Πολλαπλασιαστές τάσης

Πολλαπλασιαστές τάσης είναι τα κυκλώματα όπου λαμβάνουμε πολύ υψηλή τάση DC από την παροχή τάσης χαμηλής εναλλασσόμενης τάσης, ένα κύκλωμα πολλαπλασιαστή τάσης παράγει τάση σε πολλαπλάσια τάση εισόδου κορυφής AC, όπως εάν η τάση αιχμής τάσης AC είναι 5 volt, θα λάβουμε 15 βολτ DC στην έξοδο, στην περίπτωση κυκλώματος Τριπλού Τάσης. Το πολύμετρο διαβάζει μόνο την τιμή RMS (μέση τάση ρίζας) της τάσης AC, πρέπει να πολλαπλασιάσουμε την τιμή RMS σε 1,414 (ρίζα 2), για να πάρουμε την τιμή Peak.

Γενικά, οι μετασχηματιστές είναι εκεί για να αυξήσουν την τάση, αλλά μερικές φορές οι μετασχηματιστές δεν είναι εφικτοί λόγω του μεγέθους και του κόστους τους. Τα κυκλώματα πολλαπλασιαστή τάσης μπορούν να κατασκευαστούν χρησιμοποιώντας λίγες διόδους και πυκνωτές, επομένως είναι χαμηλού κόστους και πολύ αποτελεσματικά σε σύγκριση με τους μετασχηματιστές. Τα κυκλώματα πολλαπλασιαστή τάσης είναι αρκετά παρόμοια με τα κυκλώματα ανορθωτή που χρησιμοποιούνται για τη μετατροπή AC σε DC, αλλά τα κυκλώματα πολλαπλασιαστή τάσης όχι μόνο μετατρέπουν AC σε DC αλλά μπορούν επίσης να παράγουν πολύ υψηλή τάση DC.

Αυτά τα κυκλώματα είναι πολύ χρήσιμα όταν πρέπει να δημιουργηθεί τάση υψηλής DC με χαμηλή τάση AC και απαιτείται χαμηλό ρεύμα, όπως σε φούρνους μικροκυμάτων, οθόνες CRT (Cathode ray tubes) σε τηλεόραση και υπολογιστές. Η οθόνη CRT απαιτεί υψηλή τάση DC με χαμηλό ρεύμα.

Διπλασιαστής τάσης πλήρους κύματος

Όπως υποδηλώνει το όνομα, η τάση εισόδου διπλασιάζεται μέσω αυτού του κυκλώματος. Η λειτουργία είναι πλήρης διπλασιαστής τάσης κύματος είναι πολύ απλή:

Κατά τη διάρκεια του θετικού μισού κύκλου του ημιτονοειδούς κύματος AC, η δίοδος D1 προωθείται προς τα εμπρός και η D2 αντιστρέφεται μεροληψία, έτσι ο πυκνωτής C1 φορτίζει μέσω του D1, στην μέγιστη τιμή του ημιτονοειδούς κύματος (Vpeak). Και κατά τη διάρκεια του αρνητικού μισού κύκλου του ημιτονοειδούς κύματος, το D2 είναι μεροληπτικό προς τα εμπρός και το D1 σεβαστό μεροληπτικό, έτσι ο πυκνωτής C2 παίρνει φόρτιση μέσω του D2, στο Vpeak

Τώρα και οι δύο πυκνωτές φορτίζονται στο Vpeak, οπότε έχουμε το 2 Vpeak (Vpeak + Vpeak), απέναντι από τα C1 και C2, χωρίς να υπάρχει συνδεδεμένο φορτίο. Έχει πάρει το όνομά του από τον ανορθωτή πλήρους κύματος.

Κύκλωμα διπλού τάσης μισού κύματος

Προηγουμένως έχουμε επίσης δημιουργήσει κύκλωμα Voltage Doubler, με χρονοδιακόπτη 555 σε λειτουργία Astable και πηγή DC. Αυτή τη φορά χρησιμοποιούμε μετασχηματιστή 220v AC και 9-0-9 για να κατεβάσουμε 220v AC, ώστε να δείξουμε τον πολλαπλασιαστή τάσης στο breadboard.

Κατά τη διάρκεια του πρώτου θετικού μισού κύκλου του ημιτονοειδούς κύματος (AC), η δίοδος D1 προωθείται προς τα εμπρός και ο πυκνωτής C1 φορτίζεται μέσω του D1. Ο πυκνωτής C1 φορτίζεται μέχρι την μέγιστη τάση του AC, δηλαδή Vpeak.

Κατά τη διάρκεια του αρνητικού μισού κύκλου του ημιτονοειδούς κύματος, η δίοδος D2 διεξάγει και η D1 αντίστροφη μεροληψία. Το D1 εμποδίζει την εκφόρτιση του πυκνωτή C1. Τώρα ο πυκνωτής C2 φορτίζεται με τη συνδυασμένη τάση του πυκνωτή C1 (Vpeak) και την αρνητική κορυφή της τάσης AC που είναι επίσης Vpeak. Έτσι ο πυκνωτής C2 φορτίζει έως και 2Vpeak volt. Ως εκ τούτου, η τάση στον πυκνωτή C2 είναι δύο φορές το Vpeak του AC.

Στον επόμενο θετικό κύκλο, ο πυκνωτής C2 αποφορτίζεται στο φορτίο, εάν το φορτίο είναι συνδεδεμένο και επαναφορτίζεται στον επόμενο κύκλο. Έτσι μπορούμε να δούμε ότι φορτίζεται σε έναν κύκλο και αποφορτίζεται στον επόμενο κύκλο, οπότε η συχνότητα κυματισμού είναι ίση με τη συχνότητα σήματος εισόδου, δηλαδή 50 Hz (AC Mains).

