Spannungsvervielfacherschaltungen erklärt

Die elektronische Schaltungsvorrichtung, die zum Erhöhen der Spannung auf eine zweifache Ordnung durch Laden von Kondensatoren von einer niedrigeren Eingangsspannung verwendet wird, ist als Spannungsverdoppler bekannt.

Der Ladestrom wird so geschaltet, dass in jeder idealen Situation die am Ausgang erzeugte Spannung genau das Zweifache der Spannung am Eingang beträgt.

Einfachster Spannungsvervielfacher mit Dioden

Die einfachste Form der Spannungsverdopplerschaltung sind Gleichrichtertypen, die den Eingang in Form einer Wechselspannung (AC) annehmen und eine doppelte Größe der (DC) Spannung als Ausgang erzeugen.

Einfache Dioden werden als Schaltelemente verwendet und ein Eingang in Form einer bloßen Wechselspannung wird verwendet, um diese Dioden in einem Schaltzustand zu betreiben.

Eine zusätzliche Ansteuerschaltung ist erforderlich, um die Schaltrate zu steuern, falls Spannungsverdoppler vom Typ DC zu DC sind, da sie nicht auf die obige Weise geschaltet werden können.

Die DC / DC-Spannungswandlerschaltungen erfordern meistens eine andere zusätzliche Vorrichtung, die als Schaltelement bezeichnet wird und einfach und direkt gesteuert werden kann, wie beispielsweise in einem Transistor.

Wenn ein Schaltelement verwendet wird, muss es daher nicht von der am Schalter anliegenden Spannung abhängen, wie dies bei einer einfachen Form von Wechselstrom zu Gleichstrom der Fall ist.

Der Spannungsverdoppler ist eine Art der Spannungsvervielfacherschaltung. Die meisten Spannungsverdopplerschaltungen mit wenigen Ausnahmen können in Form eines Multiplikators höherer Ordnung in einer einzigen Stufe betrachtet werden. Eine größere Menge an Spannungsvervielfachung wird auch erreicht, wenn kaskadierende identische Stufen vorhanden sind, die zusammen verwendet werden.

Villard Circuit

Die Villard-Schaltung hat eine einfache Zusammensetzung, die aus einer Diode und einem Kondensator besteht. Einerseits, wo die Villard-Schaltung Vorteile in Bezug auf die Einfachheit bietet, ist andererseits auch bekannt, eine Ausgabe zu erzeugen, die Welligkeitseigenschaften aufweist, die als sehr schlecht angesehen werden.

Abbildung 1.Villard-Schaltung

Im Wesentlichen ist die Villard-Schaltung eine Form einer Diodenklemmschaltung. Die negativen hohen Zyklen werden verwendet, um den Kondensator auf die AC-Spitzenspannung (Vpk) aufzuladen. Die Wechselstromwellenform als Eingang bildet zusammen mit der stetigen Gleichstromüberlagerung des Kondensators den Ausgang.

Der Gleichstromwert der Wellenform wird unter Verwendung der Wirkung der Schaltung auf sie verschoben. Da die Diode die negativen Spitzen der Wechselstromwellenform auf den Wert 0 V klemmt (tatsächlich ist es –VF, was die kleine Vorwärtsvorspannung der Diode ist), haben die positiven Spitzen der Ausgangswellenform den Wert 2 Vpk.

Die Spitze-Spitze ist schwer zu glätten, da sie eine enorme Größe des Wertes von 2 Vpk hat und daher nur geglättet werden kann, wenn die Schaltung auf effektive Weise in andere komplexere Formen umgewandelt wird.

Die negative Hochspannung wird dem Magnetron unter Verwendung dieser Schaltung (die aus einer Diode in umgekehrter Form besteht) in einem Mikrowellenofen zugeführt.

Greinacher Schaltung

Der Greinarcher-Spannungsverdoppler hat sich als besser als die Villard-Schaltung erwiesen, indem er sich durch Hinzufügen einiger zusätzlicher Komponenten zu geringen Kosten erheblich verbessert hat.

