Spanningsvermenigvuldigers (doublers, triplers, quadruplers en meer)

Een spanningsvermenigvuldiger is een gespecialiseerd gelijkrichtercircuit dat een uitvoer produceert die theoretisch een geheel getal is maal de AC-piekinvoer, bijvoorbeeld 2, 3 of 4 keer de AC-piekinvoer. Het is dus mogelijk om 200 VDC te krijgen van een 100 Vpiek AC-bron met een verdubbelaar, 400 VDC van een quadrupler. Elke belasting in een praktisch circuit zal deze spanningen verlagen.

We zullen eerst verschillende soorten spanningsvermenigvuldigers bespreken - spanningsverdubbelaar (halve en volledige golf), spanningsverdrievoudiger en spanningsviervoudiger - en dan enkele algemene opmerkingen maken over de veiligheid van spanningsvermenigvuldigers en eindigen met de Cockcroft-Walton-vermenigvuldiger.

Spanningsverdubbelaar

Een spanningsverdubbelingstoepassing is een gelijkstroomvoeding die een bron van 240 VAC of 120 VAC kan gebruiken. De voeding maakt gebruik van een switch-geselecteerde full-wave bridge om ongeveer 300 VDC te produceren uit een 240 VAC-bron. De 120 V-positie van de schakelaar herbedraden de brug als een verdubbelaar die ongeveer 300 VDC van de 120 VAC produceert. In beide gevallen wordt 300 VDC geproduceerd. Dit is de invoer naar een schakelende regelaar die lagere spanningen produceert om bijvoorbeeld een pc van stroom te voorzien.

Halfgolfspanningsverdubbelaar

De halfgolfspanningsverdubbelaar in het onderstaande figuur (a) bestaat uit twee circuits:een klem bij (b) en piekdetector (halfgolfgelijkrichter) in het vorige figuur, dat in gewijzigde vorm wordt weergegeven in het onderstaande figuur (c). C2 is toegevoegd aan een piekdetector (halfgolfgelijkrichter).

Halve golf spanningsverdubbelaar (a) bestaat uit (b) een klem en (c) een halve golf gelijkrichter.

Halve golf spanningsverdubbelaar Bedrijfscircuitanalyse

Verwijzend naar figuur (b) hierboven, laadt C2 op tot 5 V (4,3 V gezien de diodeval) op de negatieve halve cyclus van AC-invoer. Het rechter uiteinde wordt geaard door de geleidende D2. Het linker uiteinde wordt opgeladen bij de negatieve piek van de AC-ingang. Dit is de werking van de klem.

Tijdens de positieve halve cyclus komt de halfgolfgelijkrichter in het spel in figuur (c) hierboven. Diode D2 is uit het circuit omdat deze in tegengestelde richting is voorgespannen. C2 staat nu in serie met de spanningsbron. Let op de polariteiten van de generator en C2, seriehulp. Gelijkrichter D1 ziet dus in totaal 10 V op de piek van de sinusgolf, 5 V van generator en 5 V van C2. D1 geleidt golfvorm v(1) (figuur hieronder), waarbij C1 wordt opgeladen tot de piek van de sinusgolf die op 5 V DC rijdt (figuur hieronder v(2)). Golfvorm v(2) is de uitgang van de verdubbelaar, die zich stabiliseert op 10 V (8,6 V met diodedruppels) na enkele cycli van sinusgolfinvoer.

*SPICE 03255.eps C1 2 0 1000p D1 1 2 diode C2 4 1 1000p D2 0 1 diode V1 4 0 SIN(0 5 1k) .model diode d .tran 0.01m 5m .end 

Spanningsverdubbelaar:v(4) ingang. v(1) klemtrap. v(2) halfgolf gelijkrichtertrap, dat is de dubbele uitgang.

Volledige spanningsverdubbelaar

De full-wave spanningsverdubbelaar is samengesteld uit een paar in serie gestapelde halfgolfgelijkrichters. (Afbeelding hieronder) De bijbehorende netlijst staat in onderstaande afbeelding.

Full-wave spanningsverdubbelaar operatieanalyse

De onderste gelijkrichter laadt C1 op tijdens de negatieve halve ingangscyclus. De bovenste gelijkrichter laadt C2 op op de positieve halve cyclus. Elke condensator krijgt een lading van 5 V (4,3 V rekening houdend met diodeval). De output op knooppunt 5 is het serietotaal van C1 + C2 of 10 V (8,6 V met diodedruppels).

*SPICE 03273.eps *R1 3 0 100k *R2 5 3 100k D1 0 2 diode D2 2 5 diode C1 3 0 1000p C2 5 3 1000p V1 2 3 SIN(0 5 1k) .model diode d .tran 0,01 m 5m .end 

Volledige spanningsverdubbelaar bestaat uit twee halfgolfgelijkrichters die werken op wisselende polariteiten.

Merk op dat de output v(5) figuur hieronder de volledige waarde bereikt binnen één cyclus van de input v(2) excursie.

