شرح دارات مضاعف الجهد

يُعرف جهاز الدائرة الإلكترونية المستخدم لتصعيد الجهد إلى ترتيب 2x عن طريق شحن المكثفات من جهد دخل منخفض باسم مضاعف الجهد.

يتم تبديل تيار الشحن بطريقة بحيث أنه في أي حالة مثالية ، يكون الجهد الناتج عند الخرج ضعف الجهد عند الإدخال بالضبط.

أبسط مضاعف الجهد باستخدام الثنائيات

أبسط شكل من أشكال دائرة مضاعف الجهد هي نوع من المقومات التي تأخذ المدخلات على شكل جهد التيار المتردد (AC) وتنتج مقدارًا مزدوجًا من الجهد (DC) كإخراج.

تستخدم الثنائيات البسيطة كعناصر تبديل ويتم استخدام مدخلات في شكل جهد متناوب فقط لدفع هذه الثنائيات في حالة تبديل.

يلزم وجود دائرة قيادة إضافية من أجل التحكم في معدل التبديل في حالة استخدام مضاعفات الجهد من نوع DC إلى DC حيث لا يمكن تبديلها بالطريقة المذكورة أعلاه.

تتطلب دارات تحويل الجهد من DC إلى DC في معظم الأحيان جهازًا إضافيًا آخر يسمى عنصر التبديل والذي يمكن التحكم فيه بسهولة وبشكل مباشر كما هو الحال في الترانزستور.

وبالتالي ، عندما تستخدم عنصر التبديل ، لا يتعين عليها الاعتماد على الجهد الموجود عبر المفتاح كما هو الحال في شكل بسيط من التيار المتردد إلى التيار المستمر.

مضاعف الجهد هو نوع من دائرة مضاعف الجهد. يمكن عرض معظم دوائر مضاعف الجهد مع استثناءات قليلة في شكل مضاعف ترتيب أعلى في مرحلة واحدة. أيضًا ، يتم تحقيق قدر أكبر من مضاعفة الجهد عندما تكون هناك مراحل متطابقة متتالية يتم استخدامها معًا.

حلبة فيلارد

تحتوي دائرة فيلارد على تركيبة بسيطة تتكون من صمام ثنائي ومكثف. من ناحية ، حيث توفر دارة فيلارد فائدة من حيث البساطة ، ومن ناحية أخرى ، من المعروف أيضًا أنها تنتج مخرجات ذات خصائص تموج تعتبر ضعيفة للغاية.

الشكل 1. فيلارد الدائرة

في الأساس ، دائرة فيلارد هي شكل من أشكال دائرة المشبك الثنائي. تستخدم الدورات العالية السلبية لشحن المكثف إلى جهد ذروة التيار المتردد (Vpk). شكل موجة التيار المتردد كمدخل إلى جانب تراكب التيار المستمر للمكثف يشكل الناتج.

يتم إزاحة قيمة DC لشكل الموجة باستخدام تأثير الدائرة عليه. نظرًا لأن الصمام الثنائي يثبت القمم السلبية لشكل موجة التيار المتردد مع قيمة 0V (من الناحية الفعلية هو –VF ، وهو جهد انحياز أمامي صغير للديود) ، فإن القمم الموجبة للإخراج تكون بقيمة 2Vpk.

من الصعب تنعيم الذروة إلى الذروة نظرًا لأنها ذات حجم هائل بقيمة 2Vpk وبالتالي لا يمكن تنعيمها إلا عندما يتم تحويل الدائرة إلى أي أشكال أخرى أكثر تعقيدًا بطريقة فعالة.

يتم توفير الجهد العالي السالب للمغنطرون باستخدام هذه الدائرة (التي تتكون من الصمام الثنائي بشكل عكسي) في فرن الميكروويف.

حلبة جرينشر

أثبت مضاعف الجهد Greinarcher أنه أفضل من دائرة Villard من خلال تحسين نفسه بشكل كبير عن طريق إضافة بعض المكونات الإضافية بتكلفة صغيرة.