Unter der Bedingung einer Leerlauflast wird festgestellt, dass die Welligkeit meistens stark auf einen Zustand von Null reduziert ist, aber der Widerstand der Last und der Wert des verwendeten Kondensators spielen eine wichtige Rolle und beeinflussen die Strom wird gezogen.

Abbildung 2. Greinacher-Schaltung

Auf die Villard-Zellenstufe folgt die Schaltung, um unter Verwendung einer Hüllkurvendetektorstufe oder eines Spitzendetektors zu arbeiten.

Der Effekt des Spitzendetektors ist derart, dass ein Großteil der Welligkeit entfernt wird, während der Ausgang der Spitzenspannung als solcher erhalten bleibt.

Heinrich Greinacher war der erste, der diese Schaltung 1913 erfand (die 1914 veröffentlicht wurde), um die Spannung von 200-300 V bereitzustellen, die er für sein Ionometer benötigte, was wiederum eine neue Erfindung von ihm war.

Das Erfordernis, diese Schaltung zu erfinden, um so viel Spannung zu erhalten, entstand, weil die von den Zürcher Kraftwerken gelieferte Leistung nur 110 V Wechselstrom betrug und daher unzureichend war.

Heinrich entwickelte diese Idee 1920 weiter und erweiterte sie zu einer Kaskade von Multiplikatoren. In den meisten Fällen wird diese von Heinrich Greinacher erfundene Multiplikatorkaskade als Villard-Kaskade bezeichnet, die ungenau und nicht wahr ist.

Diese Kaskade von Multiplikatoren ist auch als Cockroft-Walton bekannt, nachdem die Wissenschaftler John Cockroft und Ernest Walton die Teilchenbeschleunigermaschine gebaut und die Schaltung 1932 unabhängig voneinander wiederentdeckt hatten.

Die Verwendung von zwei Greinacher-Zellen, deren Polaritäten einander entgegengesetzt sind, aber von derselben Wechselstromquelle angesteuert werden, kann das Konzept dieser Art von Topologie auf eine Spannungsquadruplerschaltung erweitern.

Die zwei einzelnen Ausgänge werden verwendet, um den Ausgang über sie hinweg zu reduzieren. Die gleichzeitige Erdung von Ein- und Ausgang in dieser Schaltung ist wie bei einer Brückenschaltung nicht möglich.

Brückenschaltung

Die Art der Topologie, die von einer Delon-Schaltung verwendet wird, um eine Spannungsverdopplung zu erzielen, ist als Brückentopologie bekannt.

Es wurde festgestellt, dass eine der häufigsten Anwendungen dieser Art von Delon-Schaltung in Fernsehgeräten mit Kathodenstrahlröhre liegt. Die Delon-Schaltung in diesen Fernsehgeräten wurde verwendet, um die e.h.t. Spannungsversorgung.

Abbildung 3. Spannungsquadrupler - zwei Greinacher-Zellen mit entgegengesetzter Polarität

Es gibt viele Sicherheitsrisiken und -probleme, die mit der Erzeugung von Spannungen von mehr als 5 kV verbunden sind, und es ist sehr unwirtschaftlich in einem Transformator, hauptsächlich in Geräten, die Haushaltsgeräte sind.

Aber ein e.h.t. von 10 kV ist eine Grundvoraussetzung für Schwarzweißfernsehgeräte, während für Farbfernsehgeräte noch mehr e.h.t.

Es gibt verschiedene Mittel und Wege, mit denen die e.h.t. von solchen Abmessungen werden erreicht, wie zum Beispiel: Verdoppeln der Spannung am Netztransformator innerhalb einer e.h.t-Wicklung darauf durch Verwendung von Spannungsverdopplern oder durch Anlegen der Spannungsverdoppler an die Wellenform auf den Leitungsrücklaufspulen.

