Кіріспе
Электрлік контурдың қуат түрлендіргіші
Кернеу көбейтуші – AC электр қуатын төменгі кернеуден жоғары DC кернеуге түрлендіретін электрлік контур, әдетте конденсаторлар мен диодтар желісін пайдалана отырып. Кернеу көбейтушілер электрондық құрылғылар үшін бірнеше вольттан бастап, жоғары энергиялық физика эксперименттері мен молниядан қорғану сынақтары үшін миллиондаған вольтқа дейін қуатты жасауға қолданылады. Кернеу көбейтушінің ең көп таралған түрі – жартылай толқындық тізбекті көбейтуші, ол Виллард каскады деп те аталады (бірақ шын мәнінде Генрих Грайнахер ойлап тапқан).
Кернеуді екі еселеуші және үш еселеуші
Кернеуді екі еселеуші, бір сатылы түзетушіден алынатын DC кернеуді шамамен екі еселеу үшін екі саты қолданады. Кернеуді екі еселеудің мысалы, 120 В немесе 240 В қуат көзін таңдау үшін SPDT қосқышы бар импульстік қуат көздерінің кіріс сатысында кездеседі. 120 В күйінде кіріс әдетте толық толқынды кернеуді екі еселеуші ретінде конфигурацияланады, мұнда көпкөзді түзетушінің бір АЖ қосылыс нүктесі ашылып, кіріс екі тізбектелген сүзгі конденсаторының қосылыс нүктесіне қосылады. 240 В жұмысы үшін қосқыш жүйені толық толқынды көпкөзді схема ретінде конфигурациялайды, конденсатордың орталық сымын көпкөзді түзету жүйесінің ашық АЖ терминалына қайта қосады. Бұл қарапайым SPDT қосқышымен 120 немесе 240 В жұмыс істеуге мүмкіндік береді. Кернеуді үш еселеуші – үш сатылы кернеу көбейтуші. Триплер – кернеуді көбейтудің танымал түрі. Триплердің шығыс кернеуі, практикада, жоғары кедергісіне байланысты ең жоғары кіріс кернеуінен үш есе төмен болады, себебі тізбектегі әрбір конденсатор келесіге қуат бергенде, кернеуді жоғалта отырып, ішінара разрядталады. Триплерлер түсті теледидар қабылдағыштарында катодты сәулелі түтікке (CRT, сурет түтігі) жоғары кернеуді беру үшін жиі қолданылды. Триплерлер әлі де көшірме машиналары, лазерлік принтерлер, жәндіктерді жою құралдары және электрошокты қарулар сияқты жоғары кернеулі жабдықтарда қолданылады.
Ақаулық кернеуі
Көбейткішті мыңдаған вольттық шығыс қуатын өндіру үшін пайдалануға болады, бірақ жеке компоненттердің барлық кернеу диапазонына төтеп беруге қабілетті болуы міндетті емес. Әрбір компонент тек өзінің терминалдарындағы және оған тікелей жақын компоненттердегі салыстырмалы кернеу айырмашылықтарына ғана назар аударуы керек. Кернеу көбейтуші әдетте баспалдақ сияқты физикалық түрде орналастырылады, осылайша кернеу потенциалының біртіндеп өсуі тізбектің төмен потенциалды бөлімдеріне секіру мүмкіндігі болмайды. Көбейткіштегі кернеу айырмашылықтарының салыстырмалы диапазонында белгілі бір қауіпсіздік қоры болуы қажет, сонда ғана баспалдақ кем дегенде бір диод немесе конденсатордың тоқ соғуынан зардап көрмейді. Әйтпесе, бір нүктедегі тоқ соғу ақаулығы келесі компоненттердің кернеуін бірінен соң бірін арттырып, оларды жоюы мүмкін, бұл бүкіл көбейткіш тізбегін құртуға әкелуі мүмкін.
