Pengali Tegangan Dijelaskan: Pengganda, Pengkalikan Tiga, Pengkwadruplasi, dan Desain Cockcroft–Walton

Sebuah pengali tegangan adalah pengarah khusus yang menghasilkan output DC yang merupakan kelipatan integer dari puncak input AC—biasanya 2×, 3×, atau 4×. Dalam praktiknya, sumber AC 100 V puncak dapat menghasilkan sekitar 200 V DC dengan pengganda, atau 400 V DC dengan pengkwadruplasi, meskipun beban dunia nyata akan mengurangi angka ini.

Jenis-Jenis Pengali Tegangan

Pengganda Tegangan

Sebagian besar suplai daya laboratorium menggunakan pengganda untuk menaikkan sumber AC 120 V atau 240 V ke sekitar 300 V DC. Sebuah bridge gelombang penuh yang dikonfigurasi sebagai pengganda memberikan tegangan DC yang sama dari 120 V atau 240 V jaringan listrik, yang kemudian menggerakkan regulator switching untuk tegangan lebih rendah.

Pengganda Gelombang Setengah

Pengganda setengah gelombang menggabungkan clamper dan pengarah setengah gelombang. Clamper mengisi kapasitor C2 ke puncak negatif input (≈5 V dikurangi penurunan dioda), kemudian pengarah memungkinkan C2 untuk menambah ke tegangan generator selama siklus setengah positif. Output yang dihasilkan 안정 pada sekitar 10 V (≈8,6 V dengan penurunan dioda yang realistis).

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

Ilustrasi: v(4) adalah input, v(1) adalah tahap clamper, v(2) adalah tahap pengarah setengah gelombang, dan v(3) adalah output akhir.

Pengganda Gelombang Penuh

Dengan menumpuk dua pengarah setengah gelombang secara seri, pengganda gelombang penuh mengisi satu kapasitor pada siklus setengah negatif dan yang lain pada siklus setengah positif. Kedua kapasitor bersama-sama memberikan tegangan ganda dengan toleransi denyut yang lebih tinggi.

*SPICE 03273.eps *R1 3 0 100k *R2 5 3 100k D1 0 2 diode D2 2 5 diode C1 3 0 1000p C2 5 3 1000p V1 2 3 SIN(0 5 1k) .model diode d .tran 0.01m 5m .end

Hasil: v(5) mencapai output penuh dalam satu siklus input tunggal.

Menguraikan Pengganda Gelombang Penuh dari Pengarah Gelombang Setengah

Menggabungkan dua pengarah gelombang setengah dengan polaritas berlawanan dan mereferensikan kembali ground menghasilkan suplai ±5 V (≈±4,3 V dengan penurunan dioda). Output di antara kedua output adalah 10 V.

Pengkalikan Tiga Tegangan

Sebuah pengkalikan tiga pada dasarnya adalah pengganda yang ditumpuk pada pengarah gelombang setengah. Tahap setengah gelombang menambahkan ~5 V, pengganda menambahkan ~10 V, menghasilkan total ~15 V (≈12,9 V dengan penurunan dioda) relatif terhadap ground.

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

Pengkwadruplasi Tegangan

Menumpuk dua tahap pengganda menghasilkan pengkwadruplasi. Setiap pengganda menyumbang ~10 V (≈8,6 V realistis), jadi output gabungan adalah ~20 V (≈17,2 V). Dua output DC tersedia: satu di pengganda perantara dan satu di tahap akhir.

*SPICE 03441.eps *C22 4 5 1000p *C11 3 0 1000p D11 0 5 diode D22 5 3 diode C1 2 3 1000p D1 1 2 diode C2 4 1 1000p D2 3 1 diode V1 4 3 SIN(0 5 1k) .model diode d .tran 0.01m 5m .end

Gelombang menunjukkan clamping berturut-turut pada level yang lebih tinggi: v(5), v(4), dan v(1).

Pertimbangan Keamanan dan Praktis

• Parameter simulasi tipis (5 V, 1 kHz, 1 nF) menghasilkan arus mikroamp; untuk arus beban miliamper, gunakan kapasitor 0,1–1,0 µF pada rangkaian kHz.
• Untuk operasi jaringan listrik 50/60 Hz, kapasitor harus beberapa ratus hingga beberapa ribuan µF untuk menyediakan ratusan miliamper.
• Selalu perhatikan polaritas dan rating tegangan yang benar pada kapasitor elektrolitik—polaritas terbalik dapat menyebabkan ledakan.
• Rangkaian yang dijalankan langsung dari jaringan listrik (tanpa transformator) berbahaya; simpan dalam kotak pelindung dan jangan pernah breadboard tanpa pelindung keamanan.

Pengali Cockcroft–Walton

Pengali Cockcroft–Walton adalah rantai dari pengganda gelombang setengah. Dengan delapan tahap (x8), ia dapat menyediakan ~30 V dari input puncak 5 V, mengakomodasi penurunan dioda. Meskipun setiap tahap yang ditambahkan menghasilkan tegangan tambahan yang lebih sedikit, topologi ini menghindari kebutuhan akan transformator tegangan tinggi.

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

Aplikasi dunia nyata termasuk tabung pengali cahaya (hingga 2000 V) dan generator ion untuk pemurnian udara. Seri tangga menggantikan pembagi resistif, mengurangi panas dan meningkatkan efisiensi.

Poin Utama

• Pengali tegangan menyesuaikan puncak tegangan AC ke level DC yang lebih tinggi.
• Yang paling sederhana adalah pengganda gelombang setengah; pengganda gelombang penuh meningkatkan kinerja denyut.
• Pengkalikan tiga menggabungkan pengganda dengan detektor puncak; pengkwadruplasi menumpuk dua pengganda.
• Pengali Cockcroft–Walton menyediakan tegangan tinggi yang dapat diskalakan tanpa transformator yang mahal.

Lembar Kerja Terkait

• Lembar Kerja Rangkaian OpAmp Penjumlah dan Pengurang