Moltiplicatore di tensione - Voltage multiplier

Moltiplicatore di tensione in cascata di Villard.

Un moltiplicatore di tensione è un circuito elettrico che converte l'energia elettrica CA da una tensione più bassa a una tensione CC più alta, in genere utilizzando una rete di condensatori e diodi .

I moltiplicatori di tensione possono essere utilizzati per generare da pochi volt per apparecchi elettronici a milioni di volt per scopi come esperimenti di fisica ad alta energia e test di sicurezza contro i fulmini. Il tipo più comune di moltiplicatore di tensione è il moltiplicatore in serie a semionda, chiamato anche cascata di Villard (ma in realtà inventato da Heinrich Greinacher ).

operazione

Supponendo che la tensione di picco della sorgente AC sia +U s , e che i valori di C siano sufficientemente alti da consentire, quando carica, che una corrente fluisca senza variazioni significative di tensione, allora il funzionamento (semplificato) della cascata è come segue:

Illustrazione dell'operazione descritta, con +U s = 100 V
  1. picco negativo (−U s ): Il condensatore C 1 viene caricato attraverso il diodo D 1 a U s  V (la differenza di potenziale tra l'armatura sinistra e destra del condensatore è U s )
  2. picco positivo (+U s ): il potenziale di C 1 si somma a quello della sorgente, caricando così C 2 a 2U s attraverso D 2
  3. picco negativo: il potenziale di C 1 è sceso a 0 V consentendo così di caricare C 3 attraverso D 3 a 2U s .
  4. picco positivo: il potenziale di C 2 sale a 2U s (analogamente allo step 2), caricando anche C 4 a 2U s . La tensione di uscita (la somma delle tensioni sotto C 2 e C 4 ) aumenta fino a raggiungere 4U s .

In realtà sono necessari più cicli affinché C 4 raggiunga la piena tensione. Ciascuno stadio aggiuntivo di due diodi e due condensatori aumenta la tensione di uscita del doppio della tensione di alimentazione CA di picco.

Raddoppiatore e triplicatore di tensione

Un circuito quadruplicatore di tensione di Cockcroft-Walton . Genera una tensione di uscita DC V o di quattro volte il picco della tensione di ingresso AC V i

Un duplicatore di tensione utilizza due stadi per raddoppiare approssimativamente la tensione CC che sarebbe stata ottenuta da un raddrizzatore a stadio singolo . Un esempio di duplicatore di tensione si trova nello stadio di ingresso degli alimentatori a commutazione contenenti un interruttore SPDT per selezionare l'alimentazione a 120 V o 240 V. Nella posizione 120 V l'ingresso è tipicamente configurato come un duplicatore di tensione a onda intera aprendo un punto di connessione CA di un raddrizzatore a ponte e collegando l'ingresso alla giunzione di due condensatori di filtro collegati in serie. Per il funzionamento a 240 V, l'interruttore configura il sistema come un ponte a onda intera, ricollegando il cavo della presa centrale del condensatore al terminale CA aperto di un sistema raddrizzatore a ponte. Ciò consente il funzionamento a 120 o 240 V con l'aggiunta di un semplice interruttore SPDT.

Un triplicatore di tensione è un moltiplicatore di tensione a tre stadi. Un triplatore è un tipo popolare di moltiplicatore di tensione. La tensione di uscita di un triplatore è in pratica inferiore a tre volte la tensione di picco in ingresso a causa della loro alta impedenza , causata in parte dal fatto che ogni condensatore della catena alimenta il successivo, si scarica parzialmente, perdendo tensione.

I tripler erano comunemente usati nei ricevitori televisivi a colori per fornire l'alta tensione per il tubo a raggi catodici (CRT, cinescopio).

I triplatori sono ancora utilizzati in forniture ad alta tensione come fotocopiatrici , stampanti laser , zapper di insetti e armi a elettroshock .

Calo di tensione

Sebbene il moltiplicatore possa essere utilizzato per produrre migliaia di volt di uscita, i singoli componenti non devono essere classificati per resistere all'intero intervallo di tensione. Ogni componente deve solo occuparsi delle differenze di tensione relative direttamente ai propri terminali e dei componenti immediatamente adiacenti.

