Spannungsvervielfacher ist eine elektrische Schaltung, die elektrischen Wechselstrom wandelt von einer niedrigeren Spannung auf eine höhere Gleichspannung, die typischerweise mit einem Netzwerk von Kondensatoren und Dioden.
Spannungsvervielfacher können für Zwecke wie die der Hochenergiephysik-Experimente und Blitzsicherheitstests verwendet werden, um ein paar Volt für elektronische Geräte erzeugen, um Millionen von Volt. Die häufigste Art der Spannungsvervielfacher ist die Halbwellen-Serie Multiplikator, auch genannt die Villard-Kaskade.
Betrieb
Vorausgesetzt, dass die Spitzenspannung der Wechselstromquelle + Us, und daß die C-Werte ausreichend hoch sind, damit, wenn sie eingefüllt, daß ein Strom fließt, ohne signifikante Änderung der Spannung, so wird wie folgt vorgeArbeits der Kaskade:
- negative Spitze: Der C1 Kondensator durch die Diode D1 zu Uns V geladen
- positive Spitze: das Potential C1 addiert mit der von der Quelle, wodurch Lade C2 2us durch D2
- negative Spitze: Potential von C1 auf 0 V gesunken wodurch C3 durch D3 bis 2us kostenfrei.
- positiven Spitze: Potential von C1 steigt auf 2us, auch Lade C4 bis 2us. Die Ausgangsspannung erhöht, bis 4U.
In der Realität sind C4 mehr Zyklen erforderlich, um die volle Spannung zu erreichen. Jede zusätzliche Stufe aus zwei Dioden und zwei Kondensatoren erhöht die Ausgangsspannung das Doppelte der Spitzennetzspannung.
Spannungsverdoppler und Verdreifacher
Ein Spannungsdoppler verwendet zwei Stufen auf etwa die doppelte Gleichspannung, die von einem einstufigen Gleichrichter erhalten worden wäre. Ein Beispiel einer Spannungsdoppler ist in der Eingangsstufe des Schaltnetzteilen, die ein SPDT-Schalter festgestellt, daß entweder 120 Volt oder 240 Volt-Stromversorgung auswählen. In der 120-Volt-Position der Eingang wird typischerweise als ein Vollwellen-Spannungsdoppler durch Öffnen eines AC-Anschlusspunkt einer Brücke rectfier und Verbinden des Eingangs mit dem Verbindungspunkt von zwei in Reihe geschalteten Filterkondensatoren konfiguriert. Für 240 Volt-Betrieb der Schalter wird das System als ein Vollwellen-Brücken, erneut den Kondensator-Mittenabgriff Draht in die offene Wechselstromanschluß eines Brücken rectfier Systems. Dies ermöglicht 120 oder 240 Volt-Betrieb mit der Hinzufügung eines einfachen SPDT-Schalter.
A Spannungsverdreifacher ist ein dreistufiges Spannungsvervielfacher. A Verdreifacher ist eine beliebte Art der Spannungsvervielfacher. Die Ausgangsspannung eines Verdreifacher ist in der Praxis unter dem Dreifachen der Eingangsspitzenspannung aufgrund ihrer hohen Impedanz, teilweise durch die Tatsache verursacht, dass, da jeder Kondensator in der Kette liefert Energie an den nächsten, sie teilweise Entladungen verlieren Spannung tun.
-verdreifacher Wurden üblicherweise in Farbfernsehempfängern verwendet werden, um die Hochspannung für die Kathodenstrahlröhre bereitzustellen. Viele der 1970er Jahre TV-Geräte verwendet werden, offene -verdreifacher und die einzelnen Dioden-Sticks ersetzt werden könnte, wenn sie gescheitert.
Tripler sind immer noch in Hochspannungsversorgungen, wie Kopierer, Laserdrucker, Bug-Besucher auf der Seite und Elektroschock-Waffen verwendet.
Die Spannung unterbrechen
Während die Multiplikator, um Tausende von Volt-Ausgang verwendet werden, müssen die einzelnen Komponenten nicht erforderlich, bewertet werden, um den gesamten Spannungsbereich zu widerstehen. Jede Komponente muß nur mit den relativen Spannungsdifferenzen direkt über eigene Anschlüsse und der Komponenten unmittelbar an sie betroffen ist.
Typischerweise ein Spannungsvervielfacher physikalisch wie eine Leiter angeordnet werden können, so daß die fortschreitend zunehmende Spannungspotential wird nicht die Möglichkeit, auf den viel niedrigeren Potential Abschnitte der Schaltung Bogen gegeben ist.
Beachten Sie, dass einige Sicherheitsmarge für die relativen Bereich der Spannungsunterschiede in den Multiplizierer erforderlich, so dass die Leiter der kurzgeschlossenen Ausfall wenigstens eine Diode oder einen Kondensator Komponente überleben. Andernfalls wird eine Ein-Punkt-Kurzschlussausfall konnte sukzessive Überspannung und zerstören jedes nächste Komponente im Multiplizierer, potenziell zerstören das gesamte Multiplikatorkette.