Volledige spanningsverdubbelaar:v(2) ingang, v(3) spanning in het midden, v(5) spanning aan de uitgang

Vollegolfverdubbelaars afleiden van halfgolfgelijkrichters

De onderstaande afbeelding illustreert de afleiding van de dubbelgolfverdubbelaar van een paar halfgolfgelijkrichters met tegengestelde polariteit (a). De negatieve gelijkrichter van het paar is voor de duidelijkheid opnieuw getekend (b). Beide zijn gecombineerd bij (c) die dezelfde grond delen. Bij (d) wordt de negatieve gelijkrichter opnieuw bedraad om één spanningsbron te delen met de positieve gelijkrichter. Dit levert een voeding van ± 5 V (4,3 V met diodeval) op; tussen de twee uitgangen is echter 10 V meetbaar. Het grondreferentiepunt wordt verplaatst zodat +10 V beschikbaar is ten opzichte van aarde.

Volledige verdubbelaar:(a) Paar verdubbelaars, (b) opnieuw getekend, (c) de grond delen, (d) dezelfde spanningsbron delen. (e) verplaats het grondpunt.

Spanningverdrievoudiger

Een spanningsverdrievoudiger (Figuur hieronder) is opgebouwd uit een combinatie van een verdubbelaar en een halfgolfgelijkrichter (C3, D3). De halfgolfgelijkrichter produceert 5 V (4,3 V) op knooppunt 3. De verdubbelaar levert nog eens 10 V (8,4 V) tussen knooppunt 2 en 3. voor een totaal van 15 V (12,9 V) aan uitgangsknooppunt 2 met betrekking tot grond. De netlijst staat in onderstaande afbeelding.

Spanningverdrievoudiger samengesteld uit verdubbelaar gestapeld bovenop een enkeltraps gelijkrichter.

Merk op dat V (3) in het onderstaande figuur stijgt tot 5 V (4,3 V) tijdens de eerste negatieve halve cyclus. Ingang v(4) is 5 V (4,3 V) naar boven verschoven vanwege 5 V van de halfgolfgelijkrichter. En 5 V meer bij v(1) door de klem (C2, D2). D1 laadt C1 (golfvorm v(2)) op tot de piekwaarde van v(1).

*SPICE 03283.eps C3 3 0 1000p D3 0 4 diode C1 2 3 1000p D1 1 2 diode C2 4 1 1000p D2 3 1 diode V1 4 3 SIN(0 5 1k) .model diode d .tran 0,01m 5m .eind 

Spanningverdrievoudiger:v(3) halfgolfgelijkrichter, v(4) ingang+ 5 V, v(1) klem, v(2) einduitgang.

Voltage Quadrupler

Een voltage quadrupler is een gestapelde combinatie van twee verdubbelaars weergegeven in onderstaande afbeelding. Elke verdubbelaar levert 10 V (8,6 V) voor een serietotaal op knooppunt 2 met betrekking tot aarde van 20 V (17,2 V)

De netlijst staat in onderstaande afbeelding.

Voltage quadrupler, bestaande uit twee in serie gestapelde verdubbelaars, met uitgang op knooppunt 2.

De golfvormen van de quadrupler worden weergegeven in onderstaande afbeelding. Er zijn twee DC-uitgangen beschikbaar:v(3), de verdubbelingsuitgang en v(2) de viervoudige uitgang. Sommige van de tussenspanningen bij klemmen illustreren dat de ingangssinusgolf (niet getoond), die zwaait met 5 V, achtereenvolgens wordt geklemd op hogere niveaus:bij v(5), v(4) en v(1). Strikt genomen is v(4) geen uitvoer van een klem. Het is gewoon de AC-spanningsbron in serie met de v (3) de verdubbelingsuitgang. Desalniettemin is v(1) een ingeklemde versie van v(4)

*SPICE 03441.eps *SPICE 03286.eps C22 4 5 1000p C11 3 0 1000p D11 0 5 diode D22 5 3 diode C1 2 3 1000p D1 1 2 diode C2 4 1 1000p D2 3 1 diode V1 4 3 SIN( 0 5 1k) .model diode d .tran 0,01m 5m .end 

Spanning quadrupler:DC-spanning beschikbaar bij v(3) en v(2). Tussenliggende golfvormen:Klemmen:v(5), v(4), v(1).

Opmerkingen over spanningsvermenigvuldigers en lijngestuurde voedingen

Enkele opmerkingen over spanningsvermenigvuldigers zijn op dit punt op hun plaats. De circuitparameters die in de voorbeelden worden gebruikt (V=5 V 1 kHz, C=1000 pf) leveren niet veel stroom, microampères. Verder zijn belastingsweerstanden weggelaten. Laden vermindert de spanningen van de getoonde. Als de circuits moeten worden aangestuurd door een kHz-bron bij lage spanning, zoals in de voorbeelden, zijn de condensatoren meestal 0,1 tot 1,0 µF, zodat milliampère stroom beschikbaar is aan de uitgang. Als de vermenigvuldigers worden aangedreven vanaf 50/60 Hz, is de condensator een paar honderd tot een paar duizend microfarads om honderden milliampère uitgangsstroom te leveren. Let op de polariteit en spanningswaarden van de condensatoren als deze wordt aangedreven door lijnspanning.

