Введение

Мультипликатор напряжения — это электрическая схема, преобразующая переменный электрический ток с более низкого напряжения в более высокое напряжение постоянного тока, как правило, с использованием сети конденсаторов и диодов. Мультипликаторы напряжения могут применяться для получения нескольких вольт для электронных приборов и до миллионов вольт для таких целей, как эксперименты в области физики высоких энергий и испытания на устойчивость к ударам молнии. Наиболее распространенным типом мультипликатора напряжения является последовательный умножитель напряжения полуволны, также известный как каскад Вилларда (хотя фактически изобретен Генрихом Гринахером).

Удвоитель и утроитель напряжения

Удвоитель напряжения использует две ступени для приблизительного удвоения напряжения постоянного тока, которое можно было бы получить от одноступенчатого выпрямителя. Пример удвоителя напряжения можно найти на входной стадии импульсных источников питания, содержащих переключатель SPDT для выбора источника питания 120 или 240 В. В положении 120 В вход обычно конфигурируется как полноволновой удвоитель напряжения путем размыкания одной точки подключения переменного тока мостового выпрямителя и подключения входа к соединению двух последовательно соединенных фильтрующих конденсаторов. Для работы от 240 В переключатель конфигурирует систему как полноволновой мост, повторно подключая центральный вывод конденсатора к разомкнутому выводу переменного тока мостовой схемы выпрямителя. Это позволяет работать от 120 или 240 В с добавлением простого переключателя SPDT. Утроитель напряжения – это трехступенчатый умножитель напряжения. Утроитель – популярный тип умножителя напряжения. На практике выходное напряжение утроителя ниже, чем утроенное пиковое входное напряжение, из-за его высокого импеданса, частично обусловленного тем, что каждый конденсатор в цепи, питая следующий, частично разряжается, теряя при этом напряжение. Утроители часто использовались в цветных телевизионных приемниках для обеспечения высокого напряжения для электронно-лучевой трубки (ЭЛТ, кинескопа). Утроители до сих пор используются в высоковольтных источниках питания, таких как копировальные аппараты, лазерные принтеры, уничтожители насекомых и электрошокеры.

Напряжение при разрыве

Хотя умножитель может использоваться для получения тысяч вольт на выходе, отдельные компоненты не обязательно должны быть рассчитаны на выдерживание всего диапазона напряжения. Каждый компонент должен учитывать только разность потенциалов непосредственно на своих выводах и на непосредственно соседних с ним компонентах. Обычно умножитель напряжения физически компонуется в виде лестницы, чтобы постепенно возрастающий потенциал не имел возможности пробить дугу до участков цепи с гораздо более низким потенциалом. Важно отметить, что в умножителе необходим определенный запас по напряжению, чтобы лестница могла выдержать короткое замыкание как минимум одного диода или конденсатора. В противном случае, одноточечное короткое замыкание может последовательно привести к перенапряжению и выходу из строя каждого следующего компонента в умножителе, что потенциально может разрушить всю цепочку умножителя.

