Multiplicatorul de tensiune este un tip de circuit redresor cu diode care poate produce o tensiune de ieșire de mai multe ori mai mare decât a tensiunii de intrare aplicată.

În tutorialul despre Redresoare, am văzut că tensiunea de ieșire DC care este controlată de redresor este la o valoare sub cea a tensiunii de intrare a rețelei. Multiplicatorul de tensiune, totuși, este un tip special de circuit redresor cu diode, care poate eventual produce o tensiune de ieșire de multe ori mai mare decât tensiunea de intrare aplicată.

Deși este obișnuit ca circuitele electronice să utilizeze un transformator de tensiune pentru a crește o tensiune, uneori un transformator ridicător adecvat sau un transformator izolat special necesar pentru aplicații de înaltă tensiune ar putea să nu fie întotdeauna disponibil. O abordare alternativă este utilizarea unui circuit de multiplicare a tensiunii cu diode care mărește sau "ridică" tensiunea fără utilizarea unui transformator.

Multiplicatoarele de tensiune sunt similare în multe privințe cu redresoarele prin faptul că convertesc tensiunile AC la DC pentru utilizarea în multe aplicații electrice și electronice, cum ar fi cuptoare cu microunde, bobine cu câmp electric puternic pentru tuburi catodice, echipamente de testare electrostatice și de înaltă tensiune, etc, unde este necesară o tensiune DC foarte ridicată generată de o sursă relativ scăzută de curent alternativ.

În general, tensiunea de ieșire DC (V DC) a unui circuit redresor este limitată de valoarea de vârf a tensiunii sinusoidale de intrare. Dar, folosind combinații de diode redresoare și condensatoare împreună, putem multiplica efectiv această tensiune de vârf de intrare pentru a da o ieșire DC egală cu unii multipli pari sau impari ale valorii tensiunii de vârf a tensiunii de intrare AC. Luați în considerare circuitul multiplicator de tensiune de bază de mai jos.

Multiplicator de tensiune dublă-alternanță

Circuitul de mai sus prezintă un circuit multiplicator de tensiune simetric, compus din două circuite redresoare mono-alternanță. Prin adăugarea unei a doua diode și a unui condensator la ieșirea unui redresor standard mono-alternanță, putem crește tensiunea de ieșire cu o valoare stabilită. Acest tip de configurație de multiplicare a tensiunii este cunoscut ca un multiplicator serie Full Wave, deoarece una dintre diode conduce în fiecare alternanță, la fel ca și pentru un circuit redresor bi-alternanță.

Când tensiunea de intrare sinusoidală este pozitivă, condensatorul C1 se încarcă prin dioda D1 și când tensiunea sinusoidală este negativă, condensatorul C2 se încarcă prin dioda D2. Tensiunea de ieșire 2VIN este preluată de pe cele două condensatoare conectate în serie.

Tensiunea produsă de un circuit de multiplicare a tensiunii este teoretic nelimitată, dar datorită reglării relativ slabe a tensiunii și a capacității de curent scăzut, în general sunt proiectate să mărească tensiunea cu un factor mai mic de zece. Totuși, dacă sunt proiectate corect în jurul unui transformator potrivit, circuitele de multiplicare a tensiunii sunt capabile să producă tensiuni de ieșire în intervalul de câteva sute până la zeci de mii de volți, în funcție de valoarea inițială a tensiunii de intrare, dar toate cu curenți slabi în gama miliamperi.

Dublor de tensiune

După cum sugerează și numele, un dublor de tensiune este un circuit de multiplicare a tensiunii care are un factor de multiplicare a tensiunii cu doi. Circuitul constă doar din două diode, două condensatoare și o tensiune de intrare AC oscilantă (ar putea fi utilizată și o formă de undă PWM). Acest circuit simplu pompă diodă-condensator dă o tensiune de ieșire DC egală cu valoarea vârf-vârf a intrării sinusoidale. Cu alte cuvinte, dublează valoarea tensiunii de vârf, deoarece diodele și condensatoarele funcționează împreună pentru a dubla efectiv tensiunea.

Circuit de dublare a tensiunii DC

Deci, cum funcționează. Circuitul arată un dublor de tensiune monoalternanță. În timpul alternanței negative a formei de undă sinusoidale, dioda D1 este polarizată direct și conduce încărcând condensatorul pompă C1 la valoarea de vârf a tensiunii de intrare (Vp). Deoarece nu există cale de întoarcere pentru descărcarea condensatorului C1, el rămâne încărcat complet acționând ca dispozitiv de stocare în serie cu tensiune de alimentare.

În timpul alternanței pozitive, dioda D1 este polarizată invers blocând descărcarea lui C1 în timp ce dioda D2 este polarizată direct încărcând condensatorul C2. Dar deoarece există o tensiune pe condensatorul C1 deja egală cu tensiunea de intrare de vârf, condensatorul C2 se încarcă la valoarea dublă a tensiunii de vârf a semnalului de intrare.

Cu alte cuvinte, V (vârf pozitiv) + V (vârf negativ), deci pe alternanța negativă, D1 încarcă C1 la Vp, iar pe alternanța pozitivă D2 adaugă tensiunea de vârf AC la Vp pe C1 și transferă tot la C2. Tensiunea pe condensatorul C2 se descarcă prin sarcină, pregătită pentru următoarea jumătate a ciclului.

Atunci, tensiunea pe condensatorul C2 poate fi calculată ca: Vout = 2Vp, (minus, desigur, căderea de tensiune pe diodele utilizate) unde Vp este valoarea de vârf a tensiunii de intrare. Rețineți că această tensiune dublă de ieșire nu este instantanee, dar crește lent pe fiecare ciclu de intrare, eventual ajungând la 2Vp.

