Un multiplicateur de tension est un circuit redresseur spécialisé produisant une sortie qui est théoriquement un nombre entier fois l’entrée de crête alternative, par exemple 2, 3 ou 4 fois l’entrée de crête alternative. Ainsi, il est possible d’obtenir 200 VCC à partir d’une source CA de 100 Vpeak à l’aide d’un doubleur, 400 VCC à partir d’un quadrupleur. Toute charge dans un circuit pratique réduira ces tensions.

Nous allons d’abord passer en revue plusieurs types de multiplicateurs de tension — doubleur de tension (demi- et pleine onde), tripleur de tension et quadrupleur de tension – puis prendre des notes générales sur la sécurité du multiplicateur de tension et terminer avec le multiplicateur de Cockcroft—Walton.

Doubleur de tension

Une application de doubleur de tension est une alimentation CC capable d’utiliser une source de 240 VCA ou 120 VCA. L’alimentation utilise un pont pleine onde sélectionné par un commutateur pour produire environ 300 VCC à partir d’une source de 240 VCA. La position 120 V de l’interrupteur recâble le pont en tant que doubleur produisant environ 300 VCC à partir du 120 VCA. Dans les deux cas, 300 VCC sont produits. Il s’agit de l’entrée d’un régulateur de commutation produisant des tensions plus faibles pour alimenter, par exemple, un ordinateur personnel.

Doubleur de tension demi-onde

Le doubleur de tension demi-onde de la Figure ci-dessous (a) est composé de deux circuits: un clamper à (b) et un détecteur de crête (redresseur demi-onde) de la Figure précédente, qui est représenté sous forme modifiée dans la Figure ci-dessous (c). C2 a été ajouté à un détecteur de crête (redresseur demi-onde).

Le doubleur de tension demi-onde (a) est composé de (b) une pince et (c) un redresseur demi-onde.

Analyse du Circuit de fonctionnement du Doubleur de tension Demi-onde

En se référant à la Figure (b) ci-dessus, C2 se charge à 5 V (4,3 V compte tenu de la chute de la diode) sur le demi-cycle négatif de l’entrée CA. L’extrémité droite est mise à la terre par le conducteur D2. L’extrémité gauche est chargée au pic négatif de l’entrée CA. C’est l’opération de la pince.

Pendant le demi-cycle positif, le redresseur demi-onde entre en jeu à la figure (c) ci-dessus. La diode D2 est hors circuit puisqu’elle est polarisée en inverse. C2 est maintenant en série avec la source de tension. Notez les polarités du générateur et C2, aide en série. Ainsi, le redresseur D1 voit un total de 10 V au sommet de l’onde sinusoïdale, 5 V du générateur et 5 V de C2. D1 conduit la forme d’onde v(1) (figure ci-dessous), chargeant C1 au pic de l’onde sinusoïdale circulant sur 5 V CC (figure ci-dessous v(2)). La forme d’onde v(2) est la sortie du doubleur, qui se stabilise à 10 V (8.6 V avec chute de diode) après quelques cycles d’entrée d’onde sinusoïdale.

*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 

Doubleur de tension: entrée v(4). v (1) étape de serrage. v (2) étage redresseur demi-onde, qui est la sortie du doubleur.

Doubleur de tension pleine onde

Le doubleur de tension pleine onde est composé d’une paire de redresseurs demi-ondes empilés en série. (Figure ci-dessous) La netlist correspondante se trouve dans la figure ci-dessous.

Analyse de fonctionnement du Doubleur de tension Pleine Onde

Le redresseur inférieur charge C1 sur le demi-cycle négatif de l’entrée. Le redresseur supérieur charge C2 sur le demi-cycle positif. Chaque condensateur prend une charge de 5 V (4,3 V en considérant la chute de diode). La sortie au noeud 5 est le total série de C1 + C2 ou 10 V (8,6 V avec des baisses de diode).

*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 0.01m 5m .end 

Le doubleur de tension pleine onde est constitué de deux redresseurs demi-onde fonctionnant sur des polarités alternées.

Notez que la figure de sortie v(5) ci-dessous atteint sa pleine valeur dans un cycle de l’excursion d’entrée v(2).

