Circuitos multiplicadores de tensão explicados

O dispositivo de circuito eletrônico que é usado para aumentar a tensão para uma ordem 2x carregando capacitores de uma tensão de entrada mais baixa é conhecido como dobrador de tensão.

A corrente de carga é comutada de tal maneira que, em qualquer situação ideal, a tensão produzida na saída seja exatamente duas vezes maior que a tensão na entrada.

Multiplicador de tensão mais simples usando diodos

A forma mais simples de circuito duplicador de tensão são um tipo de retificador que obtém a entrada na forma de tensão de corrente alternada (AC) e produz uma magnitude dupla de tensão (DC) como saída.

Diodos simples são usados ​​como elementos de comutação e uma entrada na forma de mera tensão alternada é usada para acionar esses diodos em um estado de comutação.

Um circuito de acionamento adicional é necessário para controlar a taxa de comutação no caso de duplicadores de tensão sendo usados ​​serem do tipo DC para DC, uma vez que eles não podem ser comutados da maneira acima.

Os circuitos conversores de tensão DC para DC na maioria das vezes requerem outro dispositivo adicional denominado elemento de comutação, que pode ser controlado de forma fácil e direta, como em um transistor.

Assim, quando ele usa o elemento de comutação, não precisa depender da tensão presente na chave, como é o caso em uma forma simples de CA para CC.

O duplicador de tensão é um tipo de circuito multiplicador de tensão. A maioria dos circuitos duplicadores de tensão, com poucas exceções, podem ser vistos na forma de um multiplicador de ordem superior em um único estágio. Além disso, uma quantidade maior de multiplicação de tensão é obtida quando existem estágios idênticos em cascata que estão sendo usados ​​juntos.

Circuito Villard

O circuito Villard tem uma composição simples que consiste em um diodo e um capacitor. Por um lado, onde o circuito Villard oferece benefícios em termos de simplicidade, por outro lado também é conhecido por produzir saídas com características de ondulação consideradas muito fracas.

Figura 1. Circuito de Villard

Essencialmente, o circuito Villard é uma forma de circuito de garra de diodo. Os ciclos altos negativos são usados ​​para carregar o capacitor até a tensão de pico CA (Vpk). A forma de onda AC como a entrada junto com a superposição DC estável do capacitor forma a saída.

O valor DC da forma de onda é alterado usando o efeito do circuito nele. Uma vez que o diodo fixa os picos negativos da forma de onda AC para o valor de 0V (em termos reais é –VF, que é a pequena tensão de polarização direta do diodo), os picos positivos da forma de onda de saída têm o valor de 2Vpk.

O pico a pico é difícil de suavizar, pois tem um tamanho enorme, com o valor de 2Vpk e, portanto, só pode ser suavizado quando o circuito é transformado em qualquer outra forma mais sofisticada de maneira eficaz.

A alta tensão negativa é fornecida ao magnetron usando este circuito (que consiste em um diodo na forma reversa) em um forno de microondas.

Circuito Greinacher

O dobrador de tensão Greinarcher provou ser melhor do que o circuito Villard, melhorando-se significativamente ao adicionar alguns componentes adicionais por um pequeno custo.

Sob a condição de carga de circuito aberto, a ondulação é encontrada para ser reduzida muito, na maioria das vezes para um estado de zero, mas a resistência da carga e o valor do capacitor que está sendo usado desempenham um papel importante e afetam o atual sendo desenhado.

Figura 2. Circuito Greinacher

O estágio da célula Villard é seguido pelo circuito para funcionar usando um estágio detector de envelope ou um detector de pico.

O efeito do detector de pico é tal que grande parte da ondulação é removida enquanto a saída da tensão de pico é preservada como tal.

Heinrich Greinacher foi a primeira pessoa a inventar este circuito em 1913 (que foi publicado em 1914) a fim de fornecer a voltagem de 200-300 V de que precisava para seu ionômetro, que foi novamente uma nova invenção dele.

