Кіріспе

Конденсаторларды зарядтайтын электрондық схема. Кернеуді екі еселеуші – кіріс кернеуінен конденсаторларды зарядтайтын және осы зарядтарды мұндай етіп ауыстыратын электрондық схема, идеал жағдайда шығыстағы кернеу кіріс кернеуінен екі есе артық болады. Осы схемалардың ең қарапайым түрі – айнымалы ток кернеуін кіріс ретінде қабылдап, екі еселенген тұрақты ток кернеуін шығаратын түзеткіш. Ауыстыру элементтері – қарапайым диодтар, олар кіріс кернеуінің айнымалы тогымен ғана күйін өзгертеді. Тұрақты токтан тұрақты токқа кернеуді екі еселеушілер осылай ауыса алмайды және ауыстыруды басқару үшін басқару схемасын қажет етеді. Олар көбінесе тікелей басқарылатын транзистор сияқты ауыстыру элементін қажет етеді, қарапайым айнымалы токтан тұрақты токқа ауысудағыдай, ауыстырғыштағы кернеуге емес, тікелей басқаруға сүйенеді. Кернеуді екі еселеуші – кернеуді көбейту схемаларының бір түрі. Көптеген, бірақ барлық емес, кернеуді екі еселеуші схемаларды жоғары ретті көбейтушінің бір сатысы ретінде қарастыруға болады: бірдей сатыларды тізбектеп қосу кернеуді одан да көп еселеуге мүмкіндік береді.

Виллард схемасы

Пол Ульрих Виллард ұсынған Виллард схемасы қарапайым конденсатор мен диодтан құралады. Оның ең үлкен артықшылығы – қарапайымдылығы, бірақ шығысының толқындық сипаттамалары өте нашар. Ақиқатында, бұл схема диодты шектегіш схема болып табылады. Конденсатор кернеудің ең жоғары мәніне (Vpk) дейін теріс жарты циклдарда зарядталады. Шығыс – кіріс АЖ толқын формасы мен конденсатордың тұрақты АЖ-ның қосындысы. Схеманың әсері – толқынның тұрақты ток деңгейін өзгерту. АЖ толқын формасының теріс нүктелері диод арқылы 0 В-қа ("тұрақтандырылады", нақтырақ айтқанда -VF, диодтың кішкентай алға қарайғы кернеуі) бекітіледі, сондықтан шығыс толқын формасының оң нүктелері 2Vpk-қа жетеді. Толқынның ең жоғарғы және ең төменгі нүктелері арасындағы айырма 2Vpk-қа тең, және схеманы күрделі формаға өзгертусіз оны тегістеу мүмкін емес. Бұл схема микротолқынды пештегі магнетронға теріс жоғары кернеу беру үшін қолданылады (диод кері қосылған күйде).

Гринахер схемасы

Гринахер кернеуін екі еселеуші, қосымша компоненттердің шағын шығынымен Виллард схемасына қарағанда маңызды жақсарту болып табылады. Толқын өте төмендеуге ие, ашық тізбектегі жүктеме кезінде номиналды түрде нөлге жуық, бірақ ток тартылғанда жүктеменің кедергісіне және қолданылған конденсаторлардың сыйымдылығына байланысты өзгереді. Сұлба Виллард жасушасының сатысын, негізінен, шыңдық детектор немесе оқшаулау детектор сатысымен толықтырады. Шыңдық детектор жасушасы шығыстағы максималды кернеуді сақтай отырып, толқындардың көп бөлігін жоюға мүмкіндік береді. Гринахер схемасы сондай-ақ жарты толқынды кернеу екі еселеуші ретінде де белгілі. Бұл схеманы алғаш рет 1913 жылы Генрих Гринахер ойлап тапты (1914 жылы жарияланды), өзінің жаңадан ойлап тапқан ионометріне қажетті 200–300 В қамтамасыз ету үшін, сол кездегі Цюрих электр станциялары ұсынған 110 В айнымалы ток жеткіліксіз болды. Кейіннен ол 1920 жылы осы идеяны көбейтушілердің каскадына дейін кеңейтті. Гринахер жасушаларының бұл каскады көбінесе Виллард каскады деп қате аталады. Оны 1932 жылы схеманы тәуелсіз түрде ашқан Джон Коккрофт пен Эрнест Уолтон жасаған бөлшектер үдеткішінің құрметіне Коккрофт-Уолтон көбейтуші деп те атайды. Бұл топологиядағы принципті екі қарама-қарсы полярлы Гринахер жасушаларын бірдей айнымалы ток көзінен басқару арқылы кернеуді төрт еселеу тізбегіне дейін кеңейтуге болады. Шығыс екі жеке шығыстан алынады. Көпірлік тізбектердегідей, осы тізбектің кірісі мен шығысын бір уақытта жерге қосу мүмкін емес.

