Pengganda Tegangan (Pengganda, Tripler, Quadrupler, dan Lainnya)

Sebuah pengganda tegangan adalah rangkaian penyearah khusus yang menghasilkan keluaran yang secara teoritis merupakan bilangan bulat dikalikan masukan puncak AC, misalnya 2, 3, atau 4 kali masukan puncak AC. Dengan demikian, dimungkinkan untuk mendapatkan 200 VDC dari sumber AC 100 Vpeak menggunakan pengganda, 400 VDC dari pengganda. Setiap beban dalam rangkaian praktis akan menurunkan tegangan ini.

Pertama-tama kita akan membahas beberapa jenis pengganda tegangan—pengganda tegangan (gelombang setengah dan gelombang penuh), pengganda tegangan, dan pengganda tegangan—kemudian membuat beberapa catatan umum tentang keamanan pengganda tegangan dan menyelesaikan dengan pengganda Cockcroft-Walton.

Pengganda Tegangan

Aplikasi pengganda tegangan adalah catu daya DC yang mampu menggunakan sumber 240 VAC atau 120 VAC. Pasokan menggunakan sakelar jembatan gelombang penuh yang dipilih untuk menghasilkan sekitar 300 VDC dari sumber 240 VAC. Posisi sakelar 120 V menghubungkan kembali jembatan sebagai pengganda yang menghasilkan sekitar 300 VDC dari 120 VAC. Dalam kedua kasus, 300 VDC diproduksi. Ini adalah input ke regulator switching yang menghasilkan voltase lebih rendah untuk menyalakan, katakanlah, komputer pribadi.

Pengganda Tegangan Setengah Gelombang

Pengganda tegangan setengah gelombang pada Gambar di bawah (a) terdiri dari dua sirkuit:penjepit di (b) dan detektor puncak (penyearah setengah gelombang) pada Gambar sebelumnya, yang ditunjukkan dalam bentuk yang dimodifikasi pada Gambar di bawah (c). C2 telah ditambahkan ke detektor puncak (penyearah setengah gelombang).

Pengganda tegangan setengah gelombang (a) terdiri dari (b) penjepit dan (c) penyearah setengah gelombang.

Analisis Sirkuit Pengganda Tegangan Setengah Gelombang

Mengacu pada Gambar (b) di atas, C2 mengisi 5 V (4,3 V mempertimbangkan penurunan dioda) pada setengah siklus negatif input AC. Ujung kanan diarde oleh D2 konduktor. Ujung kiri diisi pada puncak negatif dari input AC. Ini adalah operasi penjepit.

Selama setengah siklus positif, penyearah setengah gelombang berperan pada Gambar (c) di atas. Dioda D2 keluar dari rangkaian karena dibias mundur. C2 sekarang di seri dengan sumber tegangan. Perhatikan polaritas generator dan C2, bantuan seri. Jadi, penyearah D1 melihat total 10 V pada puncak gelombang sinus, 5 V dari generator dan 5 V dari C2. D1 menghantarkan bentuk gelombang v(1) (gambar di bawah), mengisi C1 ke puncak gelombang sinus yang naik pada 5 V DC (gambar di bawah v(2)). Bentuk gelombang v(2) adalah keluaran dari pengganda, yang stabil pada 10 V (8,6 V dengan penurunan dioda) setelah beberapa siklus masukan gelombang sinus.

*SPICE 03255.eps C1 2 0 1000p D1 1 2 dioda C2 4 1 1000p D2 0 1 dioda V1 4 0 SIN(0 5 1k) .model diode d .tran 0.01m 5m .end 

Pengganda tegangan:masukan v(4). v(1) tahap penjepit. v(2) tahap penyearah setengah gelombang, yang merupakan keluaran pengganda.

Pengganda Tegangan Gelombang Penuh

pengganda tegangan gelombang penuh terdiri dari sepasang penyearah setengah gelombang seri bertumpuk. (Gambar di bawah) Netlist yang sesuai ada pada Gambar di bawah.

Analisis Operasi Pengganda Tegangan Gelombang Penuh

Penyearah bawah mengisi C1 pada setengah siklus input negatif. Penyearah atas mengisi C2 pada setengah siklus positif. Setiap kapasitor mengambil muatan 5 V (4,3 V mempertimbangkan penurunan dioda). Output pada node 5 adalah total seri C1 + C2 atau 10 V (8,6 V dengan tetes dioda).

*SPICE 03273.eps *R1 3 0 100k *R2 5 3 100k D1 0 2 dioda D2 2 5 dioda C1 3 0 1000p C2 5 3 1000p V1 2 3 SIN(0 5 1k) .model diode d .tran 0,01 m 5m .end 

Pengganda tegangan gelombang penuh terdiri dari dua penyearah setengah gelombang yang beroperasi pada polaritas bolak-balik.

Perhatikan bahwa output v(5) Gambar di bawah mencapai nilai penuh dalam satu siklus perjalanan input v(2).

