Gerilim çarpanı - Voltage multiplier

Vikipedi, özgür ansiklopedi
Villard kademeli voltaj çarpanı.

Bir voltaj çarpanı , tipik olarak bir kapasitör ve diyot ağı kullanarak AC elektrik gücünü daha düşük bir voltajdan daha yüksek bir DC voltajına dönüştüren bir elektrik devresidir .

Voltaj çarpanları, elektronik cihazlar için birkaç volt, yüksek enerjili fizik deneyleri ve yıldırım güvenliği testi gibi amaçlarla milyonlarca volt üretmek için kullanılabilir. En yaygın voltaj çarpanı türü, Villard kaskadı olarak da adlandırılan (ancak aslında Heinrich Greinacher tarafından icat edilen ) yarım dalga serisi çarpanıdır .

Operasyon

AC kaynağının tepe voltajının + U s olduğunu ve C değerlerinin, şarj edildiğinde voltajda önemli bir değişiklik olmaksızın bir akımın akmasına izin verecek kadar yüksek olduğunu varsayarsak , kaskadın (basitleştirilmiş) çalışması şu şekildedir: aşağıdaki gibidir:

+ U s = 100 V ile açıklanan işlemin gösterimi
  1. negatif tepe (−U s ): C 1 kondansatörü, D 1 ila U s   V diyotu üzerinden şarj edilir ( kapasitörün sol ve sağ plakası arasındaki potansiyel fark U s'dir )
  2. pozitif tepe (+ U s ): C 1'in potansiyeli , kaynağın potansiyeline eklenir, böylece D 2'den C 2 ila 2U s yüklenir
  3. negatif zirve: C potansiyel 1 0 V böylece Cı izin düşmüştür 3 D yoluyla şarj edilmesi 3 2U için s .
  4. pozitif zirve: C potansiyel 2 2U yükselir s da C, şarj (benzer şekilde, adım 2'ye) 4 2U için s . Çıkış voltajı (C 2 ve C 4 altındaki voltajların toplamı ) 4U s'ye ulaşılana kadar yükselir .

Gerçekte, C 4'ün tam gerilime ulaşması için daha fazla döngü gerekir . İki diyotun ve iki kapasitörün her bir ek aşaması, çıkış voltajını tepe AC besleme voltajının iki katı kadar artırır.

Gerilim katlayıcı ve üçlü

Bir Cockcroft-Walton voltaj dörtlü devresi. AC giriş voltajı
V i'nin tepe noktasının dört katı kadar bir DC çıkış voltajı V o üretir.

Bir voltaj katlayıcı, tek aşamalı bir redresörden elde edilecek olan DC voltajını yaklaşık olarak ikiye katlamak için iki aşama kullanır . 120 V veya 240 V beslemeyi seçmek için bir SPDT anahtarı içeren anahtar modu güç kaynaklarının giriş aşamasında bir voltaj katlayıcı örneği bulunur . 120 V konumunda, giriş tipik olarak bir köprü redresörünün bir AC bağlantı noktasını açarak ve girişi seri bağlı iki filtre kapasitörünün bağlantısına bağlayarak tam dalgalı voltaj katlayıcı olarak yapılandırılır. 240 V çalışma için, anahtar, kondansatör orta kademe kablosunu köprü doğrultucu sistemin açık AC terminaline yeniden bağlayarak sistemi tam dalgalı bir köprü olarak yapılandırır. Bu, basit bir SPDT anahtarının eklenmesiyle 120 veya 240 V çalışmaya izin verir.

Gerilim üçlüsü, üç aşamalı bir gerilim çarpanıdır. Üçlü, popüler bir voltaj çarpanı türüdür. Bir üçleyicinin çıkış voltajı, yüksek empedansları nedeniyle pratikte tepe giriş voltajının üç katının altındadır , bunun nedeni kısmen zincirdeki her bir kapasitörün bir sonrakine güç sağladığından, kısmen deşarj olması ve voltajı kaybederek voltajını kaybetmesidir.

Üçlü cihazlar, renkli televizyon alıcılarında katot ışın tüpüne (CRT, resim tüpü) yüksek voltaj sağlamak için yaygın olarak kullanılmıştır .

Tripler, fotokopi makineleri , lazer yazıcılar , böcek öldürücüler ve elektroşok silahları gibi yüksek voltajlı kaynaklarda hala kullanılmaktadır .

Arıza gerilimi

Çarpan binlerce volt çıktı üretmek için kullanılabilirken, tek tek bileşenlerin tüm voltaj aralığına dayanacak şekilde derecelendirilmesine gerek yoktur. Her bileşenin yalnızca doğrudan kendi terminalleri ve hemen yanındaki bileşenlerin bağıl voltaj farklarıyla ilgilenmesi gerekir.

