Введение
Электронная схема, заряжающая конденсаторы. Удвоитель напряжения — это электронная схема, которая заряжает конденсаторы от входного напряжения и переключает эти заряды таким образом, что в идеальном случае на выходе получается напряжение, вдвое превышающее входное. Самая простая из этих схем представляет собой разновидность выпрямителя, который принимает переменное напряжение на входе и выдает удвоенное постоянное напряжение. Переключающими элементами являются простые диоды, которые переключаются только под воздействием переменного напряжения входного сигнала. Удвоители напряжения постоянного тока не могут переключаться таким образом и требуют управляющей схемы для управления переключением. Им часто также требуется переключающий элемент, которым можно управлять напрямую, например, транзистор, а не полагаться на напряжение на переключателе, как в простой схеме преобразования переменного тока в постоянный. Удвоители напряжения являются разновидностью схем умножения напряжения. Многие, но не все, схемы удвоения напряжения можно рассматривать как одну ступень умножителя более высокого порядка: последовательное соединение идентичных ступеней позволяет достичь большего умножения напряжения.
A voltage doubler is an electronic circuit which charges capacitors from the input voltage and switches these charges in such a way that, in the ideal case, exactly twice the voltage is produced at the output as at its input. The simplest of these circuits is a form of rectifier which take an AC voltage as input and outputs a doubled DC voltage. The switching elements are simple diodes and they are driven to switch state merely by the alternating voltage of the input. DC to DC voltage doublers cannot switch in this way and require a driving circuit to control the switching. They frequently also require a switching element that can be controlled directly, such as a transistor, rather than relying on the voltage across the switch as in the simple AC to DC case. Voltage doublers are a variety of voltage multiplier circuits. Many, but not all, voltage doubler circuits can be viewed as a single stage of a higher order multiplier: cascading identical stages together achieves a greater voltage multiplication.
Вильярдская цепь
Схема Вилларда, разработанная Полом Ульрихом Виллардом, состоит лишь из конденсатора и диода. Несмотря на значительное преимущество в простоте, её выходные характеристики по пульсациям очень плохи. По сути, эта схема является схемой диодного ограничения. Конденсатор заряжается в отрицательные полупериоды до пикового напряжения переменного тока (Vpk). Выходное напряжение представляет собой суперпозицию входной формы переменного тока и постоянного напряжения конденсатора. Эффект схемы заключается в сдвиге уровня постоянной составляющей сигнала. Отрицательные пики переменного напряжения "ограничиваются" до 0 В (фактически до −VF, небольшого прямого напряжения на диоде), поэтому положительные пики выходного сигнала достигают 2Vpk. Пиковое значение пульсаций составляет огромные 2Vpk и не может быть уменьшено, если схему не модифицировать, превратив её в более сложную конструкцию. Эта схема (с диодом, включенным в обратном направлении) используется для питания отрицательным высоким напряжением магнетрона в микроволновой печи.
Схема Гринашера
Удвоитель напряжения Greinacher является значительным улучшением схемы Вильяра при небольших затратах на дополнительные компоненты. Пульсации значительно снижены, номинально равны нулю в режиме холостого хода, но при отборе тока зависят от сопротивления нагрузки и емкости используемых конденсаторов. Схема работает, следуя за каскадом Вильяра каскадом, который по сути является пиковым или огибающим детектором. Пиковый детектор позволяет уменьшить большинство пульсаций, сохраняя при этом пиковое напряжение на выходе. Схема Грейнахера также известна как удвоитель напряжения на полуволне. Эта схема была впервые изобретена Генрихом Гринахером в 1913 году (опубликована в 1914 году) для обеспечения напряжения 200–300 В, необходимого для его недавно изобретенного ионометра, поскольку 110 В переменного тока, поставляемого цюрихскими электростанциями того времени, было недостаточно. Позже в 1920 году он расширил эту идею до каскада умножителей. Этот каскад ячеек Гринахера часто ошибочно называют каскадом Вильяра. Он также известен как умножитель Кокрофта — Уолтона, названный в честь ускорителя частиц, построенного Джоном Кокрофтом и Эрнестом Уолтоном, которые независимо открыли эту схему в 1932 году. Концепция в этой топологии может быть расширена до схемы умножения напряжения вчетверо путем использования двух ячеек Гринахера с противоположной полярностью, питаемых от одного источника переменного тока. Выход снимается с двух отдельных выходов. Как и в мостовой схеме, невозможно одновременно заземлить вход и выход этой схемы.
