הסבירו מעגלי מכפיל מתח

מכשיר המעגל האלקטרוני המשמש להגברת המתח לסדר כפול על ידי טעינת קבלים ממתח כניסה נמוך יותר מכונה מתח כפול.

זרם המטען מועבר בצורה כזו שבכל מצב אידיאלי, המתח המיוצר ביציאה הוא בדיוק פי שניים מהמתח בכניסה.

מכפיל מתח פשוט ביותר באמצעות דיודות

הצורה הפשוטה ביותר של מעגל מכפיל מתח הם סוג של מיישר הלוקח את הקלט בצורה של זרם חילופין (AC) ומייצר עוצמה כפולה של מתח (DC) כמוצא.

דיודות פשוטות משמשות כאלמנטים מיתוגיים וכניסה בצורת מתח מתחלף בלבד משמשת להנעת דיודות אלו במצב מיתוג.

נדרש מעגל נהיגה נוסף על מנת לשלוט על קצב המיתוג במקרה שמכפילי מתח בשימוש הם מסוג DC ל- DC מכיוון שלא ניתן להחליף אותם באופן הנ'ל.

מעגלי ממירי המתח DC ל DC דורשים ברוב הפעמים מכשיר נוסף נוסף הנקרא אלמנט מיתוג שניתן לשלוט בו בקלות ובישירות כמו למשל בטרנזיסטור.

לפיכך, כאשר הוא משתמש באלמנט מיתוג, הוא אינו צריך להיות תלוי במתח הקיים על פני המתג, כפי שקורה בצורה פשוטה של ​​AC ל- DC.

מכפיל המתח הוא סוג של מעגל מכפיל המתח. ניתן לראות את רוב מעגלי מכפילי המתח למעט יוצאים מן הכלל בצורה של מכפיל מסדר גבוה יותר בשלב אחד. כמו כן, כמות גדולה יותר של כפל מתח מושגת כאשר ישנם שלבים זהים מדורגים המשמשים יחד.

מעגל וילארד

במעגל וילארד יש הרכב פשוט המורכב מדיודה וקבל. מצד אחד שבו מעגל Villard מספק תועלת מבחינת פשטות, מצד שני הוא ידוע גם לייצר תפוקה בעלת מאפייני אדווה הנחשבים גרועים מאוד.

איור 1. מעגל וילארד

בעיקרו של דבר, מעגל וילארד הוא סוג של מעגל מהדק דיודה. המחזורים הגבוהים השליליים משמשים בכדי לטעון את הקבל למתח שיא ה- AC (Vpk). צורת הגל AC כקלט יחד עם סופרפוזיציית DC קבועה של הקבל יוצרת את הפלט.

ערך ה- DC של צורת הגל מועבר על ידי שימוש באפקט המעגל עליו. מכיוון שהדיודה מהדקת את הפסגות השליליות של צורת גל AC לערך 0V (במונחים בפועל זה –VF, שהוא מתח ההטיה הקדימה הקטן של הדיודה) הפסגות החיוביות של גל הפלט הן בערך 2Vpk.

קשה להחליק את הפסגה לפסגה מכיוון שהיא בגודל עצום של הערך 2Vpk וכך ניתן להחליק אותה רק כאשר המעגל הופך לכל צורה מתוחכמת אחרת בצורה יעילה.

המתח הגבוה השלילי מסופק למגנטרון באמצעות מעגל זה (שמורכב מדיודה בצורה הפוכה) בתנור מיקרוגל.

מעגל גריינאכר

מכפיל המתח של גריינכרר הוכיח שהוא טוב יותר ממעגל וילארד על ידי שיפור עצמו באופן משמעותי על ידי הוספת כמה רכיבים נוספים בעלות נמוכה.

בתנאי עומס במעגל פתוח האדווה מצומצמת מאוד, לרוב למצב של אפס אך התנגדות העומס וערך הקבל המשמש ממלאים תפקיד חשוב ומשפיעים על הנוכחי נמשך.

איור 2. מעגל גריינאכר

לאחר שלב התא Villard המעגל על ​​מנת לעבוד באמצעות שלב גלאי מעטפות או גלאי שיא.

ההשפעה של גלאי השיא היא כזו שחלק גדול מהאדווה מוסר בעוד שפלט מתח השיא נשמר ככזה.

היינריך גריינאכר היה האדם הראשון שהמציא את המעגל הזה בשנת 1913 (שפורסם בשנת 1914) במטרה לספק את המתח של 200-300 וולט שהיה נחוץ לו לצורך היונומטר שלו שהיה שוב המצאה חדשה עבורו.