Doubleur de tension pleine onde: v(2) entrée, v(3) tension au point milieu, v(5) tension à la sortie

Dérivation des doubleurs pleine onde à partir de redresseurs Demi-onde

La figure ci-dessous illustre la dérivation du doubleur pleine onde à partir d’une paire de redresseurs demi-onde de polarité opposée (a). Le redresseur négatif de la paire est redessiné pour plus de clarté (b). Les deux sont combinés à (c) partageant le même terrain. À (d), le redresseur négatif est recâblé pour partager une source de tension avec le redresseur positif. Cela donne une alimentation de ± 5 V (4,3 V avec chute de diode); cependant, 10 V est mesurable entre les deux sorties. Le point de référence au sol est déplacé de sorte que +10 V soit disponible par rapport au sol.

Doubleur pleine onde : (a) Paire de doubleurs, (b) redessinés, (c) partageant la terre, (d) partageant la même source de tension. (e) déplacer le point de masse.

Tripleur de tension

Un tripleur de tension (Figure ci-dessous) est construit à partir d’une combinaison d’un doubleur et d’un redresseur demi-onde (C3, D3). Le redresseur demi-onde produit 5 V (4,3 V) au noeud 3. Le doubleur fournit encore 10 V (8,4 V) entre les noeuds 2 et 3. pour un total de 15 V (12.9 V) au noeud de sortie 2 par rapport à la masse. La netlist est dans la figure ci-dessous.

Tripleur de tension composé d’un doubleur empilé au sommet d’un redresseur à un étage.

Notez que V(3) sur la figure ci-dessous monte à 5 V (4,3 V) sur le premier demi-cycle négatif. L’entrée v(4) est décalée vers le haut de 5 V (4,3 V) en raison de 5 V du redresseur demi-onde. Et 5 V de plus à v(1) en raison du serrage (C2, D2). D1 charge C1 (forme d’onde v(2)) à la valeur de crête de 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 .end 

Tripleur de tension: v (3) redresseur demi-onde, v (4) entrée + 5 V, v (1) pince, v (2) sortie finale.

Quadrupleur de tension

Un quadrupleur de tension est une combinaison empilée de deux doubleurs illustrée sur la figure ci-dessous. Chaque doubleur fournit 10 V (8,6 V) pour un total de série au nœud 2 par rapport à la masse de 20 V (17,2 V)

La liste de réseau est dans la figure ci-dessous.

Quadrupleur de tension, composé de deux doubleurs empilés en série, avec sortie au noeud 2.

Les formes d’onde du quadrupleur sont représentées sur la figure ci-dessous. Deux sorties CC sont disponibles : v(3), la sortie du doubleur, et v(2) la sortie du quadrupleur. Certaines des tensions intermédiaires aux pinces illustrent que l’onde sinusoïdale d’entrée (non représentée), qui oscille de 5 V, est successivement serrée à des niveaux plus élevés : à v(5), v(4) et v(1). Strictement v(4) n’est pas une sortie de serrage. Il s’agit simplement de la source de tension alternative en série avec le v(3) la sortie du doubleur. None the less, v(1) is a clamped version of 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 

Voltage quadrupler: DC voltage available at v(3) and v(2). Intermediate waveforms: Clampers: v(5), v(4), v(1).

Notes on Voltage Multipliers and Line Driven Power Supplies

Some notes on voltage multipliers are in order at this point. Les paramètres de circuit utilisés dans les exemples (V = 5 V 1 kHz, C = 1000 pf) ne fournissent pas beaucoup de courant, de microampères. De plus, les résistances de charge ont été omises. Le chargement réduit les tensions par rapport à celles indiquées. Si les circuits doivent être pilotés par une source kHz à basse tension, comme dans les exemples, les condensateurs sont généralement de 0,1 à 1,0 µF de sorte que des milliampères de courant sont disponibles en sortie. Si les multiplicateurs sont pilotés à partir de 50/60 Hz, les condensateurs sont de quelques centaines à quelques milliers de microfarads pour fournir des centaines de milliampères de courant de sortie. S’il est entraîné à partir de la tension de ligne, faites attention à la polarité et aux valeurs de tension des condensateurs.