Делондық схема

Делон схемасы кернеуді екі еселеу үшін көпірлік топологияны пайдаланады; сондықтан оны толық толқынды кернеу екі еселеуіш деп те атайды. Сұлба екі жарты толқынды максимумды анықтағыштан (пик детектордан) тұрады, олар Гренахер схемасындағы максимумды анықтағыш жасушасымен толықтай бірдей жұмыс істейді. Екі максимумды анықтағыштың әрқайсысы кіріс толқынының қарама-қарсы жарты циклдарында жұмыс істейді. Олардың шығыстары тізбектей қосылғандықтан, шығыс кернеуі кіріс кернеуінің ең жоғарғы мәнінің екі есесіне тең.

Конденсаторлардың коммутацияланған контурлары

Жоғарыда сипатталған қарапайым диодты конденсатор схемаларын, ток көзінің кернеуін екі еселеу үшін, кернеуді екі еселеушіге алдымен шоперлік схема қосып пайдалануға болады. Бұл, кернеуді екі еселеушіге қолданғанға дейін, тұрақты токты ауыспалы токқа түрлендіреді. Тиімдірек схемаларды құру үшін, коммутациялық құрылғыларды сыртқы сағаттан басқаруға болады, сонда шоперлеу және көбейту функциялары бір мезгілде орындалады. Мұндай схемалар коммутацияланған конденсатор схемалары деп аталады. Бұл тәсіл, әсіресе, төмен кернеулі аккумулятормен жұмыс істейтін және интегралдық схемалардың аккумулятор бере алатыннан артық кернеуді қажет ететін жағдайларда тиімді. Көбінесе интегралдық схема тақтасында сағат сигналы бар және оны жасау үшін қосымша схемалардың қажеті болмайды. Концептуалды тұрғыдан қарағанда, ең қарапайым коммутацияланған конденсатор конфигурациясы 5-суретте схемалық түрде көрсетілген. Мұнда екі конденсатор бір мезгілде бірдей кернеуге параллель зарядталады. Содан кейін қуат көзі өшіріліп, конденсаторлар тізбекке қосылады. Шығыс, тізбекке қосылған екі конденсатордың арасынан алынады, нәтижесінде қуат көзінің кернеуінің екі есесіне тең шығыс кернеуі пайда болады. Мұндай схемада көптеген түрлі коммутациялық құрылғыларды қолдануға болады, бірақ интегралдық схемаларда MOSFET құрылғылары жиі қолданылады. Тағы бір негізгі ұғым – зарядтау насосы, оның бір түрі 6-суретте схемалық түрде көрсетілген. Зарядтау насосы конденсаторы, CP, алдымен кіріс кернеуіне дейін зарядталады. Содан кейін ол кіріс кернеуімен қатар шығыс конденсаторын, CO, зарядтау үшін ауыстырылады, нәтижесінде CO ақырында кіріс кернеуінің екі есесіне дейін зарядталады. Зарядтау насосы CO-ны толық зарядтау үшін бірнеше циклдар қажет болуы мүмкін, бірақ тұрақты күйге жеткеннен кейін CP-ге CO-дан жүктемеге берілетін заряд мөлшеріне тең шағын зарядты сорғылау жеткілікті. CO зарядтау насосынан ажыратылғанда, ол жүктемеге ішінара разрядталады, нәтижесінде шығыс кернеуінде тербеліс пайда болады. Бұл тербеліс жоғары сағат жиіліктерінде кішірек болады, себебі разрядтау уақыты қысқа, сонымен қатар оны сүзгілеу оңай. Сонымен қатар, конденсаторларды берілген тербеліс шегіне сәйкес кішірейте беруге болады. Интегралдық схемалардағы практикалық ең жоғары сағат жиілігі әдетте жүздеген килогерц құрайды.