Ten slotte is elke directe lijnaangedreven voeding (geen transformator) gevaarlijk voor de onderzoeker en lijnbediende testapparatuur. Commerciële direct aangedreven voedingen zijn veilig omdat de gevaarlijke circuits zich in een behuizing bevinden om de gebruiker te beschermen. Bij het breadboarden van deze circuits met elektrolytische condensatoren van elke spanning, zullen de condensatoren exploderen als de polariteit wordt omgekeerd. Dergelijke circuits moeten worden ingeschakeld achter een veiligheidsscherm.

Cockcroft-Walton-vermenigvuldiger

Een spanningsvermenigvuldiger van gecascadeerde halvegolfverdubbelaars van willekeurige lengte staat bekend als een Cockcroft-Walton vermenigvuldiger zoals weergegeven in onderstaande afbeelding. Deze vermenigvuldiger wordt gebruikt wanneer een hoge spanning bij een lage stroom nodig is. Het voordeel ten opzichte van een conventionele voeding is dat er geen dure hoogspanningstransformator nodig is – in ieder geval niet zo hoog als de output.

Cockcroft-Walton x8 spanningsvermenigvuldiger; uitvoer bij v(8).

Het paar diodes en condensatoren links van de knooppunten 1 en 2 in de bovenstaande afbeelding vormen een halve golfverdubbelaar. De diodes 45 ^o . draaien tegen de klok in, en de onderste condensator met 90 ^o laat het eruit zien als Figure prior (a). Vier van de verdubbelingssecties zijn naar rechts gecascadeerd voor een theoretische vermenigvuldigingsfactor van x8. Knooppunt 1 heeft een klemgolfvorm (niet getoond), een sinusgolf die 1x omhoog is verschoven (5 V). De andere oneven genummerde knooppunten zijn sinusgolven die zijn vastgeklemd op achtereenvolgens hogere spanningen. Knooppunt 2, de output van de eerste verdubbelaar, is een 2x DC-spanning v (2) in het onderstaande figuur. Opeenvolgende even genummerde knooppunten laden op naar achtereenvolgens hogere spanningen:v(4), v(6), v(8)

D1 7 8 diode C1 8 6 1000p D2 6 7 diode C2 5 7 1000p D3 5 6 diode C3 4 6 1000p D4 4 5 diode C4 3 5 1000p D5 3 4 diode C5 2 4 1000p D6 2 3 diode D7 1 2 diode C6 1 3 1000p C7 2 0 1000p C8 99 1 1000p D8 0 1 diode V1 99 0 SIN(0 5 1k) .model diode d .tran 0.01m 50m .end 

Cockcroft-Walton (x8) golfvormen. Uitvoer is v(8).

Zonder diodedruppels levert elke verdubbelaar 2 Vin of 10 V op, aangezien twee diodedruppels (10-1,4) =8,6 V realistisch is. Voor een totaal van 4 verdubbelaars verwacht men 4·8.6=34,4 V op 40 V.

Consulting Figuur hierboven, v(2) is ongeveer goed; v(8) is echter <30 V in plaats van de verwachte 34,4 V. De vloek van de Cockcroft-Walton-multiplier is dat elke extra fase minder toevoegt dan de vorige fase. Er bestaat dus een praktische limiet aan het aantal fasen. Het is mogelijk om deze beperking te omzeilen door een aanpassing aan de basisschakeling. [ABR] Let ook op de tijdschaal van 40 msec vergeleken met 5 ms voor eerdere circuits. Het vergde 40 msec om de spanningen te laten stijgen tot een eindwaarde voor dit circuit. De netlijst in de bovenstaande afbeelding heeft een ".tran 0.010m 50m"-opdracht om de simulatietijd te verlengen tot 50 msec; er wordt echter slechts 40 msec uitgezet.

De Cockcroft-Walton-multiplier dient als een efficiëntere hoogspanningsbron voor fotomultiplicatorbuizen die tot 2000 V nodig hebben. [ABR] Bovendien heeft de buis talrijke dynodes , terminals die moeten worden aangesloten op de "even genummerde" knooppunten met een lagere spanning. De reeks van multiplier-kranen vervangt een warmtegenererende resistieve spanningsdeler van eerdere ontwerpen.

Een AC-lijnbediende Cockcroft-Walton-multiplier levert hoogspanning aan "iongeneratoren" voor het neutraliseren van elektrostatische lading en voor luchtreinigers.

Voltage Multiplier Review:

• Een spanningsvermenigvuldiger produceert een DC-veelvoud (2,3,4, enz.) van de AC-piekingangsspanning.
• De meest elementaire vermenigvuldiger is een halve golf verdubbelaar.
• De full-wave double is een superieur circuit als doubler.
• Een tripler is een halve golf verdubbelaar en een conventionele gelijkrichtertrap (piekdetector).
• Een quadrupler is een paar halve golf verdubbelaars
• Een lange reeks halve golfverdubbelaars staat bekend als een Cockcroft-Walton-vermenigvuldiger.

GERELATEERDE WERKBLAD:

• Werkblad OpAmp-circuits zomer en aftrekker