電圧逓倍回路の説明

より低い入力電圧からコンデンサを充電することによって電圧を2倍のオーダーにステップアップするために使用される電子回路デバイスは、電圧ダブラとして知られています。

充電電流は、理想的な状況では、出力で生成される電圧が入力での電圧のちょうど2倍になるように切り替えられます。

ダイオードを使用した最も単純な電圧逓倍器

の最も単純な形式 電圧ダブラ回路 は、交流（AC）電圧の形で入力を受け取り、出力として2倍の大きさの（DC）電圧を生成するタイプの整流器です。

単純なダイオードがスイッチング素子として使用され、単なる交流電圧の形の入力がこれらのダイオードをスイッチング状態で駆動するために使用されます。

使用している電圧ダブラがDC-DCタイプの場合、上記のように切り替えることができないため、スイッチング速度を制御するために追加の駆動回路が必要です。

ほとんどの場合、DC-DC電圧変換回路には、トランジスタなどで簡単かつ直接制御できるスイッチング素子と呼ばれる別の追加デバイスが必要です。

したがって、スイッチング素子を使用する場合、ACからDCへの単純な形式の場合のように、スイッチの両端に存在する電圧に依存する必要はありません。

電圧ダブラは、電圧逓倍回路の一種です。いくつかの例外を除いて、ほとんどの電圧ダブラ回路は、単一ステージで高次の乗算器の形で見ることができます。また、一緒に使用されているカスケード同一ステージがある場合、より多くの電圧逓倍が達成されます。

ヴィラードサーキット

ヴィラード回路は、ダイオードとコンデンサで構成される単純な構成です。ビラード回路が単純さの点で利点を提供する一方で、他方では、非常に貧弱であると考えられるリップル特性を有する出力を生成することも知られている。

図1ビラード回路

基本的に、Villard回路はダイオードクランプ回路の一種です。負の高サイクルは、コンデンサをACピーク電圧（Vpk）まで充電するために使用されます。入力としてのAC波形と、コンデンサの安定したDCの重ね合わせが出力を形成します。

波形のDC値は、回路の影響を利用してシフトされます。ダイオードはAC波形の負のピークを0Vの値にクランプするため（実際には、ダイオードの小さな順方向バイアス電圧である–VFです）、出力波形の正のピークは2Vpkの値になります。

ピークツーピークは2Vpkの値の巨大なサイズであるため、平滑化するのが困難です。したがって、回路を他のより洗練された形式に効果的に変換した場合にのみ平滑化できます。

負の高電圧は、電子レンジでこの回路（逆の形のダイオードで構成されています）を使用してマグネトロンに供給されます。

グレイナッハーサーキット

Greinarcher電圧ダブラは、わずかなコストでいくつかの追加コンポーネントを追加することによってそれ自体を大幅に改善することにより、Villard回路よりも優れていることが証明されています。

開回路負荷の条件下では、リップルは非常に減少し、ほとんどの場合ゼロの状態になりますが、負荷の抵抗と使用されているコンデンサの値が重要な役割を果たし、引き出されている電流。

図2.Greinacher回路

包絡線検波器ステージまたはピーク検波器を使用して動作するために、Villardセルステージの後に回路が続きます。

ピーク検出器の効果は、ピーク電圧の出力がそのまま維持される一方で、リップルの多くが除去されることです。

ハインリヒ・グライナッハーは、1913年にこの回路を発明した最初の人物であり（1914年に公開されました）、彼が再び発明したイオノメーターに必要な200〜300Vの電圧を提供しました。

チューリッヒ発電所から供給される電力はAC110Vであり、不十分であったため、これだけの電圧を得るためにこの回路を発明する必要が生じました。

ハインリッヒは1920年にこのアイデアをさらに発展させ、乗数のカスケードを作成するために拡張しました。ほとんどの場合、人々はハインリヒ・グライナッハーによって発明されたこの乗数のカスケードを、不正確で真実ではないビラードカスケードと呼んでいます。

この乗算器のカスケードは、粒子加速器マシンを構築し、1932年に独立して回路を再発見した科学者ジョンコッククロフトとアーネストウォルトンにちなんで、コッククロフトウォルトンとしても知られています。

極性が互いに反対であるが同じAC電源から駆動される2つのGreinacherセルを使用すると、この種のトポロジーの概念を電圧4倍回路に拡張できます。

2つの個別の出力は、それら全体の出力を停止するために使用されます。この回路で入力と出力を同時に接地することは、ブリッジ回路の場合のようにまったく不可能です。

ブリッジ回路

電圧ダブラを実現するためにドロン回路で使用されるトポロジーの種類は、ブリッジトポロジーとして知られています。

このタイプのデロン回路の一般的な用途の1つは、ブラウン管を備えたテレビにあることがわかりました。これらのテレビのデロン回路は、e.h.tを提供するために使用されました。電圧源。