Насос для зарядки Диксона

Насос заряда Диксона, или умножитель Диксона, является модификацией умножителя Грейнахера/Коккрофта — Уолтона. Однако существуют несколько важных отличий: умножитель Диксона принимает в качестве входа источник постоянного тока, поэтому он представляет собой преобразователь постоянного тока в постоянный. Помимо входного постоянного тока, схема требует подачи двух тактовых импульсных каналов с амплитудой, изменяющейся в пределах рельсов питания постоянного тока. Эти импульсные каналы находятся в противофазе. Умножитель Диксона предназначен для применений с низким напряжением, в отличие от умножителя Грейнахера/Коккрофта — Уолтона, который обычно используется в приложениях с высоким напряжением. Это связано с тем, что конечный конденсатор должен удерживать все выходное напряжение, в то время как в умножителе Грейнахера/Коккрофта — Уолтона каждый конденсатор удерживает максимум в два раза входное напряжение (что позволяет легко умножать на коэффициент 10 и более). Для описания идеальной работы схемы пронумеруйте диоды D1, D2 и т. д. слева направо, а конденсаторы C1, C2 и т. д. Когда тактовый сигнал низкий, D1 зарядит C1 до Vin. Когда тактовый сигнал становится высоким, верхняя пластина C1 поднимается до 2Vin. Затем D1 выключается, а D2 включается, и C2 начинает заряжаться до 2Vin. На следующем тактовом цикле сигнал снова становится низким, а затем становится высоким, поднимая верхнюю пластину C2 до 3Vin. D2 выключается, а D3 включается, заряжая C3 до 3Vin и так далее, с передачей заряда по цепи, отсюда и название «насос заряда». Последняя диодная конденсаторная ячейка в каскаде соединена с землей, а не с тактовой фазой, и поэтому не является умножителем; это пиковый детектор, который просто обеспечивает сглаживание. Существует ряд факторов, которые снижают выходное напряжение по сравнению с идеальным случаем nVin. Одним из них является пороговое напряжение VT переключающего устройства, то есть напряжение, необходимое для его включения. Выходное напряжение будет уменьшено как минимум на nVT из-за падения напряжения на переключателях. Диоды Шоттки обычно используются в умножителях Диксона из-за их низкого прямого падения напряжения, среди прочих причин. Другая трудность заключается в том, что в каждом узле имеются паразитные емкости, подключенные к земле. Эти паразитные емкости действуют как делители напряжения с накопительными конденсаторами схемы, еще больше снижая выходное напряжение. До определенного момента более высокая тактовая частота является полезной: уменьшается пульсация, а высокая частота облегчает фильтрацию оставшейся пульсации. Также уменьшается размер необходимых конденсаторов, поскольку за цикл необходимо сохранять меньше заряда. Однако потери из-за паразитной емкости увеличиваются с увеличением тактовой частоты, и практический предел составляет около нескольких сотен килогерц. Умножители Диксона часто встречаются в интегральных схемах (ИС), где они используются для повышения напряжения низковольтного источника питания до напряжения, необходимого для ИС. Для разработчика и производителя ИС выгодно иметь возможность использовать одну и ту же технологию и одно и то же базовое устройство во всей ИС. По этой причине в популярных ИС на основе технологии КМОП транзистором, который образует основной строительный блок схем, является МОП-транзистор. Следовательно, диоды в умножителе Диксона часто заменяются МОП-транзисторами, подключенными таким образом, чтобы они действовали как диоды. Диодный вариант умножителя Диксона не очень хорошо работает при очень низких напряжениях из-за больших падений напряжения сток-исток МОП-транзисторов. Часто для решения этой проблемы используется более сложная схема. Одно из решений — подключить параллельно с переключающим МОП-транзистором другой МОП-транзистор, смещенный в его линейную область. Этот второй МОП-транзистор имеет более низкое напряжение сток-исток, чем переключающий МОП-транзистор сам по себе (поскольку переключающий МОП-транзистор сильно включен), и, следовательно, выходное напряжение увеличивается. Затвор линейно смещенного МОП-транзистора подключен к выходу следующей ступени таким образом, что он выключается, пока следующая ступень заряжается от конденсатора предыдущей ступени. То есть линейно смещенный транзистор выключается одновременно с переключающим транзистором. Идеальный 4-ступенчатый умножитель Диксона (умножитель 5×) с входом 1,5 В будет иметь выход 7,5 В. Однако 4-ступенчатый умножитель на диодах, реализованный на МОП-транзисторах, может иметь выход всего 2 В. Добавление параллельных МОП-транзисторов в линейную область повышает это значение примерно до 4 В. Более сложные схемы могут достичь выходного напряжения, гораздо более близкого к идеальному. Существует множество других вариаций и улучшений базовой схемы Диксона. Некоторые из них направлены на снижение порогового напряжения переключения, например, умножитель Мандала-Сарпешкара или умножитель Ву. Другие схемы компенсируют пороговое напряжение: умножитель Умеда делает это с помощью внешне подаваемого напряжения, а умножитель Накамото — с помощью внутреннего напряжения. Умножитель Бержере сосредоточен на максимизации эффективности мощности.