Делонская схема
В схеме Делона используется мостовая топология для удвоения напряжения, поэтому она также называется удвоителем полного цикла напряжения. Схема состоит из двух импульсных пиковых детекторов, работающих точно так же, как пиковая детекторная ячейка в схеме Грейнахера. Каждая из двух пиковых детекторных ячеек работает на противоположных полуволнах входного сигнала. Поскольку их выходы включены последовательно, выходное напряжение в два раза больше пикового входного напряжения.
Конденсаторные схемы с коммутацией
Можно использовать простые схемы диодного конденсатора, описанные выше, для удвоения напряжения источника постоянного тока, предварительно включив перед удвоителем напряжения схему преобразователя постоянного тока в переменный (чоппера). По сути, это преобразует постоянный ток в переменный перед подачей на удвоитель напряжения. Более эффективные схемы можно создать, управляя коммутирующими устройствами от внешнего генератора тактовых импульсов, чтобы обе функции – преобразование и умножение – выполнялись одновременно. Такие схемы известны как схемы с переключающимися конденсаторами. Этот подход особенно полезен в приложениях с питанием от батарей низкого напряжения, где интегральным схемам требуется напряжение питания, превышающее напряжение, которое может обеспечить батарея. Часто тактовый сигнал легко доступен на плате интегральной схемы, и для его генерации требуется немного или совсем не требуется дополнительной схемы. Концептуально, возможно, самая простая конфигурация с переключающимися конденсаторами показана схематически на рисунке 5. Здесь два конденсатора одновременно заряжаются до одного и того же напряжения параллельно. Затем питание отключается, и конденсаторы переключаются последовательно. Выход снимается с двух последовательно соединенных конденсаторов, что приводит к выходному напряжению, вдвое превышающему напряжение питания. В такой схеме можно использовать множество различных коммутирующих устройств, но в интегральных схемах часто используются MOSFET-транзисторы. Другая основная концепция – это зарядный насос, схема которого показана на рисунке 6. Конденсатор зарядного насоса CP сначала заряжается до входного напряжения. Затем он переключается для зарядки выходного конденсатора CO последовательно с входным напряжением, в результате чего CO в конечном итоге заряжается до двойного входного напряжения. Может потребоваться несколько циклов, прежде чем зарядный насос полностью зарядит CO, но после установления устойчивого состояния CP необходимо лишь накачивать небольшое количество заряда, эквивалентное тому, которое потребляется нагрузкой от CO. Пока CO отключен от зарядного насоса, он частично разряжается в нагрузку, что приводит к пульсациям выходного напряжения. Эти пульсации меньше при более высоких тактовых частотах, поскольку время разряда короче, и их также легче отфильтровать. Кроме того, можно уменьшить емкость конденсаторов для заданных характеристик пульсаций. Практическая максимальная тактовая частота в интегральных схемах обычно составляет сотни килогерц.
