Circuits multiplicateurs de tension expliqués

Le dispositif de circuit électronique qui est utilisé pour augmenter la tension à un ordre 2x en chargeant des condensateurs à partir d'une tension d'entrée inférieure est appelé doubleur de tension.

Le courant de charge est commuté de telle manière que dans toute situation idéale, la tension qui est produite en sortie est exactement deux fois celle de la tension en entrée.

Multiplicateur de tension le plus simple utilisant des diodes

La forme la plus simple du circuit doubleur de tension sont un type de redresseur qui prend l'entrée sous la forme d'une tension de courant alternatif (CA) et produit une double amplitude de tension (CC) comme sortie.

Des diodes simples sont utilisées comme éléments de commutation et une entrée sous la forme d'une simple tension alternative est utilisée pour piloter ces diodes dans un état de commutation.

Un circuit d'attaque supplémentaire est nécessaire afin de contrôler la vitesse de commutation dans le cas où les doubleurs de tension utilisés sont de type CC à CC puisqu'ils ne peuvent pas être commutés de la manière ci-dessus.

Les circuits de conversion de tension CC en CC nécessitent la plupart du temps un autre dispositif supplémentaire appelé élément de commutation qui peut être facilement et directement commandé comme dans un transistor.

Ainsi, lorsqu'il utilise un élément de commutation, il ne doit pas dépendre de la tension présente aux bornes du commutateur comme c'est le cas dans une forme simple de courant alternatif à courant continu.

Le doubleur de tension est un type de circuit multiplicateur de tension. La plupart des circuits doubleurs de tension, à quelques exceptions près, peuvent être visualisés sous la forme d'un multiplicateur d'ordre supérieur à un seul étage. En outre, une plus grande quantité de multiplication de tension est obtenue lorsqu'il y a des étages identiques en cascade qui sont utilisés ensemble.

Villard Circuit

Le circuit Villard a une composition simple composée d'une diode et d'un condensateur. D'une part où le circuit de Villard présente des avantages en termes de simplicité, d'autre part, il est également connu pour produire une sortie qui présente des caractéristiques d'ondulation considérées comme très faibles.

Figure 1: circuit de Villard

Essentiellement, le circuit de Villard est une forme de circuit de pince à diode. Les cycles hauts négatifs sont utilisés pour charger le condensateur à la tension de crête alternative (Vpk). La forme d'onde CA en entrée avec la superposition continue du condensateur forme la sortie.

La valeur DC de la forme d'onde est décalée en utilisant l'effet du circuit sur celle-ci. Étant donné que la diode limite les pics négatifs de la forme d'onde CA à la valeur de 0 V (en termes réels, il s'agit de –VF, qui est la petite tension de polarisation directe de la diode), les pics positifs de la forme d'onde de sortie ont une valeur de 2 Vpk.

Le pic à pic est difficile à lisser car il est d'une taille énorme de la valeur de 2Vpk et il ne peut donc être lissé que lorsque le circuit est transformé en toute autre forme plus sophistiquée d'une manière efficace.

La haute tension négative est fournie au magnétron en utilisant ce circuit (qui consiste en une diode en forme inverse) dans un four à micro-ondes.

Circuit de Greinacher

Le doubleur de tension Greinarcher s'est avéré meilleur que le circuit de Villard en s'améliorant considérablement en ajoutant quelques composants supplémentaires pour un faible coût.

Dans des conditions de charge en circuit ouvert, l'ondulation se révèle très réduite, la plupart du temps à un état de zéro, mais la résistance de la charge et la valeur du condensateur qui est utilisé jouent un rôle important et affectent le courant étant tiré.

Figure 2. Circuit de Greinacher

L'étage cellule de Villard est suivi par le circuit pour fonctionner en utilisant un étage détecteur d'enveloppe ou un détecteur de crête.

L'effet du détecteur de crête est tel qu'une grande partie de l'ondulation est supprimée tandis que la sortie de la tension de crête est préservée en tant que telle.