Диксонның зарядтау сорғысы

Диксон зарядты сорғысы немесе Диксон мультипликаторы диодты/конденсаторлы элементтер тізбегінен тұрады, әрбір конденсатордың төменгі жағы сағат импульстарымен басқарылады. Схема Коккрофт-Уолтон мультипликаторының өзгертілген нұсқасы, бірақ AC кірісінің орнына сағат импульстарымен коммутациялық сигнал беретін DC кірісін пайдаланады. Диксон мультипликаторы әдетте, кезекті жасушаларды қарама-қарсы фазадағы сағат импульстарымен басқаруды қажет етеді. Дегенмен, 7-суретте көрсетілген кернеуді екі еселейтін құрылғыға тек бір еселеу сатысы қажет болғандықтан, тек бір сағат сигналы жеткілікті. Диксон мультипликаторы жиі интегралды тізбектерде қолданылады, онда қуат көзінің кернеуі (мысалы, батареядан) тізбекке қажетті кернеуден төмен болады. Интегралды тізбектерді өндіруде барлық жартылай өткізгіш компоненттерінің бірдей типте болуы тиімді. MOSFET-тер көбінесе интегралды тізбектердегі стандартты логикалық блок болып табылады. Сондықтан диодтар көбінесе осы типтегі транзисторлармен ауыстырылады, бірақ диод ретінде жұмыс істеу үшін қосылған, яғни диодты MOSFET. 8-суретте диодты қосылған n-арналы күшейту типіндегі MOSFET-терді пайдаланатын Диксон кернеу екі еселейтін құрылғысы көрсетілген. Диксон зарядты сорғысының көптеген түрлері мен жетілдірілген нұсқалары бар. Олардың көпшілігі транзистордың дренаж-көз кернеуінің әсерін азайтуға бағытталған. Бұл кіріс кернеуі төмен болғанда, мысалы, төмен кернеулі батареяда маңызды болуы мүмкін. Идеалды коммутациялық элементтерді пайдаланғанда шығыс кірістің бүтін еселігіне тең болады (екі еселейтін құрылғы үшін екі), бірақ бір жасушалы батарея кіріс көзі ретінде және MOSFET коммутаторлары қолданылғанда шығыс осы мәннен әлдеқайда төмен болады, себебі кернеудің көп бөлігі транзисторлар арқылы төмендейді. Дискретті компоненттерді пайдаланатын тізбек үшін Шотки диоды қосылған күйдегі өте төмен кернеудің төмендеуіне байланысты коммутациялық элементтің жақсы таңдауы болар еді. Дегенмен, интегралды тізбектерді жобалаушылар оңай қол жетімді MOSFET-ті пайдалануды жөн көреді және оның кемшіліктерін тізбектің күрделілігін арттыру арқылы толықтырады. Мысалы, сілтілі батарея жасушасының номиналды кернеуі 1,5 В құрайды. Кернеуді екі еселейтін құрылғы, нөлдік кернеудің төмендеуімен және идеалды коммутациялық элементтерді пайдалана отырып, екі есеге көбейтіп, 3,0 В шығарады. Алайда, диодты қосылған MOSFET-тің дренаж-көз кернеуінің төмендеуі, әдетте, 0,9 В-қа тең болуы керек. Бұл кернеу екі еселейтін құрылғы шығыс кернеуін шамамен 0,6 В-тан 2,1 В-қа дейін көтеруіне мүмкіндік береді. Егер соңғы тегістеу транзисторындағы төмендеуді ескерсек, тізбек көп сатыны қолданбастан кернеуді мүлдем көтере алмайды. Ал, Schottky диодының қосылған күйдегі кернеуі 0,3 В болуы мүмкін. Осы Schottky диодын пайдаланатын екі еселейтін құрылғы 2,7 В кернеуді, ал тегістеу диодынан кейін 2,4 В кернеуді шығарады.

Қиылыспалы коммутациялық конденсаторлар

Кросстық жалғастырылған конденсаторлық тізбектер өте төмен кіріс кернеулері үшін тиімді болады. Сымсыз, батареямен жұмыс істейтін құрылғылар, мысалы пейджерлер, Bluetooth құрылғылары және осы сияқты жабдықтар, бір вольттан төмен разрядталған кезде қуат беруді жалғастыру үшін бір элементті батареяны қажет етуі мүмкін. Сағат төмен болғанда Q2 транзисторы өшіріледі. Сонымен бірге сағат жоғары болғанда Q1 транзисторы қосылады, нәтижесінде C1 конденсаторы Vin кернеуіне дейін зарядталады. Сағат жоғары көтерілгенде C1 конденсаторының жоғарғы пластинасы екі есе Vin кернеуіне дейін көтеріледі. Сонымен қатар S1 қосқышы жабылады, сондықтан бұл кернеу шығыста пайда болады. Сонымен бірге Q2 қосылады, бұл C2 конденсаторының зарядталуына мүмкіндік береді. Келесі жарты циклда рөлдер ауысады: сағат төмен болады, сағат жоғары болады, S1 ашылады және S2 жабылады. Осылайша, шығыс тізбектің әр жағынан кезекпен 2Vin кернеуімен қамтамасыз етіледі. Бұл тізбектегі жоғалту аз, себебі диодты қосылған MOSFET және олардың шекті кернеу мәселелері жоқ. Сондай-ақ, тізбектің артықшылығы – толқын жиілігі екі есеге артады, себебі шығысты фазадан тыс сағаттармен қамтамасыз ететін екі кернеу еселегіші бар. Бұл тізбектің басты кемшілігі – адасқан сыйымдылық Диксон еселегішімен салыстырғанда әлдеқайда маңыздырақ және бұл тізбектегі жоғалтулардың басым бөлігін құрайды.