Die zwei Spitzendetektoren, die aus einer Halbwelle innerhalb einer Schaltung bestehen, sind funktionell den Spitzendetektorzellen ähnlich, die in der Greinacher-Schaltung zu finden sind.

Die Halbzyklen, die der eingehenden Wellenform entgegengesetzt sind, werden zum Betrieb durch jede der beiden Spitzendetektorzellen verwendet. Der Ausgang ist immer doppelt so hoch wie die maximale Eingangsspannung, da die von ihnen erzeugten Ausgänge in Reihe geschaltet sind.

Abbildung 4. Spannungsverdoppler der Brücke (Delon)

Geschaltete Kondensatorschaltungen

Die Spannung einer Gleichstromquelle kann unter Verwendung der Dioden-Kondensator-Schaltungen verdoppelt werden, die einfach genug sind und im obigen Abschnitt beschrieben wurden, indem dem Spannungsverdoppler die Verwendung einer Zerhackerschaltung vorangestellt wird.

Dies ist also effektiv bei der Umwandlung des Gleichstroms in Wechselstrom, bevor er den Spannungsverdoppler durchläuft. Um effizientere Schaltungen zu erreichen und aufzubauen, werden die Schaltgeräte von einer externen Uhr angesteuert, die sowohl in Bezug auf das Zerhacken als auch in Bezug auf das Multiplizieren kompetent ist und gleichzeitig erreicht werden kann.

Abbildung 5.

Spannungsverdoppler mit geschalteten Kondensatoren, der durch einfaches Umschalten geladener Kondensatoren von parallel auf in Reihe geschaltet wird. Diese Arten von Schaltungen werden als geschaltete Kondensatorschaltungen bezeichnet.

Die Anwendungen, die mit Niederspannung betrieben werden, sind die Anwendungen, die diesen Ansatz besonders verwenden, da integrierte Schaltkreise eine Versorgung mit einer bestimmten Spannungsmenge erfordern, die über dem liegt, was die Batterie tatsächlich liefern oder produzieren kann.

In den meisten Fällen ist immer ein Taktsignal an Bord der integrierten Schaltung verfügbar, und daher ist es nicht erforderlich, eine andere zusätzliche Schaltung zu haben, oder es wird nur wenig Schaltung benötigt, um es zu erzeugen.

Somit zeigt das Diagramm in 5 schematisch die einfachste Form der Konfiguration eines geschalteten Kondensators. In diesem Diagramm gibt es zwei Kondensatoren, die gleichzeitig parallel auf die gleiche Spannung geladen wurden.

Nach diesem Abschalten werden die Kondensatoren nach dem Abschalten der Versorgung in Reihe geschaltet. Somit ist die erzeugte Ausgangsspannung doppelt so groß wie die Versorgungs- oder Eingangsspannung, falls der Ausgang von den beiden in Reihe geschalteten Kondensatoren abgeleitet wird.

Es gibt verschiedene Arten von Schaltgeräten, die in solchen Schaltungen verwendet werden können, aber MOSFET-Geräte sind die am häufigsten verwendeten Schaltgeräte bei integrierten Schaltkreisen.

Abbildung 6. Schema der Ladungspumpenspannungsverdoppler

Das Diagramm in Abbildung 6 zeigt schematisch eines der anderen Grundkonzepte der „Ladepumpe“. Die Eingangsspannung wird verwendet, um zuerst den Cp, den Ladungspumpenkondensator, aufzuladen.

Danach wird der Ausgangskondensator C0 durch Schalten in Reihe mit der Eingangsspannung aufgeladen, was dazu führt, dass der C0 doppelt so groß wie die Eingangsspannung geladen wird. Um C0 erfolgreich vollständig zu laden, muss die Ladepumpe möglicherweise viele Zyklen dauern.

Sobald jedoch ein stationärer Zustand erreicht ist, besteht das einzige wesentliche Element für den Ladungspumpenkondensator Cp darin, Ladung in kleinen Mengen zu pumpen, was der Ladung entspricht, die vom Ausgangskondensator C0 an die Last geliefert wird.