Изменение для RF мощности

В интегральных схемах с КМОП тактовые сигналы легко доступны или могут быть легко сгенерированы. В радиочастотных интегральных схемах это не всегда так, но часто доступен источник радиочастотной энергии. Стандартная схема умножителя Диксона может быть модифицирована для соответствия этому требованию путем простого заземления обычного входа и одного из тактовых входов. Радиочастотная энергия подается на другой тактовый вход, который затем становится входом схемы. Таким образом, радиочастотный сигнал выполняет функцию тактового сигнала и является источником энергии. Однако, поскольку тактовый сигнал подается только на каждый второй узел, схема обеспечивает умножение только для каждой второй диодно-емкостной ячейки. Остальные диодно-емкостные ячейки выполняют лишь функцию пиковых детекторов и сглаживают пульсации, не увеличивая коэффициент умножения.

Конденсатор с переключательным переключателем

Мультипликатор напряжения может быть образован каскадом удвоителей напряжения перекрестно-связанного типа с переключаемыми конденсаторами. Этот тип схемы обычно используется вместо умножителя Диксона, когда напряжение источника составляет 1,2 В или меньше. Умножители Диксона демонстрируют все более низкую эффективность преобразования мощности при снижении входного напряжения, поскольку падение напряжения на диодно-связанных транзисторах становится существенно по отношению к выходному напряжению. Поскольку транзисторы в перекрестно-связанной схеме не диодно-связаны, проблема падения напряжения не так выражена. Схема работает, попеременно переключая выход каждой ступени между удвоителем напряжения, управляемым сигналом , и удвоителем, управляемым сигналом . Такое поведение дает еще одно преимущество перед умножителем Диксона: снижение пульсаций напряжения при удвоенной частоте. Увеличение частоты пульсаций выгодно, поскольку их легче устранить с помощью фильтрации. Каждая ступень (в идеальной схеме) повышает выходное напряжение на величину пикового напряжения тактового сигнала. Если предположить, что это значение равно входному напряжению постоянного тока, то n-ступенчатый умножитель (в идеале) выдаст nVin. Основной причиной потерь в перекрестно-связанной схеме является паразитная емкость, а не пороговое напряжение переключения. Потери возникают из-за того, что часть энергии расходуется на зарядку паразитных емкостей в каждом цикле.

Приложения

В высоковольтных источниках питания для электронно-лучевых трубок (ЭЛТ) в телевизорах часто используются умножители напряжения, где сглаживающий конденсатор последней ступени формируется внутренним и внешним аквадагным покрытием непосредственно на ЭЛТ. ЭЛТ ранее были распространенным компонентом телевизоров. Умножители напряжения до сих пор применяются в современных телевизорах, копировальных аппаратах и уничтожителях насекомых. Мультипликаторы высокого напряжения используются в оборудовании для распыления краски, особенно часто встречающемся на предприятиях автомобильной промышленности. В сопле краскораспылителя используется умножитель напряжения с выходным напряжением около 100 кВ для электрической зарядки распыленных частиц краски, которые затем притягиваются к металлическим поверхностям с противоположным зарядом, подлежащим окраске. Это позволяет снизить расход краски и обеспечить равномерное нанесение покрытия. Распространенным типом умножителя напряжения, используемым в физике высоких энергий, является генератор Кокрофта — Уолтона (разработанный Джоном Дугласом Кокрофтом и Эрнестом Томасом Синтоном Уолтоном для ускорителя частиц, использованного в исследованиях, за которые они получили Нобелевскую премию по физике в 1951 году).