Tipik olarak, bir voltaj çarpanı fiziksel olarak bir merdiven gibi düzenlenecektir, böylece kademeli olarak artan voltaj potansiyeline, devrenin çok daha düşük potansiyel bölümlerine yaylanma fırsatı verilmeyecektir.

Merdivenin en az bir diyot veya kondansatör bileşeninin kısa devre arızasından kurtulabilmesi için, çoğaltıcıdaki göreceli voltaj farklılıkları aralığı boyunca bir miktar güvenlik marjına ihtiyaç duyulduğuna dikkat edin. Aksi takdirde, tek noktalı bir kısa devre arızası, art arda aşırı voltaj verebilir ve çarpandaki her bir sonraki bileşeni yok edebilir ve potansiyel olarak tüm çarpan zincirini yok edebilir.

Diğer devre topolojileri

Tek bir merkeze bağlı trafo tarafından tahrik edilen iki kaskad. Bu konfigürasyon, daha az dalgalanmaya yol açan tam dalga düzeltme sağlar ve arktan kaynaklanan herhangi bir çökme durumunda kapasitif enerji iptal edilebilir.
İstifleme
Yüksek voltajla izole edilmiş ikinci sekonder sargı tarafından tahrik edilen birincinin üzerine istiflenen ikinci bir kaskad. İkinci sargı, tam dalga düzeltmesi elde etmek için 180 ° faz kayması ile bağlanır. İki sargının, aralarındaki büyük gerilime karşı yalıtılması gerekir.
Bir transformatörün aynı anda iki ardışık zıt polariteyi çalıştıran tek bir sekonder sargısı. İki kademenin istiflenmesi, voltajın iki katı bir çıktı sağlar, ancak aynı voltajın tek bir uzun kademesiyle elde edilenden daha iyi dalgalanma ve kapasitör şarj etme özelliklerine sahiptir.

Herhangi bir sütunda çift sayıda diyot kapasitör hücresi kullanılır, böylece kademeli bir yumuşatma hücresinde sona erer. Garip olsaydı ve bir kenetleme hücresinde biterse , dalgalanma voltajı çok büyük olurdu. Bağlantı kolonundaki daha büyük kapasitörler de dalgalanmayı azaltır, ancak şarj süresi ve artan diyot akımı pahasına.

Dickson şarj pompası

Standart Dickson şarj pompası (4 aşama: 5 kat çarpan)

Dickson şarj pompa veya Dickson çarpanı , bir modifikasyonudur Greinacher / Cockcroft-Walton çarpan . Bununla birlikte, bu devrenin aksine, Dickson çarpanı, girişi olarak bir DC kaynağı alır, bu nedenle bir DC-DC dönüştürücü biçimidir . Ayrıca, yüksek voltaj uygulamalarında kullanılan Greinacher / Cockcroft – Walton'dan farklı olarak, Dickson çarpanı düşük voltaj amaçlarına yöneliktir. DC girişine ek olarak, devre , DC besleme rayları arasında salınan bir genliğe sahip iki saat darbe dizisinin beslenmesini gerektirir . Bu darbe trenleri ters fazdadır.

Soldan sağa ve saat zaman kondansatörler C1, C2 vb devre, sayı diyotlar, vb D1, D2 doğru çalışmasını tarif etmek için düşük, D1 C1 şarj olur V bölgesi . Tüm yüksek gider C1 üst plaka 2'ye kadar itilir V bölgesi . D1 daha sonra kapatılır ve D2 kapatılır ve C2 2 şarj etmeye başlar V bölgesi . Bir sonraki saat çevrimine tekrar düşük gider ve şimdi 3'e C2 üst plakasını iterek yüksek gider V içinde . D2 kapanır ve D3 3 C3 şarj açılır, V bölgesi ve böylece yük zinciri, bu nedenle adı kadar geçen ile ilgili şarj pompası . Kaskaddaki son diyot kapasitör hücresi, bir saat fazından ziyade toprağa bağlıdır ve bu nedenle bir çarpan değildir; sadece yumuşatma sağlayan bir tepe detektörüdür .

İdeal durumda çıktı azaltmak bir dizi faktör vardır nV içinde . Bunlardan biri , anahtarlama cihazının eşik voltajı, V T , yani onu açmak için gereken voltajdır. Anahtarlardaki voltaj düşüşlerinden dolayı çıkış en az nV T azalacaktır . Schottky diyotları , diğer nedenlerin yanı sıra düşük ileri voltaj düşüşleri nedeniyle Dickson çarpanlarında yaygın olarak kullanılır. Diğer bir zorluk, her düğümde toprağa parazitik kapasitansların olmasıdır . Bu parazitik kapasitanslar, devrenin depolama kapasitörleri ile voltaj bölücüler olarak işlev görür ve çıkış voltajını daha da düşürür. Bir noktaya kadar, daha yüksek bir saat frekansı faydalıdır: dalgalanma azaltılır ve yüksek frekans, kalan dalgalanmanın filtrelenmesini kolaylaştırır. Ayrıca, döngü başına daha az şarjın depolanması gerektiğinden ihtiyaç duyulan kapasitörlerin boyutu da azalır. Bununla birlikte, kaçak kapasitans nedeniyle kayıplar, artan saat frekansı ile artar ve pratik bir sınır birkaç yüz kilohertz civarındadır.

