızdır.

Köprü Devresi

Bir Delon devresinin voltaj ikiye katlaması için kullandığı topoloji türü, köprü topolojisi olarak bilinir.

Bu tip delon devresinin yaygın kullanımlarından birinin katot ışın tüplü televizyon setlerinde olduğu bulunmuştur. Bu televizyon setlerindeki delon devresi, e.h.t.'yi sağlamak için kullanılmıştır. voltaj kaynağı.

Şekil 3. Gerilim dörtlü - zıt kutuplara sahip iki Greinacher hücresi

Bir transformatörde çoğunlukla ev tipi ekipman olan ekipmanda son derece ekonomik olmamanın yanı sıra, 5kV'den daha fazla gerilim üretimiyle ilişkili birçok güvenlik tehlikesi ve sorunu vardır.

Ama e.h.t. 10kV, siyah beyaz televizyonların temel bir gereksinimidir, renkli televizyonlar ise daha fazla e.h.t gerektirir.

E.h.t.'nin farklı yolları ve araçları vardır. Bu tür boyutlar şu şekilde elde edilir: e.h.t sargısı içindeki şebeke trafosundaki voltajı, voltaj katlayıcıları kullanarak veya voltaj katlayıcıları hat geri dönüş bobinleri üzerindeki dalga formuna uygulayarak ikiye katlamak.

Bir devre içinde yarım dalgadan oluşan iki tepe dedektörü, Greinacher devresinde bulunan tepe dedektör hücrelerine işlevsel olarak benzer.

Gelen dalga biçiminin birbirine zıt olan yarı döngüleri, iki tepe detektör hücresinin her biri tarafından çalıştırılmak için kullanılır. Onlar tarafından üretilen çıkışlar seri olduğundan, çıkış her zaman tepe giriş voltajının iki katı olarak bulunur.

Şekil 4. Köprü (Delon) voltaj katlayıcı

Anahtarlamalı Kapasitör Devreleri

Bir DC kaynağının voltajı, yeterince basit olan ve yukarıdaki bölümde açıklanmış olan diyot-kapasitör devreleri kullanılarak, bir kıyıcı devresi kullanılarak voltaj katlayıcının önüne getirilerek iki katına çıkarılabilir.

Bu nedenle, bu, DC'yi voltaj katlayıcısından geçmeden önce AC'ye dönüştürmede etkilidir. Daha verimli devreler elde etmek ve inşa etmek için, anahtarlama cihazları, hem doğrama hem de çoğaltma açısından işleyiş konusunda yetkin olan ve eşzamanlı olarak elde edilebilen harici bir saatten çalıştırılır.

Şekil 5.

Basitçe yüklü kapasitörleri paralelden seriye anahtarlayarak elde edilen anahtarlamalı kapasitör voltajı katlayıcı Bu tür devreler, anahtarlamalı kapasitör devreleri olarak bilinir.

Düşük voltajla çalışan uygulamalar, özellikle bu yaklaşımı kullanan uygulamalardır, çünkü entegre devreler, pilin gerçekte sağlayabileceğinden veya üretebileceğinden daha fazla olan belirli bir voltaj miktarına ihtiyaç duyar.

Çoğu durumda, entegre devrenin kartında her zaman bir saat sinyalinin mevcudiyeti vardır ve bu, başka herhangi bir ek devreye sahip olmayı gereksiz kılar veya onu üretmek için sadece küçük bir devreye ihtiyaç duyar.

Bu nedenle, Şekil 5'teki diyagram şematik olarak anahtarlamalı kapasitör konfigürasyonunun en basit şeklini gösterir. Bu şemada, paralel olarak aynı gerilime aynı anda yüklenmiş iki kondansatör vardır.

Post bu kapasitörler, kaynağı kapattıktan sonra seri haline getirilir. Böylece, çıkışın seri olarak iki kapasitörden türetilmesi durumunda üretilen çıkış voltajı, besleme veya giriş voltajının iki katıdır.

Bu tür devrelerde kullanılabilen çeşitli anahtarlama cihazları vardır, ancak MOSFET cihazları, entegre devreler durumunda en sık kullanılan anahtarlama cihazlarıdır.