Eine Welligkeit wird an der Ausgangsspannung gebildet, wenn C0 teilweise in die Last entladen wird, während es von der Ladungspumpe getrennt wird. Diese bei diesem Prozess gebildete Welligkeit hat die Eigenschaft einer kürzeren Entladungszeit und ist leicht zu filtern, und daher machen diese Eigenschaften sie für Frequenzen für höhere Taktfrequenzen kleiner.

Somit können für jede gegebene spezifische Welligkeit die Kondensatoren kleiner gemacht werden. Die maximale Taktfrequenz für alle praktischen Zwecke in den integrierten Schaltkreisen liegt typischerweise im Bereich von Hunderten von kHz.

Dickson Ladungspumpe

Die Dickson-Ladungspumpe, auch als Dickson-Multiplikator bekannt, besteht aus einer Kaskade von Dioden- / Kondensatorzellen, wobei eine Taktimpulsfolge die Bodenplatte jedes Kondensators antreibt.

Die Schaltung wird als Modifikation des Cockcroft-Walton-Multiplikators angesehen, mit der einzigen Ausnahme, dass das Schaltsignal vom Gleichstromeingang mit Taktfolgen anstelle eines Wechselstromeingangs bereitgestellt wird, wie dies beim Cockcroft-Walton-Multiplikator der Fall ist.

Die Grundvoraussetzung eines Dickson-Multiplikators besteht darin, dass die Taktimpulse von einander gegenüberliegenden Phasen die alternativen Zellen ansteuern sollen. Im Fall eines in Fig. 7 dargestellten Spannungsverdopplers ist jedoch nur ein einziges Taktsignal erforderlich, da es nur eine Multiplikationsstufe gibt.

Abbildung 7. Spannungsverdoppler der Dickson-Ladungspumpe

Die Schaltungen, in denen Dickson-Multiplikatoren meistens und häufig verwendet werden, sind integrierte Schaltungen, in denen die Versorgungsspannung, beispielsweise von einer Batterie, geringer ist als von der Schaltung gefordert.

Die Tatsache, dass alle hier verwendeten Halbleiter grundsätzlich ähnlich sind, ist für die Hersteller der integrierten Schaltung von Vorteil.

Der Standardlogikblock, der am häufigsten in zahlreichen integrierten Schaltkreisen gefunden und verwendet wird, sind die MOSFET-Bauelemente.

Dies ist einer der Gründe, warum die Dioden oftmals durch den Transistor dieses Typs ersetzt werden, aber auch mit einer Funktion in Form einer Diode verdrahtet sind.

Diese Anordnung ist auch als diodenverdrahteter MOSFET bekannt. Das Diagramm in Fig. 8 zeigt einen Dickson-Spannungsverdoppler, der diese Art von diodenverdrahteten MOSFET-Bauelementen vom n-Kanal-Verstärkungstyp verwendet.

Abbildung 8. Dickson-Spannungsverdoppler mit diodenverdrahteten MOSFETs

Die Grundform der Dickson-Ladungspumpe hat viele Verbesserungen und Variationen erfahren. Die meisten dieser Verbesserungen betreffen die Verringerung des durch die Transistor-Drain-Source-Spannung erzeugten Effekts. Diese Verbesserung wird als signifikant angesehen, wenn die Eingangsspannung klein ist, wie im Fall einer Niederspannungsbatterie.

Die Ausgangsspannung ist immer ein ganzzahliges Vielfaches der Eingangsspannung (zweimal bei einem Spannungsverdoppler), wenn ideale Schaltelemente verwendet werden.

Wenn jedoch eine Einzelzellenbatterie zusammen mit MOSFET-Schaltern als Eingangsquelle verwendet wird, ist der Ausgang in solchen Fällen weitaus geringer als dieser Wert, da die Spannung an den Transistoren abfällt.

Aufgrund des extrem geringen Spannungsabfalls im eingeschalteten Zustand einer Schaltung, die diskrete Komponenten verwendet, wird die Schottky-Diode als Schaltelement als gute Wahl angesehen.

