Un moltiplicatore di tensione è un circuito raddrizzatore specializzato che produce un’uscita che è teoricamente un numero intero per l’ingresso di picco CA, ad esempio 2, 3 o 4 volte l’ingresso di picco CA. Pertanto, è possibile ottenere 200 VDC da una sorgente CA da 100 Vpeak utilizzando un duplicatore, 400 VDC da un quadruplo. Qualsiasi carico in un circuito pratico abbasserà queste tensioni.

Andremo prima su diversi tipi di moltiplicatori di tensione—duplicatore di tensione (a metà e a onda intera), tripler di tensione e quadrupler di tensione – quindi fare alcune note generali sulla sicurezza del moltiplicatore di tensione e finire con il moltiplicatore Cockcroft-Walton.

Duplicatore di tensione

Un’applicazione di duplicatore di tensione è un alimentatore CC in grado di utilizzare una sorgente da 240 VAC o 120 VAC. L’alimentazione utilizza un interruttore selezionato ponte a onda intera per produrre circa 300 VDC da una sorgente a 240 VAC. La posizione a 120 V dell’interruttore riavvolge il ponte come un duplicatore producendo circa 300 VDC dal 120 VAC. In entrambi i casi, viene prodotto 300 VDC. Questo è l’ingresso di un regolatore di commutazione che produce tensioni inferiori per alimentare, ad esempio, un personal computer.

Doppiatore di tensione a semionda

Il doppiatore di tensione a semionda nella figura seguente (a) è composto da due circuiti: un clamper a (b) e un rivelatore di picco (raddrizzatore a semionda) nella figura precedente, che è mostrato in forma modificata nella Figura seguente (c). C2 è stato aggiunto a un rivelatore di picco (raddrizzatore a semionda).

Il duplicatore di tensione a semionda (a) è composto da (b) un clamper e (c) un raddrizzatore a semionda.

Analisi del circuito di funzionamento del doppiatore di tensione a semionda

Facendo riferimento alla figura(b) sopra , C2 carica a 5 V (4,3 V considerando la caduta del diodo) sul mezzo ciclo negativo dell’ingresso CA. L’estremità destra è messa a terra dal conduttore D2. L’estremità sinistra viene caricata al picco negativo dell’ingresso CA. Questa è l’operazione del clamper.

Durante il mezzo ciclo positivo, il raddrizzatore a semionda entra in gioco nella Figura(c) sopra . Il diodo D2 è fuori dal circuito poiché è polarizzato all’inverso. C2 è ora in serie con la sorgente di tensione. Notare le polarità del generatore e C2, serie di aiuto. Quindi, il raddrizzatore D1 vede un totale di 10 V al picco dell’onda sinusoidale, 5 V dal generatore e 5 V da C2. D1 conduce la forma d’onda v(1) (figura sotto), caricando C1 al picco dell’onda sinusoidale a 5 V CC (figura sotto v(2)). Forma d’onda v(2) è l’uscita del duplicatore, che si stabilizza a 10 V (8.6 V con gocce di diodi) dopo alcuni cicli di ingresso dell’onda sinusoidale.

*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 

duplicatore di Tensione: v(4) in ingresso. v (1) fase clamper. v (2) stadio raddrizzatore a semionda, che è l’uscita del duplicatore.

Duplicatore di tensione a onda intera

Il duplicatore di tensione a onda intera è composto da una coppia di raddrizzatori a semionda impilati in serie. (Figura sotto) La netlist corrispondente è nella Figura sotto.

Analisi di funzionamento del duplicatore di tensione a onda intera

Il raddrizzatore inferiore carica C1 sul mezzo ciclo negativo dell’ingresso. Il raddrizzatore superiore carica C2 sul mezzo ciclo positivo. Ogni condensatore assume una carica di 5 V (4,3 V considerando la caduta del diodo). L’uscita al nodo 5 è la serie totale di C1 + C2 o 10 V (8,6 V con gocce di diodi).

*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 

Full-wave duplicatore di tensione è costituito da due semi-onda raddrizzatori di funzionamento in alternanza di polarità.

Si noti che l’uscita v (5) Figura sotto raggiunge il valore completo entro un ciclo dell’escursione di ingresso v(2).

Duplicatore di tensione a onda intera: v(2)ingresso, v(3) tensione al punto medio, v (5) tensione all’uscita

Derivazione di doppiatori a onda intera da raddrizzatori a semionda

La figura seguente illustra la derivazione del doppiatore a onda intera da una coppia di raddrizzatori a semionda a polarità opposta (a). Il raddrizzatore negativo della coppia è ridisegnato per chiarezza (b). Entrambi sono combinati a (c) condividendo lo stesso terreno. A (d) il raddrizzatore negativo è ri-cablato per condividere una sorgente di tensione con il raddrizzatore positivo. Questo produce un ±5 V (4.3 V con diodo goccia) di alimentazione; anche se, 10 V è misurabile tra le due uscite. Il punto di riferimento del terreno viene spostato in modo che sia disponibile + 10 V rispetto al terreno.

Doppiatore a onda intera: (a) Coppia di doppiatori, (b) ridisegnati, (c) che condividono il terreno, (d) condividono la stessa sorgente di tensione. (e) spostare il punto di terra.

Tripler di tensione

Un tripler di tensione (Figura sotto) è costruito da una combinazione di un duplicatore e un raddrizzatore a mezza onda (C3, D3). Il raddrizzatore a semionda produce 5 V (4,3 V) al nodo 3. Il duplicatore fornisce altri 10 V (8,4 V) tra i nodi 2 e 3. per un totale di 15 V (12.9 V) al nodo di uscita 2 rispetto a terra. La netlist è in Figura sotto.

Tripler di tensione composto da duplicatore impilati in cima a un raddrizzatore a singolo stadio.

Si noti che V (3) nella figura seguente sale a 5 V (4,3 V) sul primo mezzo ciclo negativo. L’ingresso v (4) viene spostato verso l’alto di 5 V (4,3 V) a causa di 5 V dal raddrizzatore a semionda. E 5 V in più a v(1) a causa del clamper (C2, D2). D1 carica C1(forma d’onda v(2)) al valore di picco di 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 

Tensione di tripler: v(3) semionda raddrizzatore, v(4) ingresso+ 5 V, v(1) morsetto, v(2) output finale.

Quadrupler di tensione

Un quadrupler di tensione è una combinazione impilata di due doppiatori mostrati nella figura seguente. Ogni duplicatore fornisce 10 V (8,6 V) per un totale di serie al nodo 2 rispetto al terreno di 20 V (17,2 V)

La netlist è nella figura seguente.

Quadrupler di tensione, composto da due doppiatori impilati in serie, con uscita al nodo 2.

Le forme d’onda del quadruplo sono mostrate nella figura seguente. Sono disponibili due uscite CC: v (3), l’uscita del duplicatore e v(2) l’uscita del quadruplo. Alcune delle tensioni intermedie dei clamper mostrano che l’onda sinusoidale di ingresso (non mostrata), che oscilla di 5 V, viene successivamente bloccata a livelli più alti: a v(5), v(4) e v(1). Rigorosamente v (4) non è un’uscita clamper. È semplicemente la sorgente di tensione CA in serie con la v (3) l’uscita del duplicatore. 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. I parametri del circuito utilizzati negli esempi (V= 5 V 1 kHz, C = 1000 pf) non forniscono molta corrente, microampere. Inoltre, le resistenze di carico sono state omesse. Il caricamento riduce le tensioni rispetto a quelle mostrate. Se i circuiti devono essere guidati da una sorgente kHz a bassa tensione, come negli esempi, i condensatori sono solitamente da 0,1 a 1,0 µF in modo che milliampere di corrente siano disponibili all’uscita. Se i moltiplicatori sono guidati da 50/60 Hz, i condensatori sono da poche centinaia a poche migliaia di microfarad per fornire centinaia di milliampere di corrente di uscita. Se guidato dalla tensione di linea, prestare attenzione alla polarità e alla tensione nominale dei condensatori.