في ظل حالة حمل الدائرة المفتوحة ، وجد أن التموج ينخفض ​​كثيرًا ، في معظم الأحيان إلى حالة الصفر ، لكن مقاومة الحمل وقيمة المكثف المستخدم يلعبان دورًا مهمًا ويؤثران على يجري رسمها الحالية.

الشكل 2. حلبة جرينشر

تتبع مرحلة خلية فيلارد الدائرة من أجل العمل باستخدام مرحلة كاشف المغلف أو كاشف الذروة.

إن تأثير كاشف الذروة هو أنه يتم إزالة الكثير من التموج بينما يتم الحفاظ على خرج ذروة الجهد على هذا النحو.

كان هاينريش جرينشر أول شخص اخترع هذه الدائرة في عام 1913 (التي تم نشرها في عام 1914) من أجل توفير الجهد من 200 إلى 300 فولت الذي كان يحتاجه لمقياس الأيون الخاص به والذي كان مرة أخرى اختراعًا جديدًا له.

نشأ شرط اختراع هذه الدائرة للحصول على هذا القدر من الجهد لأن الطاقة التي توفرها محطات توليد الطاقة في زيورخ كانت 110 فولت فقط ، وبالتالي لم تكن كافية.

طور هاينريش هذه الفكرة أكثر في عام 1920 وقام بتوسيعها لعمل سلسلة من المضاعفات. في معظم الأوقات ، يشير الناس إلى سلسلة المضاعفات التي اخترعها هاينريش جرينشر على أنها سلسلة فيلارد غير دقيقة وغير صحيحة.

تُعرف سلسلة المضاعفات هذه أيضًا باسم Cockroft-Walton على اسم العالمين John Cockroft و Ernest Walton اللذان قاما ببناء آلة معجل الجسيمات وأعادا اكتشاف الدائرة بشكل مستقل في عام 1932.

يمكن أن يؤدي استخدام خليتين من خلايا Greinacher التي لها أقطاب متقابلة مع بعضها البعض ولكن يتم دفعها من نفس مصدر التيار المتردد إلى توسيع مفهوم هذا النوع من الطوبولوجيا إلى دائرة رباعية الجهد.

يتم استخدام المخرجين الفرديين من أجل إنزال المخرجات عبرهما. إن تأريض المدخلات والمخرجات في وقت واحد في هذه الدائرة مستحيل تمامًا كما هو الحال مع دائرة الجسر.

حلبة الجسر

يُعرف نوع الهيكل الذي تستخدمه دائرة Delon من أجل مضاعفة الجهد باسم طوبولوجيا الجسر.

تم العثور على أحد الاستخدامات الشائعة لهذا النوع من دوائر delon في أجهزة التلفزيون مع أنبوب أشعة الكاثود. تم استخدام دائرة delon في أجهزة التلفزيون هذه من أجل توفير e.h.t. امدادات الجهد.

الشكل 3: رباعي الجهد - خليتان من Greinacher ذات أقطاب متقابلة

هناك العديد من المخاطر والمشكلات المتعلقة بالسلامة المرتبطة بتوليد الفولتية التي تزيد عن 5 كيلوفولت إلى جانب كونها غير اقتصادية للغاية في المحولات في الغالب في المعدات التي هي معدات منزلية.

لكن e.h.t. 10 كيلو فولت هو مطلب أساسي لأجهزة التلفزيون باللونين الأسود والأبيض بينما تتطلب أجهزة التلفزيون الملون المزيد من e.h.t.

هناك طرق ووسائل مختلفة يستخدمها e.h.t. من هذه الأبعاد يتم تحقيقها مثل: مضاعفة الجهد على محول التيار الكهربائي داخل ملف e.h.t عليه باستخدام مضاعفات الجهد أو عن طريق تطبيق مضاعفات الجهد على شكل الموجة على ملفات flyback الخطية.

يتشابه كاشفان الذروة المكونان من نصف موجة داخل الدائرة من الناحية الوظيفية مع خلايا كاشف الذروة الموجودة في دائرة جرينشر.

