ضرب کننده ولتاژ

ضرب کننده ولتاژ نوعی مدار یکسو­کننده دیودی است که می­‌تواند ولتاژ خروجی چندین برابر بیشتر از ولتاژ ورودی اعمال شده تولید کند.

در مقاله یکسوکننده­‌ها دیدیم که ولتاژ خروجی DC که توسط یکسو­کننده کنترل می­‌شود در مقداری کمتر از ولتاژ ورودی شبکه است. با این حال ضرب کننده ولتاژ، نوع خاصی از مدار یکسوکننده دیودی است که به طور بالقوه می‌­تواند ولتاژ خروجی چندین برابر بیشتر از ولتاژ ورودی اعمال شده تولید کند.

اگرچه در مدارهای الکترونیکی استفاده از ترانسفورماتور ولتاژ برای افزایش ولتاژ معمول است، گاهی اوقات ممکن است ترانسفورماتور افزاینده (step-up) مناسب یا ترانسفورماتور عایق مخصوص (specially insulated) مورد نیاز برای کاربردهای ولتاژ بالا همیشه در دسترس نباشد. یک روش جایگزین، استفاده از مدار ضرب­کننده ولتاژ دیودی است که بدون استفاده از ترانسفورماتور، ولتاژ را افزایش می­دهد.

ضرب‌کننده‌های ولتاژ از بسیاری جهات شبیه یکسوکننده‌ها هستند زیرا ولتاژهای AC را به DC برای استفاده در بسیاری از کاربردهای مدارهای الکتریکی و الکترونیکی مانند اجاق‌های مایکروویو، سیم‌پیچ‌های میدان الکتریکی قوی برای لوله‌های پرتوی کاتدی، تجهیزات تست الکترواستاتیک و ولتاژ بالا، تولید می­‌کنند و در جایی که لازم است یک ولتاژ DC بسیار بالا از منبع AC نسبتا کم تولید شود، استفاده می­شوند.

به طور کلی، ولتاژ خروجیDC  (Vdc) مدار یکسوکننده توسط مقدار پیک ولتاژ ورودی سینوسی آن محدود می­شود. اما با استفاده از ترکیبی از دیودهای یکسوکننده و خازن‌ها با هم، می‌توانیم این ولتاژ پیک ورودی را به طور مؤثر ضرب کنیم تا خروجی DC برابر با مقداری فرد یا حتی مضربی از مقدار پیک ولتاژ ورودی AC بدست آوریم. مدار ضرب کننده ولتاژ پایه را در زیر در نظر بگیرید.

ضرب کننده ولتاژ تمام موج

مدار بالا، یک مدار ضرب­ کننده ولتاژ متقارن پایه را نشان می‌­دهد که از دو مدار یکسوکننده نیم موج تشکیل شده است. با افزودن دیود و خازن دوم به خروجی یکسوکننده نیم موج استاندارد، می­‌توانیم ولتاژ خروجی آن را به میزان تعیین شده افزایش دهیم. این نوع پیکربندی ضرب­کننده ولتاژ به عنوان یک ضرب­ کننده سری تمام موج شناخته می­‌شود. زیرا یکی از دیودها در هر نیم سیکل، مانند مدار یکسوکننده تمام موج، هدایت می­کند.

هنگامی که ولتاژ ورودی سینوسی مثبت است، خازن C۱ از طریق دیود D۱ شارژ می­‌شود و زمانی که ولتاژ سینوسی منفی است، خازن C۲ از طریق دیود D۲ شارژ می­‌شود. ولتاژ خروجی 2VIN از دو خازن اتصال سری گرفته می­‌شود.

ولتاژ تولید شده توسط یک مدار ضرب­ کننده ولتاژ در تئوری نامحدود است اما به دلیل تنظیم ولتاژ نسبتا ضعیف و قابلیت جریان کم، معمولاً برای افزایش ولتاژ با ضریبی کمتر از ۱۰ طراحی شده­‌اند. با این حال، اگر مدارهای ضرب­کننده ولتاژ به درستی در اطراف یک ترانسفورماتور مناسب طراحی شوند، بسته به مقدار ولتاژ ورودی اولیه خود و با جریان­‌های کم در محدوده میلی آمپر، می­توانند ولتاژهