Jännitteen kertoja - Voltage multiplier

Villard -kaskadijännitteen kertoja.

Jännite Kertoja on sähköinen piiri , joka muuntaa AC-sähkötehoa pienempi jännite on suurempi DC-jännite, tyypillisesti käyttämällä verkon kondensaattorit ja diodit .

Jännitteenkertoimia voidaan käyttää muutaman voltin tuottamiseen elektronisille laitteille, miljooniin voltteihin esimerkiksi suurienergisten fysiikkakokeiden ja salamannopeiden testien tarkoituksiin. Yleisin jännitekerrointyyppi on puoliaallosarjan kerroin, jota kutsutaan myös Villard-kaskadiksi (mutta itse Heinrich Greinacherin keksimänä ).

Operaatio

Jos oletetaan, että vaihtovirtalähteen huippujännite on +U s ja että C -arvot ovat riittävän korkeita, jotta ladattaessa virta virtaa ilman merkittävää jännitteen muutosta, kaskadin (yksinkertaistettu) toiminta on seuraa:

Kuva kuvatusta toiminnosta, +U s = 100 V
  1. negatiivinen huippu (−U s ): C 1 -kondensaattori ladataan diodin D 1 kautta U s  V: ksi ( potentiaaliero kondensaattorin vasemman ja oikean levyn välillä on U s )
  2. positiivinen huippu (+U s ): C 1 : n potentiaali lisää lähteen potentiaalia ja lataa siten C 2 - 2 U s D 2: n kautta
  3. negatiivinen huippu: potentiaali C 1 on pudonnut 0 V: jolloin C 3 veloitetaan kautta D 3 ja 2U s .
  4. positiivinen huippu: potentiaalia C 2 nousee 2U s (analogisesti vaihe 2), myös latauksen C 4 on 2U s . Lähtöjännite (jännitteiden summa alle C 2 ja C 4 ) nousee, kunnes saavutetaan 4U s .

Todellisuudessa enemmän syklit tarvitaan C 4 saavuttamaan kaikki jännite. Jokainen kahden diodin ja kahden kondensaattorin lisävaihe lisää lähtöjännitettä kaksinkertaisella AC -syöttöjännitteellä.

Jännite kaksinkertaistuu ja kolminkertaistuu

Cockcroft-Walton jännite quadrupler piiri. Se tuottaa tasavirtalähtöjännitteen V o, joka on neljä kertaa AC -tulojännitteen V i huippu

Jännitteen kaksinkertaistimessa käytetään kahta vaihetta kaksinkertaistamaan tasavirtajännite, joka olisi saatu yksivaiheisesta tasasuuntaajasta . Esimerkki jännitteen kaksinkertaistamisesta löytyy SPDT -kytkimen sisältävien kytkinmuotoisten virtalähteiden tulovaiheesta, jotta voidaan valita joko 120 V tai 240 V syöttö. 120 V: n asennossa tulo on tyypillisesti konfiguroitu täysaallon jännitteen kaksinkertaistimeksi avaamalla sillan tasasuuntaajan yksi AC-liitäntäpiste ja kytkemällä tulo kahden sarjaan kytketyn suodatinkondensaattorin risteykseen. 240 V: n toiminnassa kytkin määrittää järjestelmän täysiaallon siltaksi ja kytkee kondensaattorin keskikaapelijohdon uudelleen sillan tasasuuntaajajärjestelmän avoimeen AC-liittimeen. Tämä mahdollistaa 120 tai 240 V: n käytön yksinkertaisella SPDT -kytkimellä.

Jännitteen kolminkertainen on kolmivaiheinen jännitteen kertoja. Tripleri on suosittu jännitteenkertoimen tyyppi. Kolmoislaitteen lähtöjännite on käytännössä alle kolminkertainen tulojännitteen huippuun verrattuna niiden suuren impedanssin vuoksi , mikä johtuu osittain siitä, että kun ketjun jokainen kondensaattori syöttää virtaa seuraavaan, se purkautuu osittain ja menettää jännitteen.

Triplereitä käytettiin yleisesti väritelevisio -vastaanottimissa korkean jännitteen tarjoamiseksi katodisädeputkelle (CRT, kuvaputki).

Triplereitä käytetään edelleen suurjännitelähteissä , kuten kopiokoneissa , lasertulostimissa , bug -zapperissa ja sähköiskuissa .

Läpilyöntijännite

Vaikka kertoimella voidaan tuottaa tuhansia voltteja, yksittäisiä komponentteja ei tarvitse luokitella kestämään koko jännitealuetta. Kunkin komponentin on huolehdittava vain suhteellisista jännite -eroista suoraan omien liittimiensä ja niiden välittömässä läheisyydessä.

Tyypillisesti jännitteen kertoja järjestetään fyysisesti tikkaiden tapaan, niin että asteittain kasvava jännitepotentiaali ei saa mahdollisuutta kaareutua piirin paljon pienempiin potentiaaliosiin.

Huomaa, että jonkin verran turvamarginaalia tarvitaan kertojan jännite -erojen suhteellisella alueella, jotta tikkaat kestävät ainakin yhden diodin tai kondensaattorikomponentin oikosulun. Muussa tapauksessa yhden pisteen oikosulkuhäiriö voi peräkkäin ylijännittää ja tuhota kerroimen jokaisen seuraavan komponentin ja mahdollisesti tuhota koko kertoimen ketjun.

Muut piiritopologiat

Kaksi kaskadia, joita ohjaa yksi keskikierteinen muuntaja. Tämä kokoonpano tarjoaa täyden aallon oikaisun, joka vähentää aaltoilua ja jokaisen romahtamisen jälkeen kapasitiivinen energia voi peruuttaa.
Pinoaminen
Toinen kaskadi pinottu ensimmäisen päälle, jota ohjaa suurjänniteeristetty toinen toisiokäämi. Toinen käämi on yhdistetty 180 ° vaihesiirtoon täyden aallon oikaisun saamiseksi. Molemmat käämit on eristettävä niiden välistä suurta jännitettä vastaan.
Muuntajan yksi toisiokäämi, joka ajaa kahta vastakkaisen napaisuuden kaskadia samanaikaisesti. Kahden kaskadin pinoaminen antaa kaksinkertaisen jännitteen, mutta paremmat aaltoilu- ja kondensaattorilatausominaisuudet kuin saavutettaisiin yhdellä pitkällä saman jännitteen kaskadilla.

Parillista määrää diodikondensaattorikennoja käytetään missä tahansa sarakkeessa niin, että kaskadi päättyy tasoituskennoon. Jos se olisi outoa ja päättyisi kiristyskennoon, aaltojännite olisi erittäin suuri. Liitäntäpylvään suuret kondensaattorit vähentävät myös aaltoilua, mutta latausajan ja lisääntyneen diodivirran kustannuksella.

Dicksonin latauspumppu

Vakio Dickson -latauspumppu (4 vaihetta: 5 -kertainen)

Dickson maksu pumppu , tai Dickson kertojan , on muunnos Greinacher / Cockcroft-Walton kertojan . Toisin kuin tämä piiri, Dickson-kertoja ottaa kuitenkin tuloltaan tasavirtalähteen, joten se on eräänlainen DC-DC-muunnin . Lisäksi, toisin kuin Greinacher/Cockcroft – Walton, jota käytetään suurjännitesovelluksissa, Dickson-kerroin on tarkoitettu matalajännitteisiin tarkoituksiin. DC -tulon lisäksi piiri vaatii kahden kellopulssijännitteen syötön, jonka amplitudi heilahtaa DC -syöttökiskojen välillä. Nämä pulssijunat ovat vastafaasissa.

Piirin ihanteellisen toiminnan kuvaamiseksi numeroi diodit D1, D2 jne. Vasemmalta oikealle ja kondensaattorit C1, C2 jne. Kun kello on alhainen, D1 lataa C1 - V in . Kun se nousee korkealle, C1: n ylälevy työnnetään 2 V: n sisään . Sitten D1 kytketään pois päältä ja D2 kytketään päälle ja C2 alkaa ladata 2 V: n sisään . Seuraavalla kellosykli laskee jälleen matalalle ja menee nyt korkealle painamalla C2: n ylälevyä 3 V: n sisään . D2 kytkeytyy pois päältä ja D3 kytkeytyy päälle, lataa C3: sta 3 V: n sisään ja niin edelleen, kun varaus kulkee ketjua ylöspäin, joten nimi latauspumppu . Kaskadin viimeinen diodikondensaattorikenno on kytketty maahan eikä kellovaiheeseen eikä siten ole kertoja; se on huipputunnistin, joka vain tasoittaa .

On olemassa useita tekijöitä, jotka vähentävät lähtöä ihanteellisesta tapauksesta nV in . Yksi näistä on kytkentälaitteen kynnysjännite V T , eli jännite, joka tarvitaan sen kytkemiseen päälle. Lähtö pienenee vähintään nV T, koska jännitteet putoavat kytkimissä. Schottky -diodeja käytetään yleisesti Dickson -kertoimissa niiden alhaisen eteenpäin suuntautuvan jännitteen pudotuksen vuoksi muun muassa. Toinen vaikeus on se, että kussakin solmussa on maata loiskapasitansseja . Nämä loiskapasitanssit toimivat jännitteenjakajina, kun piirin tallennuskondensaattorit pienentävät lähtöjännitettä entisestään. Tiettyyn pisteeseen asti korkeampi kellotaajuus on hyödyllinen: aaltoilu pienenee ja korkea taajuus tekee jäljellä olevan aaltoilun helpommaksi suodattaa. Myös tarvittavien kondensaattoreiden kokoa pienennetään, koska sykliä kohti on tallennettava vähemmän varausta. Häviökapasitanssin aiheuttamat häviöt kuitenkin kasvavat kellotaajuuden kasvaessa ja käytännön raja on noin muutama sata kilohertsiä.

Dickson-latauspumppu, jossa käytetään diodilla kytkettyjä MOSFET-laitteita (4 vaihetta: 5-kertainen)

Dickson-kertoimia esiintyy usein integroiduissa piireissä (IC), joissa niitä käytetään pienjänniteakun lisäämiseen IC: n tarvitsemaan jännitteeseen. IC -suunnittelijalle ja -valmistajalle on edullista, että se voi käyttää samaa tekniikkaa ja samaa peruslaitetta koko IC: ssä. Tästä syystä suosituissa CMOS -tekniikan IC -piireissä transistori, joka muodostaa piirien perusrakenteen, on MOSFET . Näin ollen Dickson -kertojan diodit korvataan usein MOSFET -laitteilla, jotka on kytketty käyttämään diodeja.

Dicksonin latauspumppu, jossa on lineaarinen MOSFET rinnakkain diodijohdotetun MOSFETin kanssa (4 vaihetta: 5 × kertoja)

Dickson-kertoimen diodijohdettu MOSFET-versio ei toimi kovin hyvin erittäin pienillä jännitteillä, koska MOSFET-laitteiden suuret tyhjennyslähteiden jännitepisarat johtuvat. Usein monimutkaisempaa piiriä käytetään tämän ongelman ratkaisemiseksi. Yksi ratkaisu on kytkeä rinnakkain kytkevän MOSFETin kanssa toinen lineaarialueelle esijännitetty MOSFET. Tällä toisella MOSFET: llä on alhaisempi tyhjennyslähdejännite kuin kytkentä MOSFET: llä olisi yksinään (koska kytkentä MOSFET on kovalla päällä) ja siten lähtöjännite kasvaa. Lineaarisesti esijännitetyn MOSFETin portti on kytketty seuraavan vaiheen lähtöön niin, että se sammuu, kun seuraava vaihe latautuu edellisen vaiheen kondensaattorista. Toisin sanoen lineaarisesti esijännitetty transistori kytketään pois päältä samaan aikaan kuin kytkintransistori.

Ihanteellinen 4-vaiheen Dickson kertojan (5 x kertojan) tulolla on 1,5 V olisi teho on 7,5 V . Kuitenkin, diodi-langallinen MOSFET 4-vaiheessa kertojan voi vain teho on 2 V . Rinnakkaisten MOSFET -laitteiden lisääminen lineaarialueelle parantaa tämän noin 4 V: ksi . Monimutkaisemmat piirit voivat silti saavuttaa lähdön paljon lähempänä ihanteellista tapausta.

Dicksonin peruspiirissä on monia muunnelmia ja parannuksia. Jotkut yrittävät pienentää kytkentäkynnysjännitettä, kuten Mandal-Sarpeshkar-kertoja tai Wu-kertoja. Muut piirit poistavat kynnysjännitteen: Umeda -kerroin tekee sen ulkoisesti syötetyllä jännitteellä ja Nakamoto -kerroin sisäisesti tuotetulla jännitteellä. Bergeret -kerroin keskittyy maksimoimaan tehon.

Muutos RF -teholle

Muokattu Dickson -latauspumppu (2 vaihetta: 3 -kertainen)

CMOS -integroiduissa piireissä kellosignaalit ovat helposti saatavilla tai muuten helposti generoitavissa. Näin ei aina ole RF -integroiduissa piireissä, mutta usein RF -teholähde on käytettävissä. Vakio Dicksonin kerroinpiiriä voidaan muokata vastaamaan tätä vaatimusta yksinkertaisesti maadoittamalla normaalitulo ja yksi kellotuloista. RF -teho ruiskutetaan toiseen kellotuloon, josta tulee sitten piiritulo. RF -signaali on tehokkaasti kello ja virtalähde. Kuitenkin, koska kello ruiskutetaan vain jokaiseen toiseen solmuun, piiri saavuttaa vain kertomisen jokaisen toisen diodikondensaattorisolun osalta. Muut diodikondensaattorikennot toimivat vain huippuilmaisimina ja tasoittavat aaltoilua lisäämättä kertomista.

Ristikytketty kytketty kondensaattori

Ristikytkettyjen MOSFET-jännitteen kaksinkertaistimien kaskadi (3 vaihetta: 4 × kerroin)

Jännitekerroin voidaan muodostaa ristikytkettyjen kytkettyjen kondensaattorityyppisten jännitteen kaksinkertaistimien kaskadista . Tämäntyyppistä piiriä käytetään tyypillisesti Dickson -kertojan sijasta, kun lähdejännite on 1,2 V tai vähemmän. Dickson-kertoimilla on yhä heikompi tehonmuuntotehokkuus tulojännitteen laskiessa, koska jännitehäviö diodijohtimisten transistorien poikki tulee paljon merkittävämmäksi lähtöjännitteeseen verrattuna. Koska ristikytkettyyn piiriin kuuluvat transistorit eivät ole diodijohdotettuja, jännitehäviöongelma ei ole niin vakava.

Piiri toimii vaihtamalla vuorotellen kunkin vaiheen lähtöä jännitteen kaksinkertaistimen välillä, jota ohjaa yksi ja jota käytetään . Tämä käyttäytyminen johtaa toiseen etuun verrattuna Dickson -kertoimeen: alennettu aaltojännite kaksinkertaisella taajuudella. Aaltoilutaajuuden lisääminen on edullista, koska se on helpompi poistaa suodattamalla. Jokainen vaihe (ihanteellisessa piirissä) nostaa lähtöjännitettä huippukellojännitteellä. Jos oletetaan, että tämä on sama taso kuin tasavirtatulojännite, n -vaihekerroin (ideaalisesti) antaa nV in . Ristikytketyn piirin tappioiden pääasiallinen syy on loiskapasitanssi eikä kytkentäkynnysjännite. Häviöt syntyvät, koska osan energiasta on käytettävä loiskapasitanssien lataamiseen jokaisen syklin aikana.

Sovellukset

TV -kaskadi (vihreä) ja flyback -muuntaja (sininen).

Televisioiden katodisädeputkien (CRT) suurjännitelähteet käyttävät usein jännitekertoimia, joissa on viimeisen vaiheen tasoituskondensaattori, joka muodostuu itse CRT : n sisä- ja ulkopuolisista vesitiivispäällysteistä . CRT: t olivat aiemmin yleinen osa televisioita. Jännitteenkertoimia löytyy edelleen nykyaikaisista televisioista, kopiokoneista ja bug -zappereista .

Suurjännitekertoimia käytetään ruiskumaalauslaitteissa, joita tavallisimmin käytetään autoteollisuudessa. Maaliruiskun suuttimessa käytetään jännitekerrointa, jonka lähtöteho on noin 100 kV, sumuttavien maalipartikkeleiden sähköiseen lataamiseen, jotka sitten houkuttelevat vastakkain varautuneita metallipintoja. Tämä auttaa vähentämään käytetyn maalin määrää ja levittämään tasaisen maalikerroksen.

Tavallisin jännitteen kertojan käytetään korkean energian fysiikka on Cockcroft-Walton generaattori (jonka on suunnitellut John Douglas Cockcroft ja Ernest Thomas Sinton Walton varten hiukkaskiihdytin käytettäväksi tutkimukseen, joka voitti heille Nobelin fysiikan palkinnon vuonna 1951) .

Katso myös

  • Marx -generaattori (laite, joka käyttää kipinävälejä diodien sijasta kytkentäelementteinä ja voi tuottaa korkeampia huippuvirtoja kuin diodit voivat).
  • Boost-muunnin (DC-DC-tehomuunnin, joka lisää jännitettä usein käyttämällä induktoria)

Huomautuksia

Bibliografia

  • Campardo, Giovanni; Micheloni, Rino; Novosel, David VLSI-design of Non-volatile Memories , Springer, 2005 ISBN  3-540-20198-X .
  • Lin, Yu-Shiang pienitehoiset piirit pienoiskoossa , Publisher ProQuest, 2008 ISBN  0-549-98672-3 .
  • Liu, Mingliang Demystifying Switched Capacitor 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 Pienjänniteisten pienitehoisten CMOS Delta-Sigma A/D -muuntimien suunnittelu , Springer, 1999 ISBN  0-7923-8417-2 .
  • Yuan, Fei CMOS -piirit passiivisille langattomille mikrosysteemeille , Springer, 2010 ISBN  1-4419-7679-5 .
  • Zumbahlen, Hank Linear Circuit Design Handbook , Newnes, 2008 ISBN  0-7506-8703-7 .

Ulkoiset linkit