يتم استخدام نصف الدورات المعاكسة لبعضها البعض في شكل الموجة الواردة للتشغيل بواسطة كل خلية من خليتي الكشف الذروة. تم العثور دائمًا على المخرجات على أنها ضعف جهد إدخال الذروة نظرًا لأن المخرجات التي تنتجها في سلسلة.

الشكل 4. جسر (ديلون) مضاعف الجهد

دوائر مكثف مبدلة

يمكن مضاعفة الجهد لمصدر التيار المستمر باستخدام دارات مكثف الصمام الثنائي التي هي بسيطة بما فيه الكفاية والتي تم وصفها في القسم أعلاه من خلال مسبقة مضاعف الجهد باستخدام دائرة المروحية.

وبالتالي ، يكون هذا فعالًا في تحويل التيار المستمر إلى التيار المتردد قبل أن يمر عبر مضاعف الجهد. من أجل الحصول على دوائر أكثر كفاءة وبناؤها ، يتم تشغيل أجهزة التبديل من ساعة خارجية بارعة في العمل من حيث التقطيع والضرب ويمكن تحقيقها على أساس متزامن.

الشكل 5.

يتم تحقيق مضاعف جهد المكثف المحول ببساطة عن طريق تبديل المكثفات المشحونة من التوازي إلى السلسلة ، تُعرف هذه الأنواع من الدوائر باسم دوائر المكثف المبدلة.

التطبيقات التي يتم تشغيلها بجهد منخفض هي التطبيقات التي تستخدم هذا النهج بشكل خاص لأن الدوائر المتكاملة تتطلب إمدادًا بكمية محددة من الجهد أكبر مما يمكن للبطارية تقديمه أو إنتاجه بالفعل.

في معظم الحالات ، هناك دائمًا توفر إشارة على مدار الساعة على لوحة الدائرة المتكاملة ، وبالتالي فإن هذا يجعل من غير الضروري وجود أي دوائر إضافية أخرى أو هناك حاجة إلى دوائر قليلة فقط لتوليدها.

وهكذا ، فإن الرسم البياني في الشكل 5 يعرض بشكل تخطيطي أبسط أشكال تكوين المكثف المحول. في هذا الشكل ، يوجد مكثفان مشحون بنفس الجهد في نفس الوقت بالتوازي.

بعد أن يتم تحويل هذه المكثفات إلى سلسلة بعد إيقاف تشغيل العرض. وبالتالي ، فإن جهد الخرج الناتج هو ضعف جهد العرض أو الإدخال في حالة اشتقاق الإخراج من المكثفين المتسلسلين.

هناك أنواع مختلفة من أجهزة التحويل التي يمكن استخدامها في مثل هذه الدوائر ، لكن أجهزة MOSFET هي أجهزة التحويل الأكثر استخدامًا في حالة الدوائر المتكاملة.

الشكل 6. مخطط مضاعف جهد مضخة الشحن

يعرض الرسم البياني في الشكل 6 بشكل تخطيطي أحد المفاهيم الأساسية الأخرى 'لمضخة الشحن'. يتم استخدام جهد الدخل لشحن Cp أولاً ، وهو مكثف مضخة الشحن.

بعد ذلك ، يتم شحن مكثف الخرج ، C0 عن طريق التبديل في سلسلة مع جهد الدخل الذي ينتج عنه شحن C0 بمقدار ضعف مقدار جهد الدخل. من أجل شحن C0 بالكامل بنجاح ، قد تكون مضخة الشحن مطلوبة لأخذ العديد من الدورات.

ولكن بمجرد الحصول على حالة مستقرة ، فإن الشيء الأساسي الوحيد لمكثف مضخة الشحن ، Cp هو ضخ الشحنة بكميات صغيرة وهو ما يعادل الشحنة التي يتم توفيرها من مكثف الخرج ، C0 إلى الحمل.