Heinrich Greinacher a été la première personne à inventer ce circuit en 1913 (qui a été publié en 1914) afin de fournir la tension de 200-300V dont il avait besoin pour son ionomètre qui était encore une nouvelle invention par lui.

La nécessité d'inventer ce circuit pour obtenir autant de tension est née du fait que la puissance fournie par les centrales électriques de Zurich était de seulement 110V AC et était donc insuffisante.

Heinrich a développé cette idée plus en 1920 et l'a étendue pour faire une cascade de multiplicateurs. La plupart du temps, les gens se réfèrent à cette cascade de multiplicateurs inventée par Heinrich Greinacher comme une cascade de Villard qui est inexacte et fausse.

Cette cascade de multiplicateurs est également connue sous le nom de Cockroft-Walton après les scientifiques John Cockroft et Ernest Walton qui avaient construit l'accélérateur de particules et avaient redécouvert le circuit de manière indépendante en 1932.

L'utilisation de deux cellules Greinacher qui ont des polarités opposées l'une à l'autre mais étant pilotées par la même source alternative peut étendre le concept de ce type de topologie à un circuit quadrupleur de tension.

Les deux sorties individuelles sont utilisées afin de supprimer la sortie entre elles. La mise à la terre de l'entrée et de la sortie simultanément dans ce circuit est tout à fait impossible comme c'est le cas avec un circuit en pont.

Circuit du pont

Le type de topologie utilisé par un circuit Delon pour doubler la tension est appelé topologie de pont.

L'une des utilisations courantes de ce type de circuit delon s'est avérée être dans les téléviseurs à tube cathodique. Le circuit delon de ces téléviseurs a été utilisé afin de fournir le e.h.t. alimentation en tension.

Figure 3 Quadrupler de tension - deux cellules Greinacher de polarités opposées

Il existe de nombreux risques et problèmes de sécurité associés à la génération de tensions de plus de 5 kV, tout en étant très peu rentable dans un transformateur, principalement dans les équipements qui sont des équipements domestiques.

Mais un e.h.t. de 10kV est une exigence de base des téléviseurs qui sont en noir et blanc tandis que les téléviseurs couleur nécessitent encore plus de e.h.t.

Il existe différentes manières et moyens par lesquels le e.h.t. des dimensions telles que: doubler la tension sur le transformateur secteur dans un enroulement e.h.t sur celui-ci en utilisant des doubleurs de tension ou en appliquant les doubleurs de tension à la forme d'onde sur les bobines de retour de ligne.

Les deux détecteurs de crête constitués d'une demi-onde dans un circuit sont fonctionnellement similaires aux cellules de détection de crête trouvées dans le circuit de Greinacher.

Les demi-cycles opposés l'un à l'autre de la forme d'onde entrante sont utilisés pour fonctionner par chacune des deux cellules de détection de crête. On constate toujours que la sortie est le double de la tension d'entrée de crête puisque les sorties produites par eux sont en série.

Figure 4. Doubleur de tension de pont (Delon)

Circuits de condensateurs commutés

La tension d'une source continue peut être doublée en utilisant les circuits diode-condensateur qui sont assez simples et qui ont été décrits dans la section ci-dessus en précédant le doubleur de tension avec l'utilisation d'un circuit hacheur.

Ainsi, cela est efficace pour convertir le courant continu en courant alternatif avant qu'il ne passe par le doubleur de tension. Afin d'atteindre et de construire des circuits plus efficaces, les dispositifs de commutation sont commandés à partir d'une horloge externe qui est compétente pour fonctionner à la fois en termes de hachage et de multiplication et peut être réalisée de manière simultanée.

Figure 5.

Doubleur de tension de condensateur commuté obtenu en commutant simplement des condensateurs chargés de parallèle à série Ces types de circuits sont appelés circuits à condensateurs commutés.

Les applications alimentées en basse tension sont les applications qui utilisent particulièrement cette approche car les circuits intégrés ont besoin d'une alimentation d'une tension spécifique supérieure à ce que la batterie peut réellement fournir ou produire.

Dans la plupart des cas, il y a toujours une disponibilité d'un signal d'horloge sur la carte du circuit intégré et cela rend ainsi inutile d'avoir tout autre circuit supplémentaire ou seulement peu de circuits sont nécessaires pour le générer.