הדרישה להמציא את המעגל הזה כדי להשיג כל כך הרבה מתח התעוררה מכיוון שההספק שסופקו על ידי תחנות הכוח של ציריך היה של 110 וולט AC בלבד ולכן לא היה מספיק.

היינריך פיתח רעיון זה יותר בשנת 1920 והרחיב אותו ליצירת מפל מכפילים. לרוב, אנשים מכנים את מפל המכפילים הזה שהומצא על ידי היינריך גריינאכר כמפל של וילארד שהוא לא מדויק ולא נכון.

מפל מכפילים זה מכונה גם קוקרופט-וולטון על שם המדענים ג'ון קוקרופט וארנסט וולטון שבנו את מכונת מאיץ החלקיקים וגילו את המעגל מחדש באופן עצמאי בשנת 1932.

השימוש בשני תאי גריינאכר אשר קוטביות מנוגדים זה לזה אך מונעים מאותו מקור זרם חילופין יכול להרחיב את המושג טופולוגיה מסוג זה למעגל ארבע מתח.

נעשה שימוש בשני הפלטים האישיים במטרה להוריד את התפוקה על פניהם. הארקת הכניסה והפלט בו זמנית במעגל זה היא בלתי אפשרית למדי כפי שקורה במעגל גשר.

מעגל גשר

סוג הטופולוגיה שמשמש מעגל דלון בכדי להכפיל מתח נקרא טופולוגיית גשר.

אחד השימושים הנפוצים במעגל דלונים מסוג זה נמצא במכשירי הטלוויזיה עם צינור הקתודה. מעגל הדלונים במכשירי הטלוויזיה הללו שימש במטרה לספק את ה- e.h.t. אספקת מתח.

איור 3. כיכר מתח - שני תאי גריינאכר עם קוטביות מנוגדות

ישנם סכנות ובטיחות בטיחותיות רבות הקשורות לייצור מתח של יותר מ -5 קילוואט, יחד עם היותם לא כלכליים ביותר בשנאי, בעיקר בציוד שהוא ציוד ביתי.

אבל e.h.t. של 10kV היא דרישה בסיסית של מכשירי הטלוויזיה שהם שחור-לבן ואילו מכשירי הטלוויזיה הצבעוניים דורשים עוד יותר e.h.t.

ישנן דרכים ואמצעים שונים באמצעותם e.h.t. ממדים כאלה מושגים כמו: הכפלת המתח על שנאי הרשת בתוך e.h.t המתפתל עליו באמצעות מכפילי מתח או על ידי החלת מכפילי המתח על צורת הגל על ​​סלילי ה- flyback.

שני גלאי השיא המורכבים מחצי גל בתוך מעגל דומים פונקציונאלית לתאי גלאי השיא שנמצאים במעגל גריינאכר.

מחצית המחזורים המנוגדים זה לזה לצורת הגל הנכנסת משמשים להפעלה של כל אחד משני תאי גלאי השיא. הפלט נמצא תמיד כפול ממתח הכניסה שיא מכיוון שהפלטים המופקים על ידם הם בסדרה.

איור 4. מכפיל מתח גשר (דלון)

מעגלי קבלים מחליפים

ניתן להכפיל את המתח של מקור DC על ידי שימוש במעגלי דיודה-קבלים הפשוטים מספיק ותוארו בסעיף לעיל על ידי קודמת מכפיל המתח באמצעות מעגל מסוק.

לפיכך, זה יעיל בהמרת ה- DC ל- AC לפני שהוא עובר דרך מכפיל המתח. על מנת להשיג ובנו מעגלים יעילים יותר, התקני המיתוג מונעים משעון חיצוני אשר בקיא בתפקוד הן מבחינת קיצוץ והכפלה וניתן להשיג אותם בו זמנית.

איור 5.

מכפיל מתח קבלים מחליף מושג על ידי החלפת קבלים טעונים מקבילים לסדרות סוגים אלה של מעגלים ידועים כמעגלי קבלים מחליפים.

היישומים המופעלים על ידי מתח נמוך הם היישומים המשתמשים במיוחד בגישה זו מכיוון שבמעגלים משולבים יש דרישה לספק כמות מתח ספציפית שהיא יותר ממה שהסוללה יכולה לספק או לייצר בפועל.