Κύκλωμα τριπλής τάσης

Για να χτίσουμε το κύκλωμα Τριπλού τάσης, πρέπει απλώς να προσθέσουμε 1 ακόμη Δίοδο και πυκνωτή στο παραπάνω κύκλωμα Διπλασιαστή τάσης μισού κύματος σύμφωνα με το παρακάτω διάγραμμα κυκλώματος

Όπως έχουμε δει στο κύκλωμα διπλασιασμού τάσης ότι, στον πρώτο θετικό μισό κύκλο ο πυκνωτής C1 φορτίζεται στο Vpeak και και ο πυκνωτής C2 φορτίζεται στο 2Vpeak στον αρνητικό μισό κύκλο.

Τώρα κατά τη διάρκεια του δεύτερου θετικού μισού κύκλου, η δίοδος D1 και D3 συμπεριφέρεται και η D2 γίνεται αντίστροφη μεροληψία. Με αυτόν τον τρόπο ο πυκνωτής C2 φορτίζει τον πυκνωτή C3 έως την ίδια τάση με τον ίδιο, δηλαδή 2 Vpeak.

Τώρα ο πυκνωτής C1 και C3 είναι σε σειρά και η τάση σε C1 είναι Vpeak και η τάση σε C3 είναι 2 Vpeak, οπότε η τάση σε όλη τη σειρά των C1 και C3 είναι Vpeak + 2Vpeak = 3 Vpeak και λαμβάνουμε τριπλή την τάση εισόδου Vpeak volt.

Τετραπλό κύκλωμα τάσης

Καθώς έχουμε δημιουργήσει κύκλωμα τριπλού τάσης προσθέτοντας μία δίοδο και πυκνωτή στο κύκλωμα διπλασιασμού τάσης μισού κύματος, και πάλι πρέπει απλώς να προσθέσουμε μια ακόμη δίοδο και πυκνωτή στο κύκλωμα τριπλής τάσης, για να χτίσουμε το κύκλωμα τετραπλού τάσης (4 φορές την τάση εισόδου).

Έχουμε δει στο κύκλωμα Tripler τάσης, ότι ο πυκνωτής C1 φορτίζεται στο Vpeak στον πρώτο θετικό μισό κύκλο, ο C2 φορτίζεται στο 2Vpeak στον αρνητικό μισό κύκλο και ο C3 φορτίζεται επίσης στο 2Vpeak στον δεύτερο θετικό μισό κύκλο.

Τώρα κατά τη διάρκεια του δεύτερου αρνητικού μισού κύκλου, η δίοδος D2 και D4 διεξάγεται και ο πυκνωτής C4 φορτίζεται στο 2Vpeak, από τον πυκνωτή C3 που είναι επίσης στα 2 Vpeak. Και έχουμε τέσσερις φορές Vpeak (4Vpeak), απέναντι στους πυκνωτές C2 και C4, καθώς και οι δύο πυκνωτές βρίσκονται στα 2 Vpeak.

Στα κυκλώματα πολλαπλασιαστή τάσης, στην πράξη η τάση δεν είναι ακριβώς το πολλαπλάσιο της τάσης κορυφής, η προκύπτουσα τάση είναι μικρότερη από τα πολλαπλάσια λόγω κάποιας πτώσης τάσης στις διόδους, οπότε η προκύπτουσα τάση θα είναι:

Vout = Πολλαπλασιαστής * Vpeak - οι τάσεις πέφτουν μεταξύ των διόδων

Μειονέκτημα αυτού του είδους των κυκλωμάτων πολλαπλασιαστή είναι η συχνότητα υψηλής κυματισμού και είναι πολύ δύσκολο να εξομαλυνθεί η έξοδος, αν και η χρήση της μεγάλης τιμής των πυκνωτών μπορεί να συμβάλει στη μείωση της κυματισμού. Και το πλεονέκτημα του κυκλώματος είναι ότι μπορούμε να παράγουμε πολύ υψηλή τάση από μια πηγή ισχύος χαμηλής τάσης.

Μπορούμε να δημιουργήσουμε πολύ υψηλότερη τάση και μπορούμε να πάρουμε 5 φορές, 6 φορές, 7 φορές και περισσότερο, την τάση της τάσης Peak AC, προσθέτοντας περισσότερες διόδους και πυκνωτές. Μπορούμε επίσης να δημιουργήσουμε την υψηλή αρνητική τάση αναστρέφοντας απλώς την πολικότητα των διόδων και των πυκνωτών σε αυτό το κύκλωμα. Θεωρητικά μπορούμε να πολλαπλασιάσουμε την τάση απεριόριστα, αλλά πρακτικά δεν είναι δυνατόν λόγω της χωρητικότητας των πυκνωτών, του χαμηλού ρεύματος, της υψηλής κυματισμού και πολλών άλλων παραγόντων.

Βίντεο:

Σημειώσεις:

• Η τάση δεν θα πολλαπλασιαστεί ακαριαία αλλά θα αυξηθεί αργά και μετά από κάποιο χρονικό διάστημα, θα ρυθμιστεί στην Τρίτη τάση εισόδου.
• Η ονομαστική τάση των πυκνωτών πρέπει να είναι τουλάχιστον διπλάσια από την τάση εισόδου.
• Η τάση εξόδου δεν είναι ακριβώς η πολλαπλή τάση εισόδου κορυφής, θα είναι μικρότερη από την τάση εισόδου.