Ainsi, le schéma de la figure 5 affiche schématiquement la forme la plus simple de configuration de condensateur commuté. Dans ce schéma, il y a deux condensateurs qui ont été chargés à la même tension simultanément en parallèle.

Post ces condensateurs sont commutés en série après la coupure de l'alimentation. Ainsi, la tension de sortie produite est le double de la tension d'alimentation ou d'entrée dans le cas où la sortie est dérivée des deux condensateurs en série.

Il existe différents types de dispositifs de commutation qui peuvent être utilisés dans de tels circuits, mais les dispositifs MOSFET sont les dispositifs de commutation les plus fréquemment utilisés dans le cas des circuits intégrés.

Figure 6. Schéma du doubleur de tension de la pompe de charge

Le diagramme de la figure 6 montre schématiquement l'un des autres concepts de base de la «pompe de charge». La tension d'entrée est utilisée pour charger d'abord le Cp, le condensateur de la pompe de charge.

Après cela, le condensateur de sortie, C0 est chargé en commutant en série avec la tension d'entrée, ce qui entraîne la charge du double de C0 de la tension d'entrée. Afin de réussir à charger complètement C0, la pompe de charge peut nécessiter plusieurs cycles.

Mais une fois qu'un état stationnaire a été acquis, la seule chose essentielle pour le condensateur de pompe de charge, Cp, est de pomper la charge en petites quantités, ce qui équivaut à la charge fournie par le condensateur de sortie, C0 à la charge.

Une ondulation se forme sur la tension de sortie lorsque C0 est partiellement déchargé dans la charge alors qu'il est déconnecté de la pompe de charge. Cette ondulation formée dans ce processus a la caractéristique d'un temps de décharge plus court et facile à filtrer et donc ces caractéristiques les rendent plus petites pour des fréquences pour des fréquences d'horloge plus élevées.

Ainsi, pour toute ondulation spécifique donnée, les condensateurs peuvent être rendus plus petits. La quantité maximale de fréquence d'horloge à toutes fins pratiques dans les circuits intégrés se situe généralement dans la plage de centaines de kHz.

Pompe de charge Dickson

La pompe de charge Dickson, également connue sous le nom de multiplicateur Dickson, consiste en une cascade de cellules à diodes / condensateurs où un train d'impulsions d'horloge entraîne la plaque inférieure de chacun des condensateurs.

Le circuit est considéré comme une modification du multiplicateur Cockcroft-Walton, mais à la seule exception du signal de commutation fourni par l'entrée CC avec des trains d'horloge au lieu d'une entrée CA comme c'est le cas avec le multiplicateur Cockcroft-Walton.

L'exigence de base d'un multiplicateur Dickson est que les impulsions d'horloge des phases opposées les unes aux autres doivent conduire les cellules alternatives. Mais, dans le cas d'un doubleur de tension, représenté sur la figure 7, un seul signal d'horloge est nécessaire puisqu'il n'y a qu'un étage de multiplication.

Figure 7. Doubleur de tension de la pompe de charge Dickson

Les circuits dans lesquels les multiplicateurs Dickson sont le plus souvent et fréquemment utilisés sont les circuits intégrés dans lesquels la tension d'alimentation, par exemple de toute batterie, est inférieure à ce qui est requis par les circuits.

Le fait que tous les semi-conducteurs utilisés dans celui-ci soient fondamentalement similaires constitue un avantage pour les fabricants du circuit intégré.

Le bloc logique standard le plus couramment trouvé et utilisé dans de nombreux circuits intégrés est les dispositifs MOSFET.

C'est l'une des raisons pour lesquelles les diodes sont maintes fois remplacées par le transistor de ce type, mais sont également câblées à une fonction sous la forme d'une diode.

Cet agencement est également connu sous le nom de MOSFET à diode. Le diagramme de la figure 8 représente un doubleur de tension Dickson utilisant ce type de dispositifs MOSFET de type à amélioration de canal n câblés par diode.