Diyot kablolu MOSFET'ler kullanan Dickson şarj pompası (4 aşama: 5 kat çarpan)

Dickson çarpanları, düşük voltajlı pil beslemesini IC'nin ihtiyaç duyduğu voltaja yükseltmek için kullanıldıkları entegre devrelerde (IC'ler) sıklıkla bulunur . IC tasarımcısı ve üreticisi için tüm IC boyunca aynı teknolojiyi ve aynı temel cihazı kullanabilmek avantajlıdır. Bu nedenle, popüler CMOS teknolojisi IC'lerinde, devrelerin temel yapı taşını oluşturan transistör MOSFET'tir . Sonuç olarak, Dickson çarpanındaki diyotlar, genellikle diyot gibi davranacak şekilde bağlanan MOSFET'lerle değiştirilir.

Diyot kablolu MOSFET ile paralel doğrusal MOSFET'li Dickson şarj pompası (4 aşama: 5 kat çarpan)

Dickson çarpanının diyot kablolu MOSFET versiyonu, MOSFET'lerin büyük drenaj kaynağı voltaj düşüşleri nedeniyle çok düşük voltajlarda çok iyi çalışmaz. Sıklıkla, bu sorunun üstesinden gelmek için daha karmaşık bir devre kullanılır. Çözümlerden biri, anahtarlamalı MOSFET ile paralel olarak doğrusal bölgesine eğimli başka bir MOSFET'i bağlamaktır. Bu ikinci MOSFET, anahtarlamalı MOSFET'in kendi başına sahip olacağından daha düşük bir boşaltma kaynağı voltajına sahiptir (çünkü anahtarlama MOSFET'i sert bir şekilde çalıştırılır) ve sonuç olarak çıkış voltajı artar. Doğrusal önyargılı MOSFET'in kapısı, sonraki aşamanın çıkışına bağlanır, böylece bir sonraki aşama önceki aşamanın kapasitöründen şarj olurken kapatılır. Yani, doğrusal önyargılı transistör, anahtarlama transistörü ile aynı zamanda kapatılır.

1,5 V girişli ideal bir 4 aşamalı Dickson çarpanı (5 × çarpan) 7,5 V çıkışa sahip olacaktır . Bununla birlikte, diyot kablolu bir MOSFET 4 aşamalı çoğaltıcı yalnızca 2 V'luk bir çıkışa sahip olabilir . Doğrusal bölgeye paralel MOSFET'ler eklemek, bunu yaklaşık 4 V'a yükseltir . Daha karmaşık devreler, ideal duruma çok daha yakın bir çıktı elde edebilir.

Temel Dickson devresinde birçok başka varyasyon ve geliştirme mevcuttur. Bazıları, Mandal-Sarpeshkar çarpanı veya Wu çarpanı gibi anahtarlama eşiği voltajını düşürmeye çalışır. Diğer devreler eşik voltajını iptal eder: Umeda çarpanı bunu harici olarak sağlanan bir voltajla yapar ve Nakamoto çarpanı bunu dahili olarak üretilen voltajla yapar. Bergeret çarpanı, güç verimliliğini en üst düzeye çıkarmaya odaklanır.

RF gücü için modifikasyon

Değiştirilmiş Dickson şarj pompası (2 aşama: 3 kat çarpan)

CMOS tümleşik devrelerde saat sinyalleri kolayca elde edilebilir veya kolayca üretilebilir. Bu, RF entegre devrelerinde her zaman geçerli değildir , ancak genellikle bir RF güç kaynağı mevcut olacaktır. Standart Dickson çarpan devresi, normal girişi ve saat girişlerinden birini basitçe topraklayarak bu gereksinimi karşılayacak şekilde değiştirilebilir. Diğer saat girişine RF gücü enjekte edilir ve bu daha sonra devre girişi olur. RF sinyali, etkili bir şekilde saat ve güç kaynağıdır. Bununla birlikte, saat yalnızca diğer her düğüme enjekte edildiğinden, devre yalnızca her ikinci diyot-kapasitör hücresi için bir çarpma aşamasına ulaşır. Diğer diyot-kapasitör hücreleri, yalnızca tepe noktası detektörleri olarak işlev görür ve çarpımı artırmadan dalgalanmayı yumuşatır.