Pengganda tegangan gelombang penuh:masukan v(2), tegangan v(3) pada titik tengah, tegangan v(5) pada keluaran

Mendapatkan Pengganda Gelombang Penuh dari Penyearah Setengah Gelombang

Gambar di bawah mengilustrasikan derivasi pengganda gelombang penuh dari sepasang penyearah setengah gelombang polaritas yang berlawanan (a). Penyearah negatif dari pasangan digambar ulang untuk kejelasan (b). Keduanya digabungkan di (c) berbagi tanah yang sama. Pada (d) penyearah negatif disambungkan kembali untuk berbagi satu sumber tegangan dengan penyearah positif. Ini menghasilkan catu daya ±5 V (4,3 V dengan penurunan dioda); meskipun, 10 V dapat diukur antara dua output. Titik referensi arde dipindahkan sehingga +10 V tersedia sehubungan dengan arde.

Pengganda gelombang penuh:(a) Sepasang pengganda, (b) digambar ulang, (c) berbagi tanah, (d) berbagi sumber tegangan yang sama. (e) pindahkan titik tanah.

Tripler Tegangan

Sebuah pengganda tegangan (Gambar di bawah) dibangun dari kombinasi penyearah dua kali lipat dan setengah gelombang (C3, D3). Penyearah setengah gelombang menghasilkan 5 V (4,3 V) pada simpul 3. Pengganda menyediakan 10 V (8,4 V) lain antara simpul 2 dan 3. dengan total 15 V (12,9 V) pada simpul keluaran 2 sehubungan dengan tanah. Netlistnya ada di Gambar di bawah ini.

Tripler tegangan terdiri dari pengganda yang ditumpuk di atas penyearah satu tahap.

Perhatikan bahwa V(3) pada Gambar di bawah naik menjadi 5 V (4,3 V) pada setengah siklus negatif pertama. Input v(4) digeser ke atas sebesar 5 V (4,3 V) karena 5 V dari penyearah setengah gelombang. Dan 5 V lebih di v(1) karena penjepit (C2, D2). D1 mengisi C1 (bentuk gelombang v(2)) ke nilai puncak v(1).

*SPICE 03283.eps C3 3 0 1000p D3 0 4 dioda C1 2 3 1000p D1 1 2 dioda C2 4 1 1000p D2 3 1 dioda V1 4 3 SIN(0 5 1k) .model diode d .tran 0.01m 5m .end 

Tripler tegangan:penyearah setengah gelombang v(3), input v(4)+ 5 V, penjepit v(1), output akhir v(2).

Pengganda Tegangan

Sebuah penguat empat tegangan adalah kombinasi bertumpuk dari dua pengganda yang ditunjukkan pada Gambar di bawah. Setiap pengganda menyediakan 10 V (8,6 V) untuk total seri pada simpul 2 sehubungan dengan ground 20 V (17,2 V)

Netlistnya ada di Gambar di bawah ini.

Pengadap tegangan, terdiri dari dua pengganda yang ditumpuk secara seri, dengan keluaran pada simpul 2.

Bentuk gelombang dari quadrupler ditunjukkan pada Gambar di bawah. Tersedia dua keluaran DC:v(3), keluaran pengganda, dan v(2) keluaran pengganda. Beberapa tegangan menengah pada penjepit menggambarkan bahwa gelombang sinus input (tidak ditampilkan), yang berayun sebesar 5 V, berturut-turut dijepit pada tingkat yang lebih tinggi:pada v(5), v(4) dan v(1). Sebenarnya v(4) bukanlah keluaran penjepit. Ini hanyalah sumber tegangan AC secara seri dengan v(3) output pengganda. Bagaimanapun, v(1) adalah versi terjepit dari v(4)

*SPICE 03441.eps *SPICE 03286.eps C22 4 5 1000p C11 3 0 1000p D11 0 5 dioda D22 5 3 dioda C1 2 3 1000p D1 1 2 dioda C2 4 1 1000p D2 3 1 dioda V1 4 3 SIN( 0 5 1k) .model dioda d .tran 0,01m 5m .end 

Voltage quadrupler:Tegangan DC tersedia pada v(3) dan v(2). Bentuk gelombang menengah:Penjepit:v(5), v(4), v(1).

Catatan tentang Pengganda Tegangan dan Catu Daya Berbasis Saluran

Beberapa catatan tentang pengganda tegangan ada dalam urutan pada saat ini. Parameter rangkaian yang digunakan dalam contoh (V=5 V 1 kHz, C=1000 pf) tidak memberikan banyak arus, microamps. Selanjutnya, resistor beban telah dihilangkan. Memuat mengurangi tegangan dari yang ditunjukkan. Jika rangkaian digerakkan oleh sumber kHz pada tegangan rendah, seperti pada contoh, kapasitor biasanya 0,1 hingga 1,0 F sehingga miliamp arus tersedia pada keluaran. Jika pengali didorong dari 50/60 Hz, kapasitor beberapa ratus hingga beberapa ribu mikrofarad untuk menyediakan ratusan miliamp arus keluaran. Jika didorong dari tegangan saluran, perhatikan polaritas dan peringkat tegangan kapasitor.