Infine, qualsiasi linea diretta guidato alimentazione (nessun trasformatore) è pericoloso per lo sperimentatore e linea azionato apparecchiature di prova. Le forniture dirette commerciali sono sicure perché i circuiti pericolosi si trovano in un involucro per proteggere l’utente. Quando si esegue il breadboarding di questi circuiti con condensatori elettrolitici di qualsiasi tensione, i condensatori esploderanno se la polarità è invertita. Tali circuiti dovrebbero essere alimentati dietro uno scudo di sicurezza.

Moltiplicatore di Cockcroft-Walton

Un moltiplicatore di tensione di doppiatori a semionda in cascata di lunghezza arbitraria è noto come moltiplicatore di Cockcroft-Walton come mostrato nella figura seguente. Questo moltiplicatore viene utilizzato quando è richiesta un’alta tensione a bassa corrente. Il vantaggio rispetto a un’alimentazione convenzionale è che non è richiesto un costoso trasformatore ad alta tensione, almeno non alto come l’uscita.

Moltiplicatore di tensione Cockcroft-Walton x8; uscita a v (8).

La coppia di diodi e condensatori a sinistra dei nodi 1 e 2 nella figura sopra costituisce un doppiatore a semionda. Ruotando i diodi di 45o in senso antiorario, e il condensatore inferiore di 90o fa sembrare la figura precedente (a). Quattro delle sezioni del duplicatore sono in cascata a destra per un fattore teorico di moltiplicazione x8. Il nodo 1 ha una forma d’onda clamper (non mostrata), un’onda sinusoidale spostata verso l’alto di 1x (5 V). Gli altri nodi dispari sono onde sinusoidali bloccate a tensioni successivamente più elevate. Il nodo 2, l’uscita del primo duplicatore, è una tensione CC 2x v (2) nella figura seguente. Successive pari nodi carica successivamente tensioni superiori: 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) delle forme d’onda. L’uscita è v (8).

Senza gocce di diodi, ogni duplicatore produce 2Vin o 10 V, considerando che due gocce di diodi (10-1, 4)=8.6 V è realistico. Per un totale di 4 doppiatori ci si aspetta 4 * 8.6 = 34.4 V su 40 V.

Consultando la figura sopra, v (2) è giusto; tuttavia, v (8) è <30 V invece del previsto 34.4 V. La rovina del moltiplicatore Cockcroft-Walton è che ogni fase aggiuntiva aggiunge meno rispetto allo stadio precedente. Pertanto, esiste un limite pratico al numero di fasi. È possibile superare questa limitazione con una modifica al circuito di base. Si noti inoltre la scala temporale di 40 msec rispetto a 5 ms per i circuiti precedenti. Ha richiesto 40 msec per le tensioni per salire a un valore terminale per questo circuito. La netlist nella figura sopra ha un “.tran 0.010 m 50 m ” comando per estendere il tempo di simulazione a 50 msec; tuttavia, vengono tracciati solo 40 msec.

Il moltiplicatore Cockcroft-Walton serve come sorgente ad alta tensione più efficiente per tubi fotomoltiplicatori che richiedono fino a 2000 V. Inoltre, il tubo ha numerosi dinodi, terminali che richiedono il collegamento ai nodi “pari” a bassa tensione. La serie di rubinetti moltiplicatori sostituisce un divisore di tensione resistivo che genera calore dei progetti precedenti.

Un moltiplicatore Cockcroft-Walton azionato da una linea CA fornisce alta tensione ai “generatori di ioni” per neutralizzare la carica elettrostatica e per i depuratori d’aria.

Moltiplicatore di tensione Recensione:

• Un moltiplicatore di tensione produce un multiplo CC (2,3,4, ecc.) della tensione di ingresso di picco CA.
• Il moltiplicatore di base è un doppiatore a semionda.
• Il doppio a onda intera è un circuito superiore come doppiatore.
• Un tripler è un doppiatore a semionda e uno stadio raddrizzatore convenzionale (rivelatore di picco).
• Un quadruplo è una coppia di doppiatori a semionda
• Una lunga serie di doppiatori a semionda è nota come moltiplicatore di Cockcroft-Walton.

FOGLI DI LAVORO CORRELATI:

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