Enfin, toute alimentation en ligne directe (pas de transformateur) est dangereuse pour l’expérimentateur et l’équipement de test en ligne. Les alimentations commerciales à entraînement direct sont sûres car les circuits dangereux se trouvent dans une enceinte pour protéger l’utilisateur. Lors du breadboard de ces circuits avec des condensateurs électrolytiques de n’importe quelle tension, les condensateurs exploseront si la polarité est inversée. Ces circuits doivent être alimentés derrière un bouclier de sécurité.

Multiplicateur de Cockcroft-Walton

Un multiplicateur de tension de doubleurs demi-ondes en cascade de longueur arbitraire est connu sous le nom de multiplicateur de Cockcroft-Walton, comme le montre la figure ci-dessous. Ce multiplicateur est utilisé lorsqu’une haute tension à faible courant est requise. L’avantage par rapport à une alimentation conventionnelle est qu’un transformateur haute tension coûteux n’est pas nécessaire – du moins pas aussi élevé que la sortie.

Multiplicateur de tension Cockcroft-Walton x8; sortie à v(8).

La paire de diodes et de condensateurs à gauche des noeuds 1 et 2 sur la figure ci-dessus constitue un doubleur demi-onde. La rotation des diodes de 45o dans le sens antihoraire et le condensateur inférieur de 90o le fait ressembler à la figure précédente (a). Quatre des sections de doubleur sont montées en cascade vers la droite pour un facteur de multiplication théorique x8. Le nœud 1 a une forme d’onde de serrage (non représentée), une onde sinusoïdale décalée de 1x (5 V). Les autres nœuds impairs sont des ondes tendues serrées à des tensions successivement plus élevées. Le noeud 2, la sortie du premier doubleur, est une tension CONTINUE 2x v(2) sur la figure ci-dessous. Les nœuds paires successifs se chargent à des tensions successivement plus élevées : 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 

Formes d’onde Cockcroft-Walton(x8). La sortie est v(8).

Sans gouttes de diode, chaque doubleur donne 2Vin ou 10 V, considérant que deux gouttes de diode (10-1,4) = 8,6 V est réaliste. Pour un total de 4 doubleurs, on attend 4 * 8,6 = 34,4 V sur 40 V.

Figure de consultation ci-dessus, v(2) est à peu près juste; cependant, v(8) vaut < 30 V au lieu des 34,4 V prévus. Le fléau du multiplicateur de Cockcroft-Walton est que chaque étape supplémentaire ajoute moins que l’étape précédente. Ainsi, une limite pratique au nombre d’étapes existe. Il est possible de pallier cette limitation par une modification du circuit de base. Notez également l’échelle de temps de 40 ms contre 5 ms pour les circuits précédents. Il fallait 40 msec pour que les tensions atteignent une valeur de borne pour ce circuit. La netlist de la figure ci-dessus a un « .commande tran 0.010m 50m » pour étendre le temps de simulation à 50 msec; cependant, seulement 40 msec sont tracées.

Le multiplicateur de Cockcroft-Walton sert de source de haute tension plus efficace pour les tubes photomultiplicateurs nécessitant jusqu’à 2000 V. De plus, le tube comporte de nombreuses dynodes, bornes nécessitant une connexion aux nœuds « pairs” de tension inférieure. La série de prises multiplicatrices remplace un diviseur de tension résistif générant de la chaleur des conceptions précédentes.

Un multiplicateur Cockcroft-Walton actionné par ligne AC fournit une haute tension aux « générateurs d’ions » pour neutraliser la charge électrostatique et pour les purificateurs d’air.

Revue du Multiplicateur de tension:

• Un multiplicateur de tension produit un multiple CONTINU (2,3,4, etc.) de la tension d’entrée de crête alternative.
• Le multiplicateur le plus basique est un doubleur demi-onde.
• Le double pleine onde est un circuit supérieur en tant que doubleur.
• Un tripleur est un doubleur demi-onde et un étage redresseur classique (détecteur de crête).
• Un quadrupleur est une paire de doubleurs demi-ondes
• Une longue chaîne de doubleurs demi-ondes est connue sous le nom de multiplicateur de Cockcroft-Walton.

FEUILLES DE CALCUL CONNEXES:

• Feuille de calcul des circuits OpAmp d’été et de soustracteur