A necessidade de inventar esse circuito para obter tanta voltagem surgiu porque a energia fornecida pelas usinas de Zurique era de apenas 110 Vca e, portanto, insuficiente.

Heinrich desenvolveu essa ideia mais em 1920 e estendeu-a para fazer uma cascata de multiplicadores. Na maioria das vezes, as pessoas referem-se a essa cascata de multiplicadores inventada por Heinrich Greinacher como uma cascata de Villard que é imprecisa e falsa.

Essa cascata de multiplicadores também é conhecida como Cockroft-Walton, em homenagem aos cientistas John Cockroft e Ernest Walton, que construíram a máquina aceleradora de partículas e redescobriram o circuito independentemente em 1932.

O uso de duas células Greinacher que têm polaridades opostas uma à outra, mas sendo conduzidas da mesma fonte CA, pode estender o conceito desse tipo de topologia a um circuito quádruplo de tensão.

As duas saídas individuais são usadas para reduzir a saída entre elas. O aterramento da entrada e saída simultaneamente neste circuito é quase impossível como é o caso de um circuito em ponte.

Circuito de Ponte

O tipo de topologia usado por um circuito Delon para duplicar a tensão é conhecido como topologia de ponte.

Um dos usos mais comuns desse tipo de circuito delon foi encontrado em aparelhos de televisão com tubo de raios catódicos. O circuito delon nesses aparelhos de televisão foi usado para fornecer o e.h.t. alimentação de tensão.

Figura 3. Quadrupler de tensão - duas células Greinacher de polaridades opostas

Existem muitos riscos e problemas de segurança associados à geração de tensões de mais de 5 kV, além de ser altamente antieconômico em um transformador, principalmente em equipamentos que são domésticos.

Mas um e.h.t. de 10kV é um requisito básico dos aparelhos de televisão que são preto e branco, enquanto os aparelhos de televisão em cores exigem ainda mais e.h.t.

Existem diferentes maneiras e meios pelos quais o e.h.t. de tais dimensões são alcançados, tais como: dobrar a tensão no transformador de rede dentro de um enrolamento e.h.t nele usando dobradores de tensão ou aplicando os dobradores de tensão à forma de onda nas bobinas flyback de linha.

Os dois detectores de pico que consistem em meia onda dentro de um circuito são funcionalmente semelhantes às células detectores de pico encontradas no circuito de Greinacher.

Os meios ciclos opostos entre si da forma de onda de entrada são usados ​​para operar cada uma das duas células de detecção de pico. A saída é sempre considerada o dobro da tensão de entrada de pico, uma vez que as saídas produzidas por eles estão em série.

Figura 4. Duplicador de tensão da ponte (Delon)

Circuitos com capacitores comutados

A tensão de uma fonte CC pode ser duplicada usando os circuitos diodo-capacitor que são simples o suficiente e foram descritos na seção acima precedendo o dobrador de tensão com o uso de um circuito chopper.

Portanto, isso é eficaz na conversão de CC em CA antes de passar pelo duplicador de tensão. Para obter e construir circuitos mais eficientes, os dispositivos de manobra são acionados por um relógio externo que é proficiente em funcionar tanto em termos de corte como de multiplicação e pode ser realizado em simultâneo.

Figura 5.

Dobrador de tensão do capacitor comutado obtido simplesmente comutando os capacitores carregados de paralelo para em série. Esses tipos de circuitos são conhecidos como circuitos de capacitores comutados.

As aplicações que são alimentadas por baixa tensão são as aplicações que usam especialmente esta abordagem, uma vez que os circuitos integrados têm um requisito de fornecimento de uma quantidade específica de tensão que é mais do que a bateria pode realmente fornecer ou produzir.

Na maioria dos casos, há sempre a disponibilidade de um sinal de relógio a bordo do circuito integrado e, portanto, isso torna desnecessário ter qualquer outro circuito adicional ou apenas um pequeno circuito é necessário para gerá-lo.

Assim, o diagrama da Figura 5 mostra esquematicamente a forma mais simples de configuração do capacitor chaveado. Neste diagrama, existem dois capacitores que foram carregados com a mesma tensão simultaneamente em paralelo.

Poste isso, os capacitores são colocados em série após desligar a alimentação. Assim, a tensão de saída produzida é o dobro da tensão de alimentação ou de entrada, caso a saída seja derivada dos dois capacitores em série.

Existem vários tipos diferentes de dispositivos de comutação que podem ser usados ​​em tais circuitos, mas os dispositivos MOSFET são os dispositivos de comutação usados ​​com mais frequência no caso de circuitos integrados.

Figura 6. Esquema do duplicador de tensão da bomba de carga

O diagrama da Figura 6 exibe esquematicamente um dos outros conceitos básicos da “Bomba de carga”. A tensão de entrada é usada para carregar primeiro o Cp, o capacitor da bomba de carga.

Depois disso, o capacitor de saída, C0, é carregado alternando-se em série com a tensão de entrada, o que resulta no carregamento do C0 com o dobro da tensão de entrada. Para carregar o C0 totalmente com êxito, pode ser necessário que a bomba de carga leve muitos ciclos.

Mas uma vez que um estado estacionário tenha sido adquirido, a única coisa essencial para o capacitor da bomba de carga, Cp, é bombear a carga em pequenas quantidades, o que é equivalente à carga fornecida pelo capacitor de saída, C0 para a carga.

Uma ondulação é formada na tensão de saída quando C0 é descarregado parcialmente na carga enquanto está sendo desconectado da bomba de carga. Esta ondulação formada neste processo tem a característica de menor tempo de descarga e fácil de ser filtrada e, portanto, essas características os tornam menores para frequências para frequências de clock mais altas.

Assim, para qualquer ondulação específica, os capacitores podem ser menores. A quantidade máxima de frequência de clock para todos os fins práticos nos circuitos integrados normalmente cai na faixa de centenas de kHz.

Bomba de carga Dickson

A bomba de carga de Dickson, também conhecida como multiplicador de Dickson, consiste em uma cascata de células de diodo / capacitor onde um trem de pulso de clock aciona a placa inferior de cada um dos capacitores.

O circuito é considerado uma modificação do multiplicador Cockcroft-Walton, mas com a única exceção de o sinal de comutação ser fornecido pela entrada DC com trens de clock em vez de uma entrada AC, como é o caso do multiplicador Cockcroft-Walton.

O requisito básico de um multiplicador de Dickson é que os pulsos do relógio das fases opostas entre si devem conduzir as células alternadas. Mas, no caso de um dobrador de tensão, representado na Figura 7, apenas um único sinal de clock é necessário, pois há apenas um estágio de multiplicação.

Figura 7. Dobrador de voltagem da bomba de carga Dickson

Os circuitos em que os multiplicadores de Dickson são usados ​​principalmente e freqüentemente são os circuitos integrados onde a tensão de alimentação, como de qualquer bateria, é menor do que o exigido pelo circuito.

O fato de todos os semicondutores usados ​​aqui serem basicamente semelhantes atua como uma vantagem para os fabricantes do circuito integrado.

O bloco lógico padrão mais comumente encontrado e usado em vários circuitos integrados são os dispositivos MOSFET.

Essa é uma das razões pelas quais os diodos são muitas vezes substituídos por transistores desse tipo, mas também são ligados a uma função na forma de um diodo.

Esse arranjo também é conhecido como MOSFET com fio de diodo. O diagrama na Figura 8 mostra um dobrador de tensão Dickson usando este tipo de dispositivos MOSFET do tipo de aprimoramento de canal n com fio de diodo.