Tipicamente un moltiplicatore di tensione sarà fisicamente disposto come una scala, in modo che al potenziale di tensione progressivamente crescente non sia data l'opportunità di creare un arco attraverso le sezioni a potenziale molto più basso del circuito.

Si noti che è necessario un margine di sicurezza nell'intervallo relativo delle differenze di tensione nel moltiplicatore, in modo che la scala possa sopravvivere al guasto in cortocircuito di almeno un diodo o un componente del condensatore. In caso contrario, un guasto di cortocircuito a punto singolo potrebbe successivamente sovraccaricare e distruggere ogni componente successivo nel moltiplicatore, distruggendo potenzialmente l'intera catena del moltiplicatore.

Altre topologie di circuiti

Due cascate pilotate da un unico trasformatore a presa centrale. Questa configurazione fornisce una rettifica a onda intera che porta a una minore ondulazione e in caso di collasso dovuto all'arco, l'energia capacitiva può annullarsi.
accatastamento
Una seconda cascata sovrapposta alla prima pilotata da un secondo avvolgimento secondario isolato ad alta tensione. Il secondo avvolgimento è collegato con uno sfasamento di 180° per ottenere la rettifica dell'onda intera. I due avvolgimenti devono essere isolati contro la grande tensione tra di loro.
Un singolo avvolgimento secondario di un trasformatore che guida contemporaneamente due cascate di polarità opposte. L'impilamento delle due cascate fornisce un'uscita del doppio della tensione ma con migliori caratteristiche di ondulazione e carica del condensatore rispetto a quelle che si otterrebbero con una singola lunga cascata della stessa tensione.

In ogni colonna viene utilizzato un numero pari di celle di diodo-condensatore in modo che la cascata termini su una cella di livellamento. Se fosse dispari e finisse su una cella di bloccaggio, la tensione di ripple sarebbe molto grande. Condensatori più grandi nella colonna di collegamento riducono anche l'ondulazione, ma a scapito del tempo di ricarica e dell'aumento della corrente del diodo.

Pompa di carica Dickson

Pompa di carica Dickson standard (4 stadi: 5× moltiplicatore)

La pompa di carica Dickson , o moltiplicatore Dickson , è una modifica del moltiplicatore Greinacher/Cockcroft–Walton . A differenza di quel circuito, tuttavia, il moltiplicatore Dickson prende un alimentatore CC come ingresso, quindi è una forma di convertitore CC-CC . Inoltre, a differenza di Greinacher/Cockcroft–Walton che viene utilizzato su applicazioni ad alta tensione, il moltiplicatore Dickson è destinato a scopi di bassa tensione. Oltre all'ingresso CC, il circuito richiede un'alimentazione di due treni di impulsi di clock con un'ampiezza oscillante tra i binari di alimentazione CC. Questi treni di impulsi sono in antifase.

Per descrivere il funzionamento ideale del circuito, numerare i diodi D1, D2 ecc. da sinistra a destra e i condensatori C1, C2 ecc. Quando il clock è basso, D1 caricherà C1 a V in . Quando va in alto la piastra superiore di C1 viene spinta fino a 2 V in . D1 viene quindi spento e D2 acceso e C2 inizia a caricarsi a 2 V in . Al successivo ciclo di clock va di nuovo basso e ora va alto spingendo la piastra superiore di C2 a 3 V in . D2 si spegne e D3 si accende, caricando C3 a 3 V in e così via con carica che passa lungo la catena, da cui il nome pompa di carica . L'ultima cella diodo-condensatore in cascata è collegata a massa anziché a una fase di clock e quindi non è un moltiplicatore; è un rilevatore di picco che fornisce semplicemente un livellamento .