Die Entwickler integrierter Schaltungen bevorzugen jedoch meistens die Verwendung von MOSFETs, da diese leichter verfügbar sind und das Vorhandensein von Unzulänglichkeiten und hoher Komplexität in der in MOSFET-Bauelementen vorhandenen Schaltung mehr als ausgleichen.

Um dies zu veranschaulichen, nehmen wir ein Beispiel: In einer Alkalibatterie liegt eine Nennspannung von 1,5 V an.

Der Ausgang kann auf 3,0 V verdoppelt werden, indem ein Spannungsverdoppler zusammen mit idealen Schaltelementen verwendet wird, die einen Spannungsabfall von Null aufweisen.

Der Spannungsabfall der Drain-Source des diodenverdrahteten MOSFET im eingeschalteten Zustand muss jedoch mindestens gleich der Gate-Schwellenspannung sein, die typischerweise 0,9 V beträgt.

Die Ausgangsspannung kann vom Spannungsverdoppler erfolgreich nur um ca. 0,6V auf 2,1V erhöht werden.

Die Erhöhung der Spannung durch die Schaltung kann nicht ohne Verwendung mehrerer Stufen erreicht werden, wenn der Abfall über den endgültigen Glättungstransistor ebenfalls berücksichtigt und berücksichtigt wird.

Andererseits beträgt die Bühnenspannung einer typischen Schottky-Diode 0,3 V. Die von einem Spannungsverdoppler erzeugte Ausgangsspannung liegt im Bereich von 2,7 V, wenn eine Schottky-Diode verwendet wird, oder 2,4 V, wenn eine Glättungsdiode verwendet wird.

Kreuzgekoppelte Schaltkondensatoren

Die kreuzgekoppelten Schaltkondensatorschaltungen sind dafür bekannt, dass die Eingangsspannung sehr niedrig ist. In Geräten, die von drahtlosen Batterien wie Pagern und Bluetooth-Geräten angetrieben werden, kann eine einzellige Batterie erforderlich sein, um die Stromversorgung kontinuierlich zu gewährleisten, wenn sie unter Volt entladen ist.

Abbildung 9. Kreuzgekoppelter Spannungsverdoppler mit geschaltetem Kondensator

Der Transistor Q2 wird ausgeschaltet, falls der Takt niedrig ist. Gleichzeitig wird der Transistor Q1 eingeschaltet, wenn der Takt hoch ist, und dies führt zum Laden des Kondensators C1 auf die Spannung Vn. Die obere Platte von C1 wird auf doppeltes Vin hochgeschoben, falls der Ø1 hoch geht.

Damit diese Spannung als Ausgang erscheint, schließt gleichzeitig der Schalter S1. Gleichzeitig kann C2 durch Einschalten des Q2 aufgeladen werden.

Die Rollen der Komponenten werden im nächsten Halbzyklus vertauscht: Ø1 ist niedrig, S1 wird geöffnet, Ø2 wird hoch und S2 wird geschlossen.

Somit wird alternativ von jeder Seite der Schaltung die Ausgangsspannung mit 2 Vin versorgt. Der in dieser Schaltung auftretende Verlust ist gering, da es an diodenverdrahteten MOSFETs und den damit verbundenen Schwellenspannungsproblemen mangelt.

Einer der anderen Vorteile der Schaltung besteht darin, dass sie die Welligkeitsfrequenz verdoppelt, da zwei Spannungsverdoppler vorhanden sind, die den Ausgang effektiv von den Phasentakten versorgen.

Der grundlegende Nachteil dieser Schaltung besteht darin, dass die Streukapazitäten des Dickinson-Multiplikators als viel weniger signifikant als diese Schaltung befunden werden und somit den größten Teil der Verluste ausmachen, die in dieser Schaltung auftreten.

Höflichkeit: https://en.wikipedia.org/wiki/Voltage_doubler