Deoarece condensatorul C2 se încarcă numai în timpul unei alternanțe a formei de undă de intrare, tensiunea de ieșire rezultată descărcată în sarcină are o frecvență de riplu egală cu frecvența de alimentare, de unde numele de dublor de tensiune a unei alternanțe. Dezavantajul acestui lucru este că poate fi dificil să se netezească această frecvență mare de riplu în același mod ca și în cazul unui circuit redresor mono-alternanță. De asemenea, condensatorul C2 trebuie să aibă o tensiune nominală DC de cel puțin două ori valoarea tensiunii de intrare de vârf.

Avantajul "Circuitelor de multiplicare a tensiunii" este acela că permite crearea de tensiuni mai mari dintr-o sursă de tensiune joasă fără a fi nevoie de un transformator scump de înaltă tensiune, deoarece circuitul de dublare a tensiunii face posibilă utilizarea unui transformator cu un raport de creștere mai mic decât ar fi nevoie dacă s-ar folosi o sursă obișnuită bi-alternanță. Totuși, în timp ce multiplicatorii de tensiune pot crește tensiunea, ei pot furniza doar curenți slabi la o sarcină de rezistență ridicată (+ 100 kΩ), deoarece tensiunea de ieșire generată scade rapid, pe măsură ce crește curentul de sarcină.

Prin inversarea direcției diodelor și a condensatoarelor în circuit, putem inversa și direcția tensiunii de ieșire, generând o ieșire negativă a tensiunii. De asemenea, dacă am conectat ieșirea unui circuit multiplicator la intrarea unui alt circuit (cascadă), putem continua să creștem tensiunea de ieșire DC în etape întregi pentru a produce triplori de tensiune sau circuite de cvadruploare de tensiune etc., așa cum se arată.

Circuit de triplare a tensiunii DC

Prin adăugarea unui etaj suplimentar de diodă-condensator la circuitul de dublu de tensiune monoalternanță de mai sus, putem crea un alt circuit de multiplicare a tensiunii care crește tensiunea de intrare cu un factor de trei și produce ceea ce se numește Circuit triplor de tensiune.

Un "circuit triplor de tensiune" constă dintr-un etaj și jumătate de dublor de tensiune. Acest circuit de multiplicare a tensiunii oferă o ieșire DC egală cu de trei ori valoarea tensiunii de vârf (3Vp) a semnalului de intrare sinusoidal. Ca și în cazul dublorului de tensiune anterior, diodele din circuitul triplor de tensiune încarcă și blochează descărcarea condensatoarelor în funcție de direcția alternanței de intrare. Atunci, 1Vp este căzută pe C3 și 2Vp pe C2 și, deoarece cele două condensatoare sunt în serie, acest lucru are ca rezultat că sarcina vede o tensiune echivalentă cu 3Vp.

Rețineți că tensiunea reală de ieșire va fi de trei ori tensiunea maximă de intrare minus căderea de tensiune pe diodele utilizate, 3Vp-V(dioda).

Dacă se poate realiza un circuit triplor de tensiune prin legarea împreună a unui multiplicator de tensiune și jumătate, atunci poate fi construit un Circuit Quadruplu de tensiune prin legarea împreună a două circuite de dublare de tensiune completă, așa cum se arată.

Circuitul Quadruplor de tensiune DC

Primul etaj de multiplicare a tensiunii dublează tensiunea de vârf de intrare, iar al doilea etaj o dublează din nou, dând o ieșire DC egală cu de patru ori valoarea de tensiune de vârf (4Vp) a semnalului de intrare sinusoidal. De asemenea, utilizarea condensatoarelor cu valoare mare va ajuta la reducerea tensiunii de riplu.

Rezumat Multiplicator de tensiune

Am văzut că multiplicatorii de tensiune sunt simple circuite realizate din diode și condensatoare care pot crește tensiunea de intrare de două, trei sau patru ori prin legare împreună a jumătate de etaje sau întregi de multiplicatori individuali pentru a aplica tensiunea DC dorită la o anumită sarcină fără a fi nevoie de un transformator de tip ridicător.

Circuitele de multiplicare a tensiunii sunt clasificate ca dublori de tensiune, triplori sau cvadruplori etc, în funcție de raportul dintre tensiunea de ieșire și tensiunea de intrare. Teoretic, orice cantitate dorită de multiplicare a tensiunii poate fi obținută și o cascadă de "N" dublori ar produce o tensiune de ieșire de 2N.Vp volți.

De exemplu, un circuit de multiplicare a tensiunii cu 10 etaje, cu o tensiune de vârf de intrare de 100 volți, ar da o tensiune de ieșire DC de circa 1000 V sau 1 kV, presupunând că nu există pierderi, fără utilizarea unui transformator.

Totuși, diodele și condensatoarele utilizate în toate circuitele de multiplicare trebuie să aibă o tensiune minimă de străpungere inversă de cel puțin dublul tensiunii de vârf pe ele, deoarece circuitele de multiplicare a tensiunii multi-etaje pot produce tensiuni foarte mari, deci aveți grijă. De asemenea, multiplicatorii de tensiune furnizează în mod obișnuit curenți slabi la sarcini cu rezistență ridicată, deoarece tensiunea de ieșire scade rapid, pe măsură ce curentul de sarcină crește.

Circuitele de multiplicare a tensiunii prezentate mai sus, sunt toate proiectate pentru a da o tensiune DC pozitivă de ieșire. Dar ele pot fi, de asemenea, concepute pentru a furniza ieșiri negative de tensiune prin simpla inversare a polarităților tuturor diodelor și condensatoarelor multiplicatoare pentru a produce un dublor de tensiune negativă.