Şekil 6. Şarj pompası voltaj katlama şeması

Şekil 6'daki diyagram, 'Şarj Pompası' nın diğer temel kavramlarından birini şematik olarak göstermektedir. Giriş voltajı, ilk olarak şarj pompası kondansatörü olan Cp'yi şarj etmek için kullanılır.

Bundan sonra, çıkış kondansatörü C0, giriş voltajı ile seri olarak anahtarlanarak şarj edilir ve bu da C0'ın giriş voltajı miktarının iki katı şarj edilmesine neden olur. C0'ı tamamen başarılı bir şekilde şarj etmek için, şarj pompasının birçok döngü yapması gerekebilir.

Ancak sabit bir durum elde edildikten sonra, şarj pompası kondansatörü için tek gerekli olan Cp, şarjı çıkış kondansatöründen, C0'dan yüke sağlanan yüke eşdeğer olan küçük miktarlarda pompalamaktır.

C0, şarj pompasıyla bağlantısı kesilirken yüke kısmen deşarj edildiğinde çıkış voltajında ​​bir dalgalanma oluşur. Bu işlemde oluşan bu dalgalanma, daha kısa boşalma süresi ve filtrelenmesi kolay olma özelliğine sahiptir ve bu nedenle bu özellikler, onları daha yüksek saat frekansları için frekanslar için daha küçük hale getirir.

Böylece, herhangi bir belirli dalgalanma için kapasitörler küçültülebilir. Entegre devrelerdeki tüm pratik amaçlar için maksimum saat frekansı miktarı tipik olarak yüzlerce kHz aralığına düşer.

Dickson şarj pompası

Dickson çarpanı olarak da bilinen Dickson şarj pompası, bir saat darbeli katarın her bir kapasitörün alt plakasını tahrik ettiği bir dizi diyot / kapasitör hücresinden oluşur.

Devre, Cockcroft-Walton çarpanının bir modifikasyonu olarak kabul edilir, ancak Cockcroft-Walton çarpanında olduğu gibi bir AC girişi yerine saat trenleri ile DC girişi tarafından sağlanan anahtarlama sinyalinin tek istisnası vardır.

Dickson çarpanının temel gerekliliği, birbirine zıt fazların saat darbelerinin alternatif hücreleri çalıştırmasıdır. Ancak, Şekil 7'de gösterilen bir voltaj katlayıcı durumunda, yalnızca bir çarpma aşaması olduğundan yalnızca tek bir saat sinyali gereklidir.

Şekil 7. Dickson şarj pompası voltaj katlayıcı

Dickson çarpanlarının en çok ve sıklıkla kullanıldığı devreler, herhangi bir bataryadan gelen besleme voltajının devre için gerekli olandan daha az olduğu entegre devrelerdir.

Burada kullanılan tüm yarı iletkenlerin temelde benzer olması, entegre devre üreticileri için bir avantajdır.

Çok sayıda entegre devrede en yaygın olarak bulunan ve kullanılan standart mantık bloğu MOSFET cihazlarıdır.

Bu, diyotların birçok kez bu tip transistör ile değiştirilmesinin nedenlerinden biridir, ancak aynı zamanda bir diyot formundaki bir işleve bağlanır.

Bu düzenleme aynı zamanda diyot kablolu MOSFET olarak da bilinir. Şekil 8'deki diyagram, bu tür diyot-kablolu n-kanal geliştirme tipi MOSFET cihazlarını kullanan bir Dickson voltaj katlayıcısını göstermektedir.

Şekil 8. Diyot kablolu MOSFET'leri kullanan Dickson voltaj katlayıcı

Dickson şarj pompasının temel formu pek çok iyileştirme ve varyasyona tabi tutulmuştur. Bu iyileştirmelerin çoğu, transistör boşaltma kaynağı voltajının ürettiği etkinin azaltılması alanındadır. Bu gelişme, düşük voltajlı bir batarya durumunda olduğu gibi giriş voltajının küçük olması durumunda önemli olarak kabul edilir.

İdeal anahtarlama elemanları kullanıldığında çıkış gerilimi her zaman giriş geriliminin integral bir katıdır (gerilim ikiye katlayıcı durumunda iki katı).