Figure 8. Doubleur de tension Dickson utilisant des MOSFET à diode

La forme de base de la pompe de charge Dickson a subi de nombreuses améliorations et variations. La plupart de ces améliorations se situent dans le domaine de la réduction de l'effet produit par la tension drain-source du transistor. Cette amélioration est considérée comme significative dans le cas où la tension d'entrée est faible comme dans le cas d'une batterie basse tension.

La tension de sortie est toujours un multiple entier de la tension d'entrée (deux fois dans le cas d'un doubleur de tension) lorsque des éléments de commutation idéaux sont utilisés.

Mais dans le cas où une batterie à une seule cellule est utilisée comme source d'entrée avec des commutateurs MOSFET, la sortie dans de tels cas est bien inférieure à cette valeur car il y aura une chute de tension à travers les transistors.

En raison de la chute extrêmement faible de la tension à l'état passant d'un circuit qui utilise des composants discrets, la diode Schottky est considérée comme un bon choix comme élément de commutation.

Mais les concepteurs de circuits intégrés préfèrent le plus souvent le MOSFET à utiliser car il est plus facilement disponible, ce qui compense largement la présence d'insuffisances et de complexité élevée dans le circuit qui est présent dans les dispositifs MOSFET.

Pour illustrer cela, prenons un exemple: une tension nominale de l'air de 1,5V est présente dans une pile alcaline.

La sortie peut être doublée à 3,0 V en utilisant un doubleur de tension avec des éléments de commutation idéaux qui ont une chute de tension de zéro.

Mais la chute de tension du MOSFET câblé en diode du drain-source lorsqu'il est à l'état activé doit être au minimum égal à la tension de seuil de grille qui est généralement de l'ordre de 0,9V.

La tension de sortie ne peut être augmentée avec succès par le doubleur de tension que d'environ 0,6 V à 2,1 V.

L'augmentation de la tension par le circuit ne peut être obtenue sans l'utilisation d'étages multiples au cas où la chute aux bornes du transistor de lissage final serait également considérée et prise en compte.

D'autre part, la tension de marche d'une diode Schottky typique est de 0,3 V. la tension de sortie produite par un doubleur de tension sera de l'ordre de 2,7 V s'il utilise une diode Schottky, ou de 2,4 V s'il utilise une diode de lissage.

Condensateurs commutés à couplage croisé

Les circuits à condensateurs commutés à couplage croisé sont connus pour leur tension d'entrée très faible. Une batterie unicellulaire peut être nécessaire dans les équipements qui sont alimentés par une batterie sans fil tels que des téléavertisseurs et des appareils Bluetooth afin de fournir une alimentation en continu lorsqu'elle s'est déchargée sous un volt.

Figure 9. Doubleur de tension à condensateur commuté à couplage croisé

Le transistor Q2 est bloqué au cas où l'horloge est basse. En même temps, le transistor Q1 est passant si l'horloge est haute et cela se traduit par la charge du condensateur C1 à la tension Vn. la plaque supérieure de C1 est poussée vers le haut pour doubler Vin au cas où le Ø1 deviendrait haut.

Afin de permettre à cette tension d'apparaître comme sortie, l'interrupteur S1 se ferme en même temps. De plus, en même temps, C2 est autorisé à se charger en allumant le Q2.

Les rôles des composants sont inversés dans le demi-cycle suivant: Ø1 sera bas, S1 ouvrira, Ø2 sera haut et S2 se fermera.

Ainsi alternativement de chaque côté du circuit, la tension de sortie est alimentée en 2Vin. la perte subie dans ce circuit est faible car il y a un manque de MOSFET à diode et les problèmes de tension de seuil qui y sont associés.

L'un des autres avantages du circuit est qu'il double la fréquence d'ondulation car il y a deux doubleurs de tension présents qui fournissent efficacement la sortie des horloges de phase.

L'inconvénient fondamental de ce circuit est que les capacités parasites du multiplicateur de Dickinson se révèlent beaucoup moins importantes que ce circuit et représentent ainsi l'essentiel des pertes subies dans ce circuit.

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