Ci sono una serie di fattori che riducono l'uscita dal caso ideale di nV in . Uno di questi è la tensione di soglia, V T del dispositivo di commutazione, cioè la tensione necessaria per accenderlo. L'uscita sarà ridotta di almeno nV T a causa delle cadute di tensione attraverso gli interruttori. I diodi Schottky sono comunemente usati nei moltiplicatori Dickson per la loro bassa caduta di tensione diretta, tra le altre ragioni. Un'altra difficoltà è che ci sono capacità parassite a terra in ogni nodo. Queste capacità parassite agiscono come divisori di tensione con i condensatori di accumulo del circuito che riducono ulteriormente la tensione di uscita. Fino a un certo punto, una frequenza di clock più elevata è vantaggiosa: l'ondulazione è ridotta e l'alta frequenza rende più facile filtrare l'ondulazione rimanente. Anche la dimensione dei condensatori necessari è ridotta poiché è necessario immagazzinare meno carica per ciclo. Tuttavia, le perdite dovute alla capacità parassita aumentano con l'aumento della frequenza di clock e un limite pratico è di circa poche centinaia di kilohertz.

Pompa di carica Dickson che utilizza MOSFET cablati a diodi (4 stadi: moltiplicatore 5×)

I moltiplicatori Dickson si trovano spesso nei circuiti integrati (IC) dove vengono utilizzati per aumentare l'alimentazione della batteria a bassa tensione alla tensione necessaria per l'IC. È vantaggioso per il progettista e il produttore di circuiti integrati poter utilizzare la stessa tecnologia e lo stesso dispositivo di base in tutto il circuito integrato. Per questo motivo, nei comuni circuiti integrati con tecnologia CMOS il transistor che costituisce l'elemento base dei circuiti è il MOSFET . Di conseguenza, i diodi nel moltiplicatore Dickson vengono spesso sostituiti con MOSFET cablati per comportarsi come diodi.

Pompa di carica Dickson con MOSFET lineare in parallelo con MOSFET a diodi (4 stadi: moltiplicatore 5×)

La versione MOSFET con cablaggio a diodo del moltiplicatore Dickson non funziona molto bene a tensioni molto basse a causa delle grandi cadute di tensione drain-source dei MOSFET. Spesso per superare questo problema viene utilizzato un circuito più complesso. Una soluzione consiste nel collegare in parallelo al MOSFET di commutazione un altro MOSFET polarizzato nella sua regione lineare. Questo secondo MOSFET ha una tensione drain-source inferiore a quella che il MOSFET a commutazione avrebbe da solo (perché il MOSFET a commutazione è pilotato a fondo) e di conseguenza la tensione di uscita viene aumentata. Il gate del MOSFET con polarizzazione lineare è collegato all'uscita dello stadio successivo in modo che venga spento mentre lo stadio successivo si sta caricando dal condensatore dello stadio precedente. Cioè, il transistor a polarizzazione lineare viene spento contemporaneamente al transistor di commutazione.

Un ideale moltiplicatore Dickson a 4 stadi (moltiplicatore 5×) con un ingresso di 1,5 V avrebbe un'uscita di 7,5 V . Tuttavia, un moltiplicatore MOSFET a 4 stadi cablato a diodi potrebbe avere solo un'uscita di 2 V . Aggiunta MOSFET parallele nella regione lineare migliora questo per circa 4 V . I circuiti più complessi possono ancora raggiungere un'uscita molto più vicina al caso ideale.

Esistono molte altre varianti e miglioramenti al circuito Dickson di base. Alcuni tentano di ridurre la tensione di soglia di commutazione come il moltiplicatore Mandal-Sarpeshkar o il moltiplicatore Wu. Altri circuiti annullano la tensione di soglia: il moltiplicatore Umeda lo fa con una tensione fornita esternamente e il moltiplicatore Nakamoto lo fa con una tensione generata internamente. Il moltiplicatore Bergeret si concentra sulla massimizzazione dell'efficienza energetica.