يتم تكوين تموج على جهد الخرج عندما يتم تفريغ C0 جزئيًا في الحمل أثناء فصله عن مضخة الشحن. هذا التموج المتشكل في هذه العملية يتميز بوقت تفريغ أقصر ويسهل تصفيته ، وبالتالي تجعل هذه الخصائص أصغر بالنسبة للترددات الأعلى على مدار الساعة.

وبالتالي ، لأي تموج معين ، يمكن تصغير المكثفات. يقع الحد الأقصى لمقدار تردد الساعة لجميع الأغراض العملية في الدوائر المتكاملة عادةً في نطاق مئات كيلو هرتز.

مضخة شحن ديكسون

تتكون مضخة شحن ديكسون ، المعروفة أيضًا باسم مضاعف ديكسون ، من سلسلة من خلايا الصمام الثنائي / المكثف حيث يقود قطار النبض على مدار الساعة اللوحة السفلية لكل مكثف.

تعتبر الدائرة بمثابة تعديل لمضاعف Cockcroft-Walton ولكن مع الاستثناء الوحيد لإشارة التبديل التي يتم توفيرها بواسطة إدخال التيار المستمر مع قطارات الساعة بدلاً من إدخال التيار المتردد كما هو الحال مع مضاعف Cockcroft-Walton.

الشرط الأساسي لمضاعف ديكسون هو أن نبضات الساعة من الأطوار المعاكسة لبعضها البعض يجب أن تدفع الخلايا البديلة. ولكن ، في حالة مضاعف الجهد ، الموضح في الشكل 7 ، لا يلزم سوى إشارة ساعة واحدة نظرًا لوجود مرحلة واحدة فقط من الضرب.

الشكل 7. مضاعف جهد مضخة شحن ديكسون

الدوائر التي تستخدم فيها مضاعفات ديكسون في الغالب ويتم استخدامها بشكل متكرر هي الدوائر المتكاملة حيث يكون جهد الإمداد مثل أي بطارية أقل مما تتطلبه الدوائر.

حقيقة أن جميع أشباه الموصلات المستخدمة في هذا متشابهة في الأساس تعمل كميزة لمصنعي الدائرة المتكاملة.

الكتلة المنطقية القياسية الأكثر شيوعًا في العثور عليها واستخدامها في العديد من الدوائر المتكاملة هي أجهزة MOSFET.

هذا هو أحد أسباب استبدال الثنائيات مرات عديدة بترانزستور من هذا النوع ، ولكنها أيضًا موصولة بوظيفة في شكل الصمام الثنائي.

يُعرف هذا الترتيب أيضًا باسم MOSFET المزود بأسلاك ديود. يصور الرسم البياني في الشكل 8 مضاعف جهد Dickson باستخدام هذا النوع من أجهزة MOSFET من نوع تحسين القنوات ذات الأسلاك ثنائية الصمام.

الشكل 8. مضاعف الجهد ديكسون باستخدام الدوائر المتكاملة ذات الصمام الثنائي

لقد خضع الشكل الأساسي لمضخة شحن Dickson للكثير من التحسينات والاختلافات. معظم هذه التحسينات في مجال تقليل التأثير الناتج عن جهد مصدر استنزاف الترانزستور. يعتبر هذا التحسن مهمًا في حالة انخفاض جهد الدخل كما هو الحال في حالة البطارية ذات الجهد المنخفض.

دائمًا ما يكون جهد الخرج مضاعفًا متكاملًا لجهد الدخل (مرتين في حالة مضاعف الجهد) عند استخدام عناصر التبديل المثالية.

ولكن في حالة استخدام بطارية أحادية الخلية كمصدر إدخال جنبًا إلى جنب مع مفاتيح MOSFET ، يكون الناتج في مثل هذه الحالات أقل بكثير من هذه القيمة لأنه سيكون هناك انخفاض في الجهد عبر الترانزستورات.

نظرًا للانخفاض الشديد في الجهد في حالة تشغيل الدائرة التي تستخدم مكونات منفصلة ، يُعتبر الصمام الثنائي Schottky اختيارًا جيدًا كعنصر تبديل.