Диксонның зарядтау сорғысы
Диксон зарядты сорғысы немесе Диксон көбейтушісі – Грейнахер/Коккрофт-Уолтон көбейтушісінің модификациясы. Дегенмен, бірнеше маңызды айырмашылықтар бар: Диксон көбейтушісі тұрақты ток көзін кіріс ретінде қабылдайды, сондықтан ол тұрақты токтан тұрақты токқа түрлендіргіштің бір түрі. Тұрақты ток кірісінен басқа, тізбекке екі сағат импульсының тізбегін беру қажет, олардың амплитудасы тұрақты ток көзінің шектері арасында өзгереді. Бұл импульстар фазасынан 180 градусқа қарама-қарсы. Диксон көбейтушісі төмен кернеуде қолдануға арналған, Грейнахер/Коккрофт-Уолтоннан айырмашылығы, ол көбінесе жоғары кернеуде қолданылады. Бұл соңғы конденсатордың барлық шығыс кернеуін сақтауы керек болғандықтан, ал Грейнахер/Коккрофт-Уолтон көбейтушісінде әр конденсатор кіріс кернеуінен екі есе көп сақтайды (осылайша 10 немесе одан да көп есе көбейтуге мүмкіндік береді). Тізбектің идеалды жұмысын сипаттау үшін диодтарды D1, D2 және т.б. солдан оңға қарай, ал конденсаторларды C1, C2 және т.б. деп нөмірлеңіз. Сағат төмен болғанда, D1 C1 конденсаторын Vin кернеуіне дейін зарядтайды. Сағат жоғары болғанда, C1 конденсаторының жоғарғы пластинасы 2Vin кернеуіне дейін көтеріледі. Содан кейін D1 өшіріледі, D2 қосылады және C2 конденсаторы 2Vin кернеуіне дейін зарядталады. Келесі циклда сағат тағы да төмендейді, ал содан кейін жоғарылайды, C2 конденсаторының жоғарғы пластинасын 3Vin кернеуіне дейін итеріп жібереді. D2 өшіріледі, D3 қосылады, C3 конденсаторын 3Vin кернеуіне дейін зарядтайды, және т.б., заряд тізбек бойынша өтеді, сондықтан бұл зарядты сорғы деп аталады. Каскадтағы соңғы диодты конденсатор жасушасы сағат фазасына емес, жерге қосылған, сондықтан ол көбейтуші емес; ол тек тегістеуді қамтамасыз ететін ең жоғары кернеуді анықтағыш. Шығысты идеалды жағдайдағы nVin-нен азайтатын бірнеше фактор бар. Олардың бірі – ажырату құрылғысының шекті кернеуі, VT, яғни оны қосу үшін қажетті кернеу. Ауыстырғыштардағы кернеудің төмендеуіне байланысты шығыс кем дегенде nVT-ға төмендейді. Шоттки диодтары Диксон көбейтушілерінде олардың төменгі тікелей кернеудің төмендеуі және басқа да себептерге байланысты жиі қолданылады. Тағы бір қиындық – әрбір түйінде жерге паразиттік сыйымдылықтардың болуы. Бұл паразиттік сыйымдылықтар тізбектің сақтау конденсаторларымен бірге кернеуді бөліп, шығыс кернеуін одан әрі төмендетеді. Белгілі бір деңгейге дейін жоғары сағат жиілігі пайдалы: тербеліс азаяды және жоғары жиілік қалған тербелісті сүзгілеуді жеңілдетеді. Сондай-ақ, цикл сайын аз заряд сақтау қажет болғандықтан, конденсаторлардың көлемі кішірейеді. Дегенмен, адасқан сыйымдылық арқылы болатын жоғалтулар сағат жиілігінің артуымен өседі және практикалық шек бірнеше жүз килогерц шамасында. Диксон көбейтушілері интегралды схемаларда (ИС) жиі кездеседі, онда олар төмен кернеулі батареяны ИС-қа қажетті кернеуге дейін көтеру үшін қолданылады. ИС жобалаушысы мен өндірушісі үшін ИС-те бірдей технологияны және бірдей негізгі құрылғыны қолдану ыңғайлы. Осы себепті, танымал CMOS технологиясындағы ИС-те схемалардың негізгі құрауышы болып табылатын транзистор – MOSFET. Сәйкесінше, Диксон көбейтушісіндегі диодтар көбінесе диодтар ретінде жұмыс істейтін сыммен қосылған MOSFET-термен ауыстырылады. Диксон көбейтушісінің диодты сыммен қосылған MOSFET нұсқасы MOSFET-тің үлкен дренаж-көз кернеуіне байланысты өте төмен кернеуде жақсы жұмыс істемейді. Көбінесе бұл мәселені шешу үшін күрделі схема қолданылады. Бір шешім – басқа MOSFET-ті оның сызықтық аймағына қосып, оны коммутациялық MOSFET-пен параллель қосу. Бұл екінші MOSFET-тің дренаж-көз кернеуі коммутациялық MOSFET-тің өзінен төмен болады (өйткені коммутациялық MOSFET толығымен қосылған), сондықтан шығыс кернеуі артады. Сызықтық түрде бейімделген MOSFET-тің қақпасы келесі сатының шығысына қосылады, сондықтан ол келесі саты алдыңғы сатының конденсаторынан зарядталатын кезде өшіріледі. Яғни, сызықтық түрде бейімделген транзистор коммутациялық транзистормен бір уақытта өшіріледі. Идеалды 4 сатылы Диксон көбейтушісінің (5× көбейтушісі) кірісі 1,5 В болса, шығысы 7,5 В болады. Алайда, диодты сыммен қосылған MOSFET 4 сатылы көбейтушісінің шығысы 2 В ғана болуы мүмкін. Сызықтық аймақта параллель MOSFET-терді қосу оны шамамен 4 В-қа дейін жақсартады. Тағы да күрделі схемалар идеалды жағдайға жақын шығысқа қол жеткізе алады. Диксон тізбегінің негізгі схемасына көптеген басқа да өзгерістер мен жақсартулар бар. Кейбіреулері ауысу шекті кернеуін төмендетуге тырысады, мысалы, Мандал Сарпешкар көбейтушісі немесе Ву көбейтушісі. Басқа схемалар шекті кернеуді жояды: Умеда көбейтушісі оны сыртқы кернеумен қамтамасыз етеді, ал Накамото көбейтушісі оны ішкі кернеумен жасайды. Берже көбейтушісі қуат тиімділігін арттыруға бағытталған.