Modifica per potenza RF

Pompa di carica Dickson modificata (2 stadi: 3× moltiplicatore)

Nei circuiti integrati CMOS i segnali di clock sono prontamente disponibili, oppure facilmente generati. Questo non è sempre il caso dei circuiti integrati RF , ma spesso sarà disponibile una fonte di alimentazione RF. Il circuito moltiplicatore standard Dickson può essere modificato per soddisfare questo requisito semplicemente mettendo a terra l'ingresso normale e uno degli ingressi di clock. La potenza RF viene iniettata nell'altro ingresso di clock, che diventa quindi l'ingresso del circuito. Il segnale RF è effettivamente l'orologio e la fonte di alimentazione. Tuttavia, poiché l'orologio viene iniettato solo in ogni altro nodo, il circuito raggiunge solo uno stadio di moltiplicazione per ogni seconda cella diodo-condensatore. Le altre celle a diodo-condensatore agiscono semplicemente come rilevatori di picco e livellano l'ondulazione senza aumentare la moltiplicazione.

Condensatore commutato ad accoppiamento incrociato

Cascata di duplicatori di tensione MOSFET con accoppiamento incrociato (3 stadi: moltiplicatore 4×)

Un moltiplicatore di tensione può essere costituito da una cascata di duplicatori di tensione del tipo a condensatore commutato ad accoppiamento incrociato . Questo tipo di circuito viene in genere utilizzato al posto di un moltiplicatore Dickson quando la tensione della sorgente è pari o inferiore a 1,2 V. I moltiplicatori Dickson hanno un'efficienza di conversione della potenza sempre più scarsa man mano che la tensione di ingresso scende perché la caduta di tensione attraverso i transistor cablati a diodi diventa molto più significativa rispetto alla tensione di uscita. Poiché i transistor nel circuito ad accoppiamento incrociato non sono cablati a diodi, il problema della caduta di tensione non è così grave.

Il circuito funziona commutando alternativamente l'uscita di ogni stadio tra un duplicatore di tensione pilotato da e uno pilotato da . Questo comportamento porta ad un altro vantaggio rispetto al moltiplicatore Dickson: tensione di ripple ridotta al doppio della frequenza. L'aumento della frequenza di ripple è vantaggioso perché è più facile da rimuovere filtrando. Ogni stadio (in un circuito ideale) aumenta la tensione di uscita della tensione di clock di picco. Supponendo che questo sia lo stesso livello della tensione di ingresso CC, un moltiplicatore a n stadi produrrà (idealmente) nV in . La causa principale delle perdite nel circuito ad accoppiamento incrociato è la capacità parassita piuttosto che la tensione di soglia di commutazione. Le perdite si verificano perché parte dell'energia deve andare a caricare le capacità parassite ad ogni ciclo.

Applicazioni

Cascata TV (verde) e trasformatore flyback (blu).

Gli alimentatori ad alta tensione per tubi a raggi catodici (CRT) nei televisori spesso utilizzano moltiplicatori di tensione con il condensatore di livellamento dello stadio finale formato dai rivestimenti interni ed esterni aquadag sul CRT stesso. I CRT erano precedentemente un componente comune nei televisori. I moltiplicatori di tensione possono ancora essere trovati nei moderni televisori, fotocopiatrici e zapper di insetti .

I moltiplicatori ad alta tensione sono utilizzati nelle apparecchiature di verniciatura a spruzzo, più comunemente presenti negli impianti di produzione automobilistica. Un moltiplicatore di tensione con un'uscita di circa 100kV viene utilizzato nell'ugello dello spruzzatore di vernice per caricare elettricamente le particelle di vernice atomizzata che vengono quindi attratte dalle superfici metalliche di carica opposta da verniciare. Questo aiuta a ridurre il volume di vernice utilizzata e aiuta a stendere uno strato uniforme di vernice.

Un tipo comune di moltiplicatore di tensione utilizzato nella fisica delle alte energie è il generatore Cockcroft-Walton (progettato da John Douglas Cockcroft e Ernest Thomas Sinton Walton per un acceleratore di particelle da utilizzare nella ricerca che ha vinto il Premio Nobel per la fisica nel 1951) .

Guarda anche

  • Generatore Marx (un dispositivo che utilizza spinterometri anziché diodi come elementi di commutazione e può fornire correnti di picco più elevate rispetto ai diodi).
  • Convertitore boost (un convertitore di alimentazione da CC a CC che aumenta la tensione, utilizzando spesso un induttore)

Appunti

Bibliografia

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