ברוב המקרים, תמיד יש זמינות של אות שעון על גבי המעגל המשולב ולכן זה מיותר שיהיה כל מעגל נוסף אחר או שיש צורך במעגלים מעטים בלבד כדי ליצור אותו.

לפיכך, התרשים באיור 5 מציג באופן סכמטי את הצורה הפשוטה ביותר של תצורת קבלים מחליפים. בתרשים זה ישנם שני קבלים שטעונים באותו מתח במקביל.

פרסם קבלים אלה עוברים לסדרה לאחר כיבוי האספקה. לפיכך, מתח המוצא המופק הוא כפול מהספק או מתח הכניסה למקרה שהיציאה נגזרת משני הקבלים בסדרה.

ישנם סוגים שונים של התקני מיתוג בהם ניתן להשתמש במעגלים כאלה, אך מכשירי MOSFET הם מכשירי המיתוג הנפוצים ביותר במקרה של מעגלים משולבים.

איור 6. סכמטי מתח כפול מתח משאבה

התרשים באיור 6 מציג באופן סכמטי את אחד ממושגי היסוד האחרים של 'משאבת הטעינה'. מתח הכניסה משמש לטעינה ראשונה של ה- Cp, קבל משאבת הטעינה.

לאחר מכן, קבל המוצא, C0 נטען על ידי מעבר בסדרה עם מתח הכניסה, מה שמביא לטעינה של ה- C0 כפול מתח הקלט. על מנת לטעון בהצלחה את C0 במלואה, ייתכן שמשאבת הטעינה תידרש לקחת מחזורים רבים.

אך ברגע שנרכש מצב יציב, הדבר החיוני היחיד לקבל משאבת הטעינה, Cp הוא לשאוב מטען בכמויות קטנות, שווה ערך למטען שמספק מקבל המוצא, C0 לעומס.

אדווה נוצרת על מתח המוצא כאשר C0 משתחרר חלקית לעומס בזמן שהוא מנותק ממשאבת הטעינה. אדווה זו שנוצרת בתהליך זה מאפיינת זמן פריקה קצר יותר וקל לסינון וכך מאפיינים אלה מקטינים אותם בתדרים בתדרי שעון גבוהים יותר.

לפיכך, עבור כל אדווה ספציפית נתונה, הקבלים יכולים להיות קטנים יותר. הכמות המרבית של תדר השעון לכל המטרות המעשיות במעגלים המשולבים נופלת בדרך כלל בטווח של מאות קילוהרץ.

משאבת טעינה של דיקסון

משאבת הטעינה של דיקסון, המכונה גם מכפיל דיקסון מורכבת ממפל של תאי דיודה / קבלים כאשר רכבת דופק שעון מניעה את הלוח התחתון של כל אחד מהקבלים.

המעגל נחשב כשינוי של מכפיל Cockcroft-Walton אך למעט היחיד של אות מיתוג המסופק על ידי כניסת DC עם רכבות שעון במקום כניסת AC כמו שקורה עם מכפיל Cockcroft-Walton.

הדרישה הבסיסית של מכפיל דיקסון היא שפעימות השעון של השלבים המנוגדות זו לזו צריכות להניע את התאים החלופיים. אך במקרה של מכפיל מתח המתואר באיור 7, נדרש אות שעון יחיד בלבד מכיוון שיש רק שלב אחד של הכפל.

איור 7. מכפיל מתח משאבה של דיקסון

המעגלים שבהם משתמשים בתדירות גבוהה במכפילי דיקסון הם המעגלים המשולבים שבהם מתח האספקה ​​כמו מכל סוללה נמוך ממה שנדרש במעגלים.

העובדה שכל מוליכים למחצה המשמשים בכך הם בעצם דומים מהווים יתרון עבור יצרני המעגל המשולב.

בלוק ההיגיון הסטנדרטי הנפוץ ביותר ונמצא בשימוש במספר מעגלים משולבים הוא התקני MOSFET.

זו אחת הסיבות לכך שהדיודות מוחלפות פעמים רבות בטרנזיסטור מסוג זה, אך גם מחוברות לפונקציה בצורה של דיודה.

הסדר זה ידוע גם בשם MOSFET חוטי-דיודה. התרשים באיור 8 מתאר מכפיל מתח דיקסון המשתמש בסוג זה של התקני MOSFET מסוג שיפור ערוצים מסוג דיודה חוטית.