Akhirnya, setiap catu daya yang digerakkan oleh saluran langsung (tanpa transformator) berbahaya bagi eksperimen dan peralatan uji yang dioperasikan saluran. Pasokan yang digerakkan langsung komersial aman karena sirkuit berbahaya ada di dalam selungkup untuk melindungi pengguna. Saat melapisi sirkuit ini dengan kapasitor elektrolitik dari tegangan apa pun, kapasitor akan meledak jika polaritasnya dibalik. Sirkuit seperti itu harus diberi daya di balik pelindung keselamatan.

Pengganda Cockcroft-Walton

Pengganda tegangan dari pengganda setengah gelombang berjenjang dengan panjang sembarang dikenal sebagai Cockcroft-Walton pengganda seperti yang ditunjukkan pada Gambar di bawah ini. Pengganda ini digunakan ketika tegangan tinggi pada arus rendah diperlukan. Keuntungan dari suplai konvensional adalah bahwa transformator tegangan tinggi yang mahal tidak diperlukan – setidaknya tidak setinggi outputnya.

Pengganda tegangan Cockcroft-Walton x8; keluaran pada v(8).

Sepasang dioda dan kapasitor di sebelah kiri simpul 1 dan 2 pada Gambar di atas merupakan pengganda setengah gelombang. Memutar dioda sebanyak 45 ^o berlawanan arah jarum jam, dan kapasitor bawah sebesar 90 ^o membuatnya terlihat seperti Gambar sebelumnya (a). Empat dari bagian pengganda mengalir ke kanan untuk faktor perkalian x8 teoretis. Node 1 memiliki bentuk gelombang penjepit (tidak ditampilkan), gelombang sinus digeser ke atas sebesar 1x (5 V). Node bernomor ganjil lainnya adalah gelombang sinus yang dijepit ke tegangan yang lebih tinggi secara berurutan. Node 2, output dari pengganda pertama, adalah tegangan DC 2x v(2) pada Gambar di bawah. Node bernomor genap yang berurutan mengisi tegangan yang lebih tinggi secara berurutan:v(4), v(6), v(8)

D1 7 8 dioda C1 8 6 1000p D2 6 7 dioda C2 5 7 1000p D3 5 6 dioda C3 4 6 1000p D4 4 5 dioda C4 3 5 1000p D5 3 4 dioda C5 2 4 1000p D6 2 3 dioda D7 1 2 dioda C6 1 3 1000p C7 2 0 1000p C8 99 1 1000p D8 0 1 dioda V1 99 0 SIN(0 5 1k) .model diode d .tran 0.01m 50m .end 

Bentuk gelombang Cockcroft-Walton (x8). Outputnya adalah v(8).

Tanpa penurunan dioda, setiap pengganda menghasilkan 2Vin atau 10 V, mengingat dua penurunan dioda (10-1,4)=8,6 V adalah realistis. Untuk total 4 pengganda satu mengharapkan 4·8.6=34.4 V dari 40 V.

Gambar Konsultasi di atas, v(2) kira-kira benar; namun, v(8) adalah <30 V bukannya 34,4 V yang diantisipasi. Kelemahan dari pengganda Cockcroft-Walton adalah bahwa setiap tahap tambahan menambah lebih sedikit dari tahap sebelumnya. Jadi, ada batasan praktis untuk jumlah tahapan. Dimungkinkan untuk mengatasi keterbatasan ini dengan modifikasi pada rangkaian dasar. [ABR] Perhatikan juga skala waktu 40 msec dibandingkan dengan 5 ms untuk sirkuit sebelumnya. Diperlukan 40 msec agar tegangan naik ke nilai terminal untuk sirkuit ini. Netlist pada Gambar di atas memiliki perintah “.tran 0.010m 50m” untuk memperpanjang waktu simulasi hingga 50 msec; meskipun, hanya 40 mdtk yang diplot.

Pengganda Cockcroft-Walton berfungsi sebagai sumber tegangan tinggi yang lebih efisien untuk tabung photomultiplier yang membutuhkan hingga 2000 V. [ABR] Selain itu, tabung memiliki banyak dynodes , terminal yang membutuhkan koneksi ke node “nomor genap” bertegangan lebih rendah. Rangkaian rangkaian keran pengganda menggantikan pembagi tegangan resistif penghasil panas dari desain sebelumnya.

Pengganda Cockcroft-Walton yang dioperasikan dengan saluran AC memberikan tegangan tinggi ke "generator ion" untuk menetralkan muatan elektrostatik dan untuk pembersih udara.

Ulasan Pengganda Tegangan:

• Pengganda tegangan menghasilkan kelipatan DC (2,3,4, dll.) dari tegangan input puncak AC.
• Pengganda paling dasar adalah pengganda setengah gelombang.
• Gelombang penuh ganda adalah sirkuit superior sebagai pengganda.
• Tripler adalah pengganda setengah gelombang dan penyearah konvensional (detektor puncak).
• A quadrupler adalah sepasang doubler setengah gelombang
• Dawai panjang pengganda setengah gelombang dikenal sebagai pengganda Cockcroft-Walton.

LEMBAR KERJA TERKAIT:

• Lembar Kerja Sirkuit OpAmp Musim Panas dan Pengurang