Andere Schaltungstopologien
Eine gerade Anzahl von Dioden-Kondensator-Zellen ist in jeder Spalte, so dass die Kaskaden endet an einem Glättungszelle verwendet. Wenn es seltsam und endete an einem Spann Zelle wäre die Brummspannung sehr groß sein. Größere Kondensatoren in der Verbindungssäule verringern auch Welligkeit aber zu Lasten der Ladezeit und eine erhöhte Diodenstrom.
Dickson Ladungspumpe
Die Dickson Ladungspumpe oder Dickson Multiplizierer ist eine Modifikation der Greinacher / Cockcroft-Walton-Multiplizierer. Im Gegensatz zu dieser Schaltung nimmt jedoch die Dickson Multiplizierer eine Gleichstromversorgung als seine Eingabe, so ist eine Form der Gleichspannungswandler. Auch im Gegensatz zu Greinacher / Cockcroft-Walton, die auf Hochspannungsanwendungen verwendet wird, wird der Dickson-Multiplikator für Niedervolt-Einsatz geeignet ist. Zusätzlich zum Gleichstromeingang, erfordert die Schaltung eine Zuführung von zwei Taktimpulsfolgen mit einer Amplitude schwingen zwischen den Gleichstromversorgungsschienen. Diese Impulsfolgen sind in Gegenphase.
Um die ideale Arbeitsweise der Schaltung, die Anzahl der Dioden D1, D2 usw. von links nach rechts und die Kondensatoren C1, C2 usw. Wenn die Uhr ist niedrig zu beschreiben, wird D1 bis Vin aufgeladen C1. Wenn hoch geht die obere Platte von C1 bis 2Vin geschoben. D1 wird dann abgeschaltet und D2 eingeschaltet und C2 beginnt um 2Vin aufzuladen. Auf dem nächsten Taktzyklus wieder niedrig und hoch geht Drücken der oberen Platte von C2 bis 3Vin jetzt. D2 und D3 schaltet schaltet, Lade C3 bis 3Vin und so weiter mit Lade vorbei bis die Kette, daher der Name Ladungspumpe. Die endgültige Diodenkondensatorzelle in der Kaskade ist und nicht auf Masse als eine Taktphase verbunden und somit ist kein Multiplizierer; es ist ein Spitzenwert-Detektor, der lediglich den Glättung.
Es gibt eine Reihe von Faktoren, die die Ausgabe von dem Idealfall eines nVIN reduzieren. Eines davon ist die Schwellenspannung VT der Schaltvorrichtung, das heißt, die Spannung, die erforderlich, um es einzuschalten. Der Ausgang wird von mindestens nUT aufgrund der Volt reduziert werden Abfälle an den Schaltern. Schottky-Dioden sind häufig in Dickson Multiplikatoren für ihre niedrige Durchlassspannung verwendet wird, neben anderen Gründen. Eine weitere Schwierigkeit ist, dass es die parasitären Kapazitäten an jedem Knoten zu erden. Diese parasitären Kapazitäten wirken als Spannungsteiler mit Speicherkondensatoren der Schaltung die Verringerung der Ausgangsspannung noch weiter. Bis zu einem Punkt, ist eine höhere Taktfrequenz von Vorteil: die Welligkeit reduziert wird und die Hochfrequenz macht die Restwelligkeit leichter zu filtrieren. Auch die Größe der Kondensatoren benötigt wird reduziert, da weniger Ladung muss pro Zyklus gespeichert werden. Verluste durch Streukapazität mit steigender Taktfrequenz und eine praktische Grenze ist aber um einige hundert Kilohertz.
Dickson Multiplikatoren sind häufig in integrierten Schaltungen, wo sie verwendet werden, um eine Niederspannungsbatterieversorgung auf die Spannung von der IC benötigt würden gefunden. Es ist vorteilhaft, die IC-Designer und Hersteller in der Lage, die gleiche Technik und die gleiche Basisgerät in der gesamten IC zu verwenden. Aus diesem Grund wird in den bekannten CMOS-Technologie ICs der Transistor, der Grundbaustein Schaltungen bildet, ist der MOSFET. Folglich werden die Dioden in der Dickson Multiplizierer oft mit MOSFETs verdrahtet, um als Dioden verhalten ersetzt.