Figura 8. Dobrador de voltagem Dickson usando MOSFETs com fio de diodo

A forma básica da bomba de carga Dickson passou por muitas melhorias e variações. A maioria dessas melhorias está na área da redução do efeito produzido pela tensão da fonte de dreno do transistor. Esta melhoria é considerada significativa caso a tensão de entrada seja pequena como no caso de uma bateria de baixa tensão.

A tensão de saída é sempre um múltiplo integral da tensão de entrada (duas vezes no caso de um dobrador de tensão) quando os elementos de comutação ideais são usados.

Mas no caso em que uma bateria de célula única é usada como fonte de entrada junto com os interruptores MOSFET, a saída em tais casos é muito menor do que este valor porque haverá uma queda na tensão entre os transistores.

Devido à queda extremamente baixa na tensão no estado ligado de um circuito que usa componentes discretos, o diodo Schottky é considerado uma boa escolha como um elemento de comutação.

Mas os projetistas de circuitos integrados preferem principalmente o uso do MOSFET, pois é mais facilmente disponível, o que mais do que compensa a presença de inadequações e alta complexidade no circuito que está presente nos dispositivos MOSFET.

Para ilustrar isso, tomemos um exemplo: uma tensão nominal da ordem de 1,5 V está presente em uma bateria alcalina.

A saída pode ser dobrada para 3,0 V usando um dobrador de tensão junto com elementos de comutação ideais que têm uma queda de tensão de zero.

Mas a queda de tensão do MOSFET com fio de diodo da fonte de drenagem quando está no estado de ligado deve ser no mínimo igual à tensão de limiar da porta que está normalmente na ordem de 0,9V.

A tensão de saída pode ser aumentada pelo dobrador de tensão com sucesso apenas em aproximadamente 0,6 V a 2,1 V.

O aumento da tensão pelo circuito não pode ser alcançado sem o uso de vários estágios, caso a queda no transistor de suavização final também seja considerada e levada em consideração.

Por outro lado, a tensão no palco de um diodo Schottky típico é de 0,3 V. a tensão de saída produzida por um dobrador de tensão estará na faixa de 2,7 V se ele usar o diodo Schottky, ou 2,4 V se ele usar o diodo de suavização.

Capacitores comutados com acoplamento cruzado

Os circuitos de capacitores comutados de acoplamento cruzado são conhecidos por sua tensão de entrada ser muito baixa. Uma bateria unicelular pode ser necessária em equipamentos que são movidos por bateria sem fio, como pagers e dispositivos Bluetooth, a fim de fornecer energia continuamente quando descarregada para menos de um volt.

Figura 9. Dobrador de tensão de capacitor chaveado cruzado

O transistor Q2 é desligado caso o clock esteja baixo. Ao mesmo tempo, o transistor Q1 é ligado se o clock estiver alto e isso resulta no carregamento do capacitor C1 para a tensão Vn. a placa superior de C1 é empurrada para cima para o dobro de Vin no caso de Ø1 subir.

Para permitir que esta tensão apareça como uma saída, a chave S1 fecha ao mesmo tempo. Além disso, ao mesmo tempo, C2 pode carregar ligando o Q2.

Os papéis dos componentes são invertidos no próximo meio ciclo: Ø1 será baixo, S1 será aberto, Ø2 será alto e S2 será fechado.

Assim, alternativamente de cada lado do circuito, a tensão de saída é fornecida com 2Vin. a perda incorrida neste circuito é baixa, uma vez que há uma falta de MOSFETs com fio de diodo e os problemas de tensão de limiar associados a ele.

Uma das outras vantagens do circuito é que ele dobra a frequência de ondulação, uma vez que há dois dobradores de tensão presentes que fornecem a saída efetivamente dos relógios de fase.

A desvantagem básica desse circuito é que as capacitâncias parasitas do multiplicador Dickinson são consideradas muito menos significativas do que a desse circuito e, portanto, são responsáveis ​​pela maioria das perdas incorridas neste circuito.

Cortesia: https://en.wikipedia.org/wiki/Voltage_doubler