図3.電圧4倍体–反対の極性の2つのGreinacherセル

主に家庭用機器である機器の変圧器では非常に不経済であることに加えて、5kVを超える電圧の生成に関連する多くの安全上の問題と問題があります。

しかし、e.h.t。カラーテレビはさらに多くのe.h.tを必要としますが、10kVのは白黒のテレビの基本的な要件です。

e.h.t.にはさまざまな方法と手段があります。電圧ダブラを使用するか、ラインフライバックコイルの波形に電圧ダブラを適用することにより、主変圧器のe.h.t巻線内の電圧を2倍にするなどの寸法が実現されます。

回路内の半波で構成される2つのピーク検出器は、Greinacher回路にあるピーク検出器セルと機能的に類似しています。

入力波形の互いに反対の半サイクルは、2つのピーク検出器セルのそれぞれによって動作するために使用されます。それらによって生成される出力は直列であるため、出力は常にピーク入力電圧の2倍であることがわかります。

図4.ブリッジ（デロン）電圧ダブラ

スイッチドコンデンサ回路

DC電源の電圧は、十分に単純で、チョッパー回路を使用して電圧ダブラに先行することによって上記のセクションで説明したダイオードコンデンサ回路を使用することによって2倍にすることができます。

したがって、これは、電圧ダブラを通過する前にDCをACに変換するのに効果的です。より効率的な回路を実現して構築するために、スイッチングデバイスは、チョッピングと乗算の両方の点で機能に優れ、同時に実現できる外部クロックから駆動されます。

図5。

充電されたコンデンサを並列から直列に切り替えるだけで実現されるスイッチトキャパシタ電圧ダブラこれらのタイプの回路は、スイッチトキャパシタ回路として知られています。

低電圧で電力を供給されるアプリケーションは、特にこのアプローチを使用するアプリケーションです。集積回路には、バッテリーが実際に供給または生成できる量よりも多い特定の量の電圧を供給する必要があるためです。

ほとんどの場合、集積回路のボード上でクロック信号が常に利用可能であるため、他の追加の回路を用意する必要がないか、それを生成するために必要な回路はごくわずかです。

したがって、図5の図は、スイッチトキャパシタ構成の最も単純な形式を概略的に示しています。この図では、並列に同時に同じ電圧に充電された2つのコンデンサがあります。

このコンデンサは、電源をオフにした後、直列に切り替えられます。したがって、出力が直列の2つのコンデンサから得られる場合、生成される出力電圧は電源電圧または入力電圧の2倍になります。

このような回路で使用できるスイッチングデバイスにはさまざまな種類がありますが、集積回路の場合、MOSFETデバイスが最も頻繁に使用されるスイッチングデバイスです。

図6.チャージポンプ電圧ダブラの回路図

図6の図は、「チャージポンプ」の他の基本概念の1つを概略的に示しています。入力電圧は、チャージポンプコンデンサであるCpを最初に充電するために使用されます。

この後、入力電圧と直列にスイッチングすることにより、出力コンデンサC0が充電され、その結果、C0は入力電圧の2倍の量を充電します。 C0を完全に充電するには、チャージポンプに多くのサイクルが必要になる場合があります。

しかし、定常状態が取得されると、チャージポンプコンデンサの唯一の重要なことであるCpは、出力コンデンサC0から負荷に供給される電荷​​に相当する少量の電荷をポンプすることです。

C0がチャージポンプから切断されているときに負荷に部分的に放電されると、出力電圧にリップルが形成されます。このプロセスで形成されるこのリップルは、放電時間が短く、フィルタリングが容易であるという特性を備えているため、これらの特性により、クロック周波数が高い周波数ではリップルが小さくなります。

したがって、特定のリップルに対して、コンデンサを小さくすることができます。集積回路のすべての実用的な目的のためのクロック周波数の最大量は、通常、数百kHzの範囲にあります。

ディクソンチャージポンプ

ディクソンマルチプライヤとしても知られるディクソンチャージポンプは、ダイオード/コンデンサセルのカスケードで構成されており、クロックパルス列が各コンデンサの底板を駆動します。

この回路はコッククロフト・ウォルトン乗算器の変更と見なされますが、コッククロフト・ウォルトン乗算器の場合のようにAC入力ではなくクロックトレインを備えたDC入力によって提供されるスイッチング信号を除いてのみです。

ディクソンマルチプライヤの基本的な要件は、互いに反対の位相のクロックパルスが代替セルを駆動することです。ただし、図7に示す電圧ダブラの場合、乗算のステージは1つしかないため、必要なクロック信号は1つだけです。

図7.ディクソンのチャージポンプ電圧ダブラ

ディクソン乗算器が主に頻繁に使用される回路は、任意のバッテリーなどからの供給電圧が回路に必要な電圧よりも低い集積回路です。

これに使用されるすべての半導体が基本的に類似しているという事実は、集積回路のメーカーにとっての利点として機能します。

多くの集積回路で最も一般的に見られ、使用されている標準的なロジックブロックはMOSFETデバイスです。

これが、ダイオードがこのタイプのトランジスタに何度も置き換えられる理由の1つですが、ダイオードの形で機能に配線されています。

この配置は、ダイオード配線MOSFETとしても知られています。図8の図は、この種のダイオード配線されたnチャネルエンハンスメントタイプのMOSFETデバイスを使用したディクソン電圧ダブラを示しています。

図8.ダイオード配線MOSFETを使用したディクソン電圧ダブラ

ディクソンチャージポンプの基本形は、多くの改良とバリエーションを経てきました。これらの改善のほとんどは、トランジスタのドレイン電源電圧によって生じる影響の低減の領域にあります。この改善は、低電圧バッテリの場合のように入力電圧が小さい場合に重要であると見なされます。

理想的なスイッチング素子を使用する場合、出力電圧は常に入力電圧の整数倍（電圧ダブラの場合は2倍）になります。

ただし、シングルセルバッテリをMOSFETスイッチとともに入力ソースとして使用する場合、トランジスタの両端の電圧が低下するため、このような場合の出力はこの値よりはるかに小さくなります。

ディスクリート部​​品を使用している回路のオン状態での電圧降下が非常に小さいため、ショットキーダイオードはスイッチング素子として適していると考えられています。

しかし、集積回路の設計者は、MOSFETデバイスに存在する回路の不十分さと高度な複雑さの存在を補う以上に、より簡単に入手できるため、ほとんどの場合、MOSFETの使用を好みます。

これを説明するために、例を見てみましょう。アルカリ電池には、1.5Vの公称電圧が存在します。

この出力は、電圧降下がゼロの理想的なスイッチング素子とともに電圧ダブラを使用することにより、3.0Vに倍増することができます。

ただし、オンの状態にあるときのドレイン-ソースのダイオード配線されたMOSFETの電圧降下は、通常0.9Vの調整にあるゲートしきい値電圧に最小で等しくなければなりません。

出力電圧は、電圧ダブラによって約0.6V〜2.1Vしか正常に上げることができません。

回路による電圧の増加は、最終的な平滑化トランジスタの両端の降下も考慮および考慮される場合、複数のステージを使用せずに達成することはできません。

一方、一般的なショットキーダイオードのステージ上電圧は0.3 Vです。電圧ダブラによって生成される出力電圧は、ショットキーダイオードを使用する場合は2.7V、スムージングダイオードを使用する場合は2.4Vの範囲になります。

クロスカップリングスイッチトキャパシタ

交差結合されたスイッチドコンデンサ回路は、入力電圧が非常に低いことで知られています。ポケットベルやBluetoothデバイスなどのワイヤレスバッテリーで駆動される機器では、1ボルト未満に放電したときに継続的に電力を供給するために、単セルバッテリーが必要になる場合があります。

図9.クロスカップリングされたスイッチトキャパシタ電圧ダブラ

クロックが低い場合、トランジスタＱ２はオフになる。同時に、クロックがハイの場合、トランジスタＱ１がオンになり、これにより、コンデンサＣ１が電圧Ｖｎに充電される。 Ø1が高くなった場合に備えて、C1のトッププレートはVinを2倍に押し上げます。

この電圧を出力として表示できるようにするために、スイッチS1が同時に閉じます。また、同時に、Q2をオンにすることでC2を充電することができます。

コンポーネントの役割は、次の半サイクルで逆になります。Ø1が低くなり、S1が開き、Ø2が高くなり、S2が閉じます。

したがって、代わりに、回路の各側から、出力電圧に2Vinが供給されます。この回路で発生する損失は、ダイオード配線されたMOSFETが不足しており、それに関連するしきい値電圧の問題があるため、低くなっています。

この回路の他の利点の1つは、位相クロックからの出力を効果的に供給する2つの電圧ダブラが存在するため、リップル周波数が2倍になることです。

この回路の基本的な欠点は、ディキンソン乗算器の浮遊容量がこの回路よりもはるかに重要でないことがわかっているため、この回路で発生する損失の大部分を占めることです。

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