Die Diode verdrahtet MOSFET Version der Dickson Multiplikator nicht sehr gut bei sehr niedrigen Spannungen wegen der großen Drain-Source-Volt-Tropfen der MOSFETs arbeiten. Häufig wird ein komplexerer Schaltkreis verwendet, um dieses Problem zu überwinden. Eine Lösung ist, die parallel zu der Schalt-MOSFET weiterer MOSFET in seinem linearen Bereich vorgespannt zu verbinden. Dieser zweite MOSFET eine niedrigere Drain-Source-Spannung als die Schalt-MOSFET würde mit sich selbst und folglich die Ausgangsspannung erhöht wird, haben. Das Gate des linear vorgespannten MOSFET ist mit dem Ausgang der nächsten Stufe verbunden, so daß es aus gedreht wird, während der nächsten Phase des Ladevorgangs von dem Kondensator der vorhergehenden Stufe ist. Das heißt, das linear vorgespannten Transistor ausgeschaltet zugleich als Schalttransistor eingeschaltet.
Ein idealer 4 stufigen Dickson Multiplizierer mit einem Eingang würde eine Leistung von haben. Allerdings könnte eine Diode verdrahtet MOSFET 4-Stufen-Multiplizierer nur einen Ausgang. Hinzufügen parallel MOSFETs im linearen Bereich verbessert diese um. Komplexere Schaltungen können weiterhin ein Ausgangs viel näher an den Idealfall zu erreichen.
Viele andere Variationen und Verbesserungen an dem grundlegenden Dickson Schaltung existieren. Der Versuch unternommen, um die Schaltschwellenspannung wie der Mandal-Sarpeshkar Multiplizierer oder Vervielfacher Wu reduzieren. Andere Schaltungen heben sich die Schwellenspannung: Die Umeda Multiplikator tut es mit einer externen Spannung und dem Multiplikator Nakamoto mit intern erzeugten Spannung. Das Bergeret Multiplikator konzentriert sich auf die Maximierung der Energieeffizienz.
Modifikation für HF-Leistung
In integrierten CMOS-Schaltungen Taktsignale, sind leicht erhältlich oder aber leicht erzeugt. Dies ist nicht immer in RF integrierten Schaltungen der Fall ist, sondern oft eine Quelle der RF-Energie zur Verfügung steht. Die Standard Dickson Multiplizierschaltung kann modifiziert werden, um diese Anforderung einfach durch Erden der normalen Eingabe und eine der Takteingänge entsprechen. HF-Leistung wird in den anderen Takteingang, der anschließend zum Schaltungseingangs injiziert. Das HF-Signal ist effektiv die Uhr sowie die Quelle der Macht. Da jedoch der Takt nur dann in jedem anderen Knoten injiziert die Schaltung erreicht nur eine Phase der Multiplikation für jedes zweite Dioden-Kondensator-Zelle. Die anderen Dioden-Kondensator-Zellen sind lediglich als Spitzendetektoren wirkende und Glättung der Welligkeit ohne die Multiplikation.
Kreuz gekoppelten Schaltkondensator-
Spannungsvervielfacher kann aus einer Kaskade von Spannungsverdoppler des kreuzgekoppelten Art eines geschalteten Kondensators gebildet werden. Dieser Schaltungstyp wird typischerweise anstelle einer Dickson-Multiplizierer verwendet wird, wenn die Quellenspannung oder weniger. Dickson Multiplikatoren zunehmend schlechtere Leistungsumwandlungswirkungsgrad als die Eingangsspannung, da der Spannungsabfall über der Diode verdrahtet Transistoren wird wesentlich signifikant im Vergleich zu der Ausgangsspannung. Da die Transistoren in der kreuzgekoppelten Schaltung sind nicht als Diode verdrahtet das Voltabfall Problem ist nicht so schwerwiegend.
Die Schaltung arbeitet durch abwechselndes Umschalten der Ausgang jeder Stufe zwischen einem Spannungsverdopplungs angetrieben und eine durch angetrieben. Dieses Verhalten führt zu einem weiteren Vorteil gegenüber dem Dickson Multiplikator; reduziert Brummspannung mit der doppelten Frequenz. Der Anstieg der Welligkeitsfrequenz ist vorteilhaft, weil es einfacher ist, durch Filtern zu entfernen. Jede Stufe stellt sich die Ausgangsspannung von der Spitzentaktspannung. Unter der Annahme, dass dies der gleichen Ebene wie der Eingangsgleichspannung dann einer Stufe n Multiplikator Ausgangs nVIN. Die Hauptursache der Verluste in der kreuzgekoppelten Schaltung parasitäre Kapazität anstatt Schaltschwellenspannung. Die Verluste auftreten, da ein Teil der Energie muss in Aufladen der parasitären Kapazitäten bei jedem Zyklus zu gehen.
Anwendungen
Die Hochspannungsversorgung für Kathodenstrahlröhren verwenden oft Spannungsvervielfacher mit der letzten Stufe Glättungskondensator durch die inneren und äußeren Aquadag Beschichtungen auf der CRT selbst gebildet ist.
Eine verbreitete Art der Spannungsvervielfacher in der Hochenergiephysik verwendet, ist der Cockcroft-Walton-Generator.
Kommentare - 0