Ancak, MOSFET anahtarları ile birlikte giriş kaynağı olarak tek hücreli bir pilin kullanılması durumunda, bu gibi durumlarda çıkış, bu değerden çok daha düşüktür çünkü transistörler boyunca voltajda bir düşüş olacaktır.

Ayrı bileşenler kullanan bir devrenin açık durumundaki voltajdaki son derece düşük düşüş nedeniyle, Schottky diyot bir anahtarlama elemanı olarak iyi bir seçim olarak kabul edilir.

Ancak entegre devre tasarımcıları, MOSFET cihazlarında bulunan devrede yetersizliklerin ve yüksek karmaşıklığın varlığını telafi etmekten daha kolay olan MOSFET'i daha kolay kullanılabilir olduğu için kullanmayı tercih ederler.

Bunu açıklamak için, bir örnek alalım: alkalin bir pilde 1,5V'luk bir ayarın nominal voltajı mevcuttur.

Buradaki çıkış, sıfır voltaj düşüşüne sahip ideal anahtarlama elemanları ile birlikte bir voltaj katlayıcı kullanılarak 3.0V'a iki katına çıkarılabilir.

Ancak, diyot kablolu MOSFET’in açık durumdayken boşaltma kaynağının voltaj düşüşü, tipik olarak 0,9 V ayarında olan kapı eşik voltajına minimum eşit olmalıdır.

Çıkış voltajı, voltaj katlayıcı tarafından başarılı bir şekilde yalnızca yaklaşık 0,6 V ila 2,1 V yükseltilebilir.

Nihai yumuşatma transistöründeki düşüşün de dikkate alınması ve hesaba katılması durumunda, devre tarafından voltajdaki artış, birden fazla aşama kullanılmadan gerçekleştirilemez.

Öte yandan, tipik bir Schottky diyotunun aşama voltajı 0,3 V'tur. Voltaj katlayıcı tarafından üretilen çıkış voltajı, Schottky diyot kullanıyorsa 2,7 V, düzeltme diyot kullanıyorsa 2,4 V aralığında olacaktır.

Çapraz bağlanmış anahtarlamalı kapasitörler

Çapraz bağlı anahtarlamalı kapasitör devreleri, giriş voltajının çok düşük olmasıyla bilinir. Çağrı cihazları ve Bluetooth cihazları gibi kablosuz batarya ile çalıştırılan cihazlarda, bir voltun altına deşarj olduğunda sürekli olarak güç sağlamak için tek hücreli batarya gerekebilir.

Şekil 9. Çapraz bağlantılı anahtarlamalı kapasitör voltajı katlayıcı

Saatin düşük olması durumunda Q2 transistörü kapatılır. Aynı zamanda, saat yüksekse transistör Q1 açılır ve bu, C1 kapasitörünün Vn voltajına yüklenmesiyle sonuçlanır. Ø1'in yükselmesi durumunda C1'in üst plakası çift Vin'e kadar itilir.

Bu voltajın bir çıkış olarak görünmesini sağlamak için, S1 anahtarı aynı anda kapanır. Ayrıca, aynı zamanda C2'nin Q2'yi açarak şarj olmasına izin verilir.

Bir sonraki yarım döngüde bileşenlerin rolleri tersine çevrilir: Ø1 düşük, S1 açılacak, Ø2 yüksek ve S2 kapanacaktır.

Böylece, alternatif olarak devrenin her bir tarafından çıkış voltajı 2Vin ile beslenir. Bu devrede oluşan kayıp, diyot-kablolu MOSFET'lerin eksikliği ve bununla ilişkili eşik voltaj problemleri olduğundan düşüktür.

Devrenin diğer avantajlarından biri, çıkışı etkili bir şekilde faz saatlerinden besleyen iki voltaj katlayıcı mevcut olduğundan dalgalanma frekansını iki katına çıkarmasıdır.

Bu devrenin temel dezavantajı, Dickinson çarpanının başıboş kapasitanslarının bu devreden çok daha az önemli bulunması ve bu nedenle bu devrede meydana gelen kayıpların çoğunu hesaba katmasıdır.

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