لكن مصممي الدوائر المتكاملة يفضلون في الغالب استخدام MOSFET لأنه متاح بسهولة أكبر مما يعوض وجود أوجه القصور والتعقيد العالي في الدائرة الموجودة في أجهزة MOSFET.

لتوضيح ذلك ، دعنا نأخذ مثالاً: يوجد جهد اسمي لحن 1.5 فولت في بطارية قلوية.

يمكن مضاعفة الناتج في هذا إلى 3.0V باستخدام مضاعف الجهد إلى جانب عناصر التبديل المثالية التي يكون انخفاض الجهد فيها صفرًا.

ولكن يجب أن يكون انخفاض الجهد الكهربائي لمصدر التصريف الخاص بـ MOSFET الموصلة بأسلاك الصمام الثنائي عندما يكون في حالة التشغيل عند الحد الأدنى مساويًا لجهد عتبة البوابة الذي يكون عادةً في تناغم 0.9 فولت.

يمكن رفع جهد الخرج بواسطة مضاعف الجهد بنجاح فقط بحوالي 0.6V إلى 2.1V.

لا يمكن تحقيق الزيادة في الجهد بواسطة الدائرة بدون استخدام مراحل متعددة في حالة أخذ الانخفاض عبر ترانزستور التنعيم النهائي في الاعتبار أيضًا.

من ناحية أخرى ، فإن الجهد على المسرح لصمام ثنائي شوتكي النموذجي هو 0.3 فولت.سوف يكون جهد الخرج الناتج عن مضاعف الجهد في نطاق 2.7 فولت إذا كان يستخدم الصمام الثنائي شوتكي ، أو 2.4 فولت إذا كان يستخدم الصمام الثنائي المنعم.

المكثفات التبادلية المتقاطعة

تُعرف دوائر المكثف المتشابكة بالتبديل بجهد الدخل المنخفض جدًا. يمكن أن تكون هناك حاجة إلى بطارية أحادية الخلية في المعدات التي يتم تشغيلها بواسطة بطارية لاسلكية مثل أجهزة الاستدعاء وأجهزة البلوتوث من أجل توفير الطاقة بشكل مستمر عندما يتم تفريغها إلى أقل من فولت.

الشكل 9. مضاعف الجهد مضاعف بتبديل عبر اقتران

يتم إيقاف تشغيل الترانزستور Q2 في حالة انخفاض الساعة. في نفس الوقت ، يتم تشغيل الترانزستور Q1 إذا كانت الساعة عالية وهذا يؤدي إلى شحن المكثف C1 إلى الجهد Vn. يتم دفع اللوحة العلوية لـ C1 لأعلى لمضاعفة Vin في حالة ارتفاع Ø1.

من أجل تمكين ظهور هذا الجهد كمخرج ، يتم إغلاق المفتاح S1 في نفس الوقت. أيضًا ، في نفس الوقت يُسمح لـ C2 بالشحن عن طريق تشغيل Q2.

يتم عكس أدوار المكونات في نصف الدورة التالية: سيكون Ø1 منخفضًا ، وسيفتح S1 ، وسيكون Ø2 مرتفعًا ، وسيتم إغلاق S2.

وبالتالي ، بدلاً من ذلك ، من كل جانب من الدائرة ، يتم تزويد جهد الخرج بـ 2Vin. تكون الخسارة المتكبدة في هذه الدائرة منخفضة نظرًا لوجود نقص في MOSFETs الموصلة بأسلاك الصمام الثنائي ومشاكل الجهد العتبة المرتبطة بها.

تتمثل إحدى المزايا الأخرى للدائرة في أنها تضاعف تردد التموج نظرًا لوجود اثنين من مضاعفات الجهد التي توفر الإخراج بشكل فعال من ساعات الطور.

العيب الأساسي لهذه الدائرة هو أن السعات الشاردة لمضاعف ديكنسون وُجد أنها أقل أهمية بكثير من هذه الدائرة ، وبالتالي فهي مسؤولة عن معظم الخسائر التي يتم تكبدها في هذه الدائرة.

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