The Dickson multiplier takes a DC supply as its input so is a form of DC to DC converter. In addition to the DC input, the circuit requires a feed of two clock pulse trains with an amplitude swinging between the DC supply rails. These pulse trains are in antiphase. The Dickson multiplier is intended for low voltage applications, unlike Greinacher/Cockcroft–Walton which is commonly used in high voltage applications. This is because the final capacitor has to hold the entire output voltage, whereas in the Greinacher/Cockcroft–Walton multiplier, each capacitor holds at most twice the input voltage (thus easily allowing multiplication by a factor of 10 or more). To describe the ideal operation of the circuit, number the diodes D1, D2 etc. from left to right and the capacitors C1, C2 etc. When the clock is low, D1 will charge C1 to Vin. When goes high the top plate of C1 is pushed up to 2Vin. D1 is then turned off and D2 turned on and C2 begins to charge to 2Vin. On the next clock cycle again goes low and now goes high pushing the top plate of C2 to 3Vin. D2 switches off and D3 switches on, charging C3 to 3Vin and so on with charge passing up the chain, hence the name charge pump. The final diode capacitor cell in the cascade is connected to ground rather than a clock phase and hence is not a multiplier; it is a peak detector which merely provides smoothing. There are a number of factors which reduce the output from the ideal case of nVin. One of these is the threshold voltage, VT of the switching device, that is, the voltage required to turn it on. The output will be reduced by at least nVT due to the volt drops across the switches. Schottky diodes are commonly used in Dickson multipliers for their low forward voltage drop, amongst other reasons. Another difficulty is that there are parasitic capacitances to ground at each node. These parasitic capacitances act as voltage dividers with the circuit's storage capacitors reducing the output voltage still further. Up to a point, a higher clock frequency is beneficial: the ripple is reduced and the high frequency makes the remaining ripple easier to filter. Also the size of capacitors needed is reduced since less charge needs to be stored per cycle. However, losses through stray capacitance increase with increasing clock frequency and a practical limit is around a few hundred kilohertz. Dickson multipliers are frequently found in integrated circuits (ICs) where they are used to increase a low voltage battery supply to the voltage needed by the IC. It is advantageous to the IC designer and manufacturer to be able to use the same technology and the same basic device throughout the IC. For this reason, in the popular CMOS technology ICs the transistor which forms the basic building block of circuits is the MOSFET. Consequently, the diodes in the Dickson multiplier are often replaced with MOSFETs wired to behave as diodes. The diode wired MOSFET version of the Dickson multiplier does not work very well at very low voltages because of the large drain source volt drops of the MOSFETs. Frequently, a more complex circuit is used to overcome this problem. One solution is to connect in parallel with the switching MOSFET another MOSFET biased into its linear region. This second MOSFET has a lower drain source voltage than the switching MOSFET would have on its own (because the switching MOSFET is driven hard on) and consequently the output voltage is increased. The gate of the linear biased MOSFET is connected to the output of the next stage so that it is turned off while the next stage is charging from the previous stage's capacitor. That is, the linear biased transistor is turned off at the same time as the switching transistor. An ideal 4 stage Dickson multiplier (5× multiplier) with an input of 1.5 V would have an output of 7.5 V. However, a diode wired MOSFET 4 stage multiplier might only have an output of 2 V. Adding parallel MOSFETs in the linear region improves this to around 4 V. More complex circuits still can achieve an output much closer to the ideal case. Many other variations and improvements to the basic Dickson circuit exist. Some attempt to reduce the switching threshold voltage such as the Mandal Sarpeshkar multiplier or the Wu multiplier. Other circuits cancel out the threshold voltage: the Umeda multiplier does it with an externally provided voltage and the Nakamoto multiplier does it with internally generated voltage. The Bergeret multiplier concentrates on maximising power efficiency.