Çapraz bağlanmış anahtarlamalı kondansatör

Çapraz bağlanmış MOSFET voltaj katlayıcılarının kaskadı (3 aşama: 4 kat çarpan)

Bir voltaj çarpanı, çapraz bağlanmış anahtarlamalı kapasitör tipinde bir voltaj katlayıcı kademesinden oluşturulabilir . Bu tür bir devre tipik olarak, kaynak voltajı 1,2 V veya daha düşük olduğunda bir Dickson çarpanı yerine kullanılır . Dickson çarpanları, diyot kablolu transistörlerdeki voltaj düşüşü, çıkış voltajına kıyasla çok daha önemli hale geldiğinden, giriş voltajı düştükçe güç dönüştürme verimliliğinin gittikçe daha zayıf olduğu görülüyor. Çapraz bağlanmış devredeki transistörler diyot kablolu olmadığından, volt düşmesi sorunu o kadar ciddi değildir.

Devre, her kademenin çıkışını, tahrik edilen ve tahrik edilen bir voltaj katlayıcı arasında dönüşümlü olarak değiştirerek çalışır . Bu davranış, Dickson çarpanına göre başka bir avantaja yol açar: frekanstan iki kat daha düşük dalgalanma voltajı. Dalgalanma frekansındaki artış avantajlıdır çünkü filtreleme ile giderilmesi daha kolaydır. Her aşama (ideal bir devrede) çıkış voltajını en yüksek saat voltajı kadar yükseltir. Bu DC girdi voltajının daha sonra aynı seviyede olduğunu varsayarsak , n aşaması çarpan olacaktır (ideal olarak) çıkış NV içinde . Çapraz bağlanmış devrede kayıpların başlıca nedeni, anahtarlama eşik voltajından ziyade parazitik kapasitanstır. Kayıplar, enerjinin bir kısmının her döngüde parazitik kapasitansları doldurmaya gitmesi gerektiğinden meydana gelir.

Başvurular

TV kaskad (yeşil) ve geri dönüş transformatörü (mavi).

TV'lerdeki katot ışını tüpleri (CRT'ler) için yüksek voltaj kaynakları, genellikle CRT'nin kendisinin üzerindeki iç ve dış aquadag kaplamalarının oluşturduğu son aşama yumuşatma kapasitörüyle birlikte voltaj çoğaltıcıları kullanır . CRT'ler eskiden televizyon setlerinde ortak bir bileşendi. Gerilim çarpanları hala modern TV'lerde, fotokopi makinelerinde ve hata ayıklayıcılarda bulunabilir .

Yüksek gerilim çarpanları, en çok otomotiv üretim tesislerinde bulunan sprey boyama ekipmanlarında kullanılır. Boya püskürtücünün memesinde, daha sonra boyanacak zıt yüklü metal yüzeylere çekilecek olan atomize boya parçacıklarını elektriksel olarak yüklemek için yaklaşık 100 kV'luk bir çıkışa sahip bir voltaj çarpanı kullanılır. Bu, kullanılan boya hacminin azaltılmasına ve eşit bir boya tabakasının yayılmasına yardımcı olur.

Yüksek enerjili fizikte kullanılan yaygın bir voltaj çarpanı türü Cockcroft-Walton jeneratörüdür ( John Douglas Cockcroft ve Ernest Thomas Sinton Walton tarafından 1951'de Nobel Fizik Ödülü'nü kazanan araştırmalarda kullanılmak üzere bir parçacık hızlandırıcı için tasarlandı ) .

Ayrıca bakınız

Notlar

Kaynakça

  • Campardo, Giovanni; Micheloni, Rino; Novosel, David VLSI-Design of Non-volatile Memories , Springer, 2005 ISBN   3-540-20198-X .
  • Lin, Yu-Shiang Minyatür Sensör Sistemleri için Düşük Güç Devreleri , Publisher ProQuest, 2008 ISBN   0-549-98672-3 .
  • Liu, Mingliang Anahtarlı Kondansatör Devreleri Arındırma , Newnes, 2006 ISBN   0-7506-7907-7 .
  • McGowan Kevin, Yarıiletkenler: Kitaptan Breadboard'a , Cengage Learning, 2012 ISBN   1133708382 .
  • Peluso, Vincenzo; Steyaert, Michiel; Sansen, Willy MC Düşük Voltajlı Düşük Güçlü CMOS Delta-Sigma A / D Dönüştürücüler Tasarımı , Springer, 1999 ISBN   0-7923-8417-2 .
  • Yuan, Pasif Kablosuz Mikrosistemler için Fei CMOS Devreleri , Springer, 2010 ISBN   1-4419-7679-5 .
  • Zumbahlen, Hank Doğrusal Devre Tasarımı El Kitabı , Newnes, 2008 ISBN   0-7506-8703-7 .

Dış bağlantılar