איור 8. מכפיל מתח דיקסון באמצעות MOSFET חוטי דיודה

הצורה הבסיסית של משאבת הטעינה של דיקסון עברה הרבה מאוד שיפורים וריאציות. מרבית השיפורים הללו הם בתחום הפחתת ההשפעה שמייצר מתח מקור הניקוז הטרנזיסטורי. שיפור זה נחשב כמשמעותי במקרה שמתח הכניסה קטן כמו במקרה של סוללת מתח נמוך.

מתח המוצא הוא תמיד מכפיל אינטגראלי של מתח הכניסה (פעמיים במקרה של מכפיל מתח) כאשר משתמשים באלמנטים מיתוגיים אידיאליים.

אך במקרה בו סוללת תא בודד משמשת כמקור קלט יחד עם מתגי MOSFET, הפלט במקרים כאלה נמוך בהרבה מערך זה מכיוון שיש ירידה במתח על פני הטרנזיסטורים.

בשל הירידה הנמוכה ביותר במתח במצב המעגל המשתמש ברכיבים נפרדים, דיודת שוטקי נחשבת לבחירה טובה כאלמנט מיתוג.

אך מעצבי המעגל המשולב מעדיפים בעיקר להשתמש ב- MOSFET מכיוון שהוא זמין ביתר קלות, מה שמפצה יותר על נוכחותם של חסרונות ומורכבות גבוהה במעגל הקיים במכשירי MOSFET.

כדי להמחיש זאת, ניקח דוגמה: מתח נומינלי של המנגינה של 1.5 וולט קיים בסוללה אלקליין.

ניתן להכפיל את הפלט בזה ל -3.0 וולט באמצעות מכפיל מתח יחד עם אלמנטים מיתוגיים אידיאליים אשר ירידת המתח שלהם היא אפס.

אך ירידת המתח של MOSFET המחוברת לדיודה של מקור הניקוז כאשר היא במצב פועל חייבת להיות במינימום השווה למתח סף השער שנמצא בדרך כלל במנגינה של 0.9 וולט.

ניתן להעלות את מתח המוצא על ידי מכפיל המתח בהצלחה רק בכ- 0.6 וולט עד 2.1 וולט.

לא ניתן להשיג את עליית המתח על ידי המעגל ללא שימוש בשלבים מרובים למקרה שנחשבת ונלקחת בחשבון גם הירידה על פני טרנזיסטור ההחלקה הסופי.

מצד שני, המתח על הבמה של דיודת שוטקי טיפוסית הוא של 0.3 וולט. מתח המוצא שמכפיל מתח יהיה בטווח של 2.7 וולט אם הוא משתמש בדיודת שוטקי, או 2.4 וולט אם הוא משתמש בדיודת החלקה.

קבלים ממתגים מצולבים

מעגלי הקבלים המועברים מצולבים ידועים כמתח הקלט נמוך מאוד. ניתן לדרוש סוללה חד תאית בציוד המונע על ידי סוללה אלחוטית כגון איתורים ומכשירי Bluetooth על מנת לספק חשמל ברציפות כאשר הוא מתרוקן מתחת למתח.

איור 9. מכפיל מתח קבלים מחובר מצולב

הטרנזיסטור Q2 מכובה במקרה שהשעון נמוך. במקביל, הטרנזיסטור Q1 מופעל אם השעון גבוה וזה גורם לטעינה של הקבל C1 למתח Vn. הלוח העליון של C1 נדחף כלפי מעלה ל- Vin כפול למקרה שה- Ø1 יעלה גבוה.

על מנת לאפשר למתח זה להופיע כפלט, המתג S1 נסגר במקביל. כמו כן, במקביל C2 מותר לטעון באמצעות הפעלת Q2.

תפקידי הרכיבים הפוכים בחצי המחזור הבא: Ø1 יהיה נמוך, S1 ייפתח, Ø2 יהיה גבוה ו- S2 ייסגר.

כך לחלופין מכל צד של המעגל, מתח המוצא מסופק עם 2Vin. ההפסד שנוצר במעגל זה נמוך מכיוון שחסר MOSFET חוטי דיודה ובעיות מתח הסף הקשורות אליו.

אחד היתרונות האחרים של המעגל הוא בכך שהוא מכפיל את תדר האדווה שכן ישנם שני מכפילי מתח המספקים את הפלט ביעילות משעוני הפאזה.

החיסרון הבסיסי של מעגל זה הוא שקיבולי התועה של מכפיל דיקינסון נמצאים הרבה פחות משמעותיים ממעגל זה ובכך מהווים את רוב ההפסדים שנוצרים במעגל זה.

דרך ארץ: https://en.wikipedia.org/wiki/Voltage_doubler