RF қуатына арналған өзгерту
CMOS интегралдық тізбектерінде сағаттық сигналдар оңай қолжетімді немесе оңай жасалады. Бұл RF интегралдық тізбектерінде әрқашан осылай болмайды, бірақ көбінесе RF қуат көзі болады. Стандартты Диксон көбейтуші тізбегін осы қажеттілікке сәйкес ету үшін, жай ғана қалыпты кірісін және сағаттық кірістердің біреуін жерге қосу арқылы өзгертуге болады. RF қуаты екінші сағаттық кіріске енгізіледі, содан кейін ол тізбектің кірісіне айналады. RF сигналы – бұл сағат та, қуат көзі де. Дегенмен, сағат тек әрбір екінші түйінге ғана енгізілетіндіктен, тізбек тек әрбір екінші диодты конденсаторлық ұяшасына көбейту сатысына жетеді. Қалған диодты конденсаторлық ұяшалар тек қана жоғары нүктелерді анықтағыш ретінде жұмыс істейді және көбейтуді арттырмай, тербелістерді тегістейді.
Қиылыспалы коммутациялық конденсатор
Кернеу көбейтушіге кернеуді екі еселеушілердің каскадынан құрылған схема қолданылуы мүмкін. Бұл схема түрі, көзінің кернеуі 1,2 В немесе одан төмен болған жағдайда, Диксон көбейтушісінің орнына қолданылады. Диксон көбейтушілері кіріс кернеуі төмендеген сайын қуатты түрлендіру тиімділігі нашарлайды, себебі диодтық қосылыспен жалғанған транзисторлардағы кернеудің төмендеуі шығыс кернеуімен салыстырғанда айтарлықтай маңыздырақ болады. Кросс-байланысты схемадағы транзисторлар диодтық қосылыспен жалғанбағандықтан, кернеудің төмендеуіне байланысты проблема соншалықты маңызды емес. Схема, әрбір сатының шығысын екі еселеушіге және екі еселеушіге кезектесіп ауыстыру арқылы жұмыс істейді. Бұл қасиет Диксон көбейтушісіне қарағанда тағы бір артықшылықты қамтамасыз етеді: толқынды кернеудің жиілігі екі еселенеді. Толқын жиілігінің артуы тиімді, өйткені оны сүзгі арқылы жою оңайырақ. Әрбір саты (идеалды схемада) шығыс кернеуін ең жоғары сағат кернеуіне дейін көтереді. Егер бұл деңгей тұрақты ток кернеуімен бірдей болса, онда n сатылы көбейтуші (идеалды жағдайда) nVin шығарады. Кросс-байланысты схемадағы шығындардың басты себебі – паразиттік сыйымдылық, ал ауысу шегінің кернеуі емес. Шығындардың пайда болуына себеп – энергияның бір бөлігі әр цикл сайын паразиттік сыйымдылықты зарядтауға жұмсалады.
Қолданбалар
Телевизорлардағы катодты сәулелі түтіктерге (CRT) арналған жоғары кернеулік қуат көздері көбінесе кернеуді көбейтушілерді пайдаланады, соңғы сатыдағы тегістеу конденсаторы CRT-нің ішкі және сыртқы аquadag қаптамаларымен құралады. CRT бұрын теледидарлардың кең таралған компоненті болған. Кернеуді көбейтушілерді қазіргі теледидарларда, фотокөшіргіштерде және жәндіктерді жоятын құрылғыларда да кездестіруге болады. Жоғары кернеулі көбейтушілер көбінесе автомобиль өндіріс орындарында қолданылатын бояу шашырату жабдықтарында пайдаланылады. Бояу шашырату құрылғысының саптамасында шамамен 100 кВ шығыс кернеулі көбейтуші қолданылады, ол ұсақталған бояу бөлшектерін электрлендіреді, содан кейін олар боялатын қарама-қарсы зарядталған металл беттерге тартылады. Бұл бояудың қолданылу көлемін азайтуға және бояудың тегіс қабатын жаюға көмектеседі. Жоғары энергиялық физикада қолданылатын кернеуді көбейтушінің кең таралған түрі – Коккрофт-Уолтон генераторы (оны Джон Дуглас Коккрофт пен Эрнест Томас Синтон Уолтон 1951 жылы физика саласындағы Нобель сыйлығын жеңіп алған зерттеу үшін бөлшектерді үдетуге арналған құрал ретінде жобалаған).