Насос для зарядки Диксона
Насос заряда Диксона, или умножитель Диксона, состоит из каскада диодно-конденсаторных ячеек, при этом нижняя обкладка каждого конденсатора управляется последовательностью тактовых импульсов. Схема является модификацией умножителя Кокрофта-Уолтона, но принимает вход постоянного тока, а тактовые импульсы обеспечивают переключающий сигнал вместо входного переменного тока. Умножитель Диксона обычно требует, чтобы соседние ячейки управлялись тактовыми импульсами противоположной фазы. Однако, поскольку удвоитель напряжения, показанный на рисунке 7, требует только одной ступени умножения, необходим только один тактовый сигнал. Умножитель Диксона часто используется в интегральных схемах, где напряжение питания (например, от батареи) ниже, чем требуется схеме. При производстве интегральных схем выгодно, чтобы все полупроводниковые компоненты были в основном одного типа. MOSFET обычно являются стандартным логическим блоком во многих интегральных схемах. По этой причине диоды часто заменяются этим типом транзистора, но подключенными для работы в качестве диода – конфигурация, называемая диодно-включенным MOSFET. На рисунке 8 показан удвоитель напряжения Диксона с использованием диодно-включенных n-канальных MOSFET с обогащением. Существует множество вариаций и улучшений базового насоса заряда Диксона. Многие из них направлены на уменьшение влияния напряжения сток-исток транзистора. Это может быть особенно важно, если входное напряжение невелико, например, при использовании батареи с низким напряжением. При использовании идеальных переключающих элементов выходное напряжение является целым кратным входному (два для удвоителя), но при использовании одноэлементной батареи в качестве источника питания и MOSFET в качестве переключателей выходное напряжение будет значительно меньше этого значения, поскольку большая часть напряжения будет падать на транзисторах. Для схемы, использующей дискретные компоненты, диод Шоттки был бы лучшим выбором переключающего элемента из-за его чрезвычайно низкого падения напряжения в прямом направлении. Однако разработчики интегральных схем предпочитают использовать легкодоступные MOSFET и компенсировать их недостатки за счет увеличения сложности схемы. Например, элемент щелочной батареи имеет номинальное напряжение 1,5 В. Удвоитель напряжения, использующий идеальные переключающие элементы с нулевым падением напряжения, выдаст вдвое большее значение, то есть 3,0 В. Однако падение напряжения сток-исток диодно-включенного MOSFET в состоянии включения должно быть не менее порогового напряжения затвора, которое обычно составляет около 0,9 В. Этот "удвоитель" напряжения сможет увеличить выходное напряжение лишь примерно на 0,6 В, до 2,1 В. Если также учесть падение напряжения на конечном сглаживающем транзисторе, схема может вообще не увеличить напряжение без использования нескольких ступеней. Типичный диод Шоттки, с другой стороны, может иметь прямое падение напряжения 0,3 В. Удвоитель, использующий этот диод Шоттки, выдаст напряжение 2,7 В, или 2,4 В на выходе после сглаживающего диода.
Конденсаторы переключательные с перекрестным соединением
Кружевно связанные схемы на коммутируемых конденсаторах наиболее эффективны при очень низких входных напряжениях. Беспроводное оборудование, работающее от батарей, такое как пейджеры, устройства Bluetooth и аналогичные, может требовать питания от одной батарейки даже после разряда ниже одного вольта. Когда тактовый сигнал низкий, транзистор Q2 выключен. Одновременно с этим, когда тактовый сигнал высокий, включается транзистор Q1, в результате чего конденсатор C1 заряжается до Vin. Когда тактовый сигнал переходит в высокое состояние, верхняя обкладка C1 поднимается до двойного значения Vin. В то же время замыкается переключатель S1, и это напряжение появляется на выходе. Одновременно с этим включается Q2, позволяя конденсатору C2 заряжаться. В следующем полуцикле роли меняются: тактовый сигнал становится низким, тактовый сигнал становится высоким, S1 размыкается, а S2 замыкается. Таким образом, выход питается от 2Vin поочередно с каждой стороны схемы. Потери в этой схеме невелики, поскольку отсутствуют диодно-проводящие MOSFET и связанные с ними проблемы с пороговым напряжением. Преимуществом схемы также является то, что частота пульсаций удваивается, поскольку фактически используются два удвоителя напряжения, питающие выход из тактовых сигналов, сдвинутых по фазе. Основным недостатком этой схемы является то, что паразитные емкости оказывают гораздо большее влияние, чем в умножителе Диксона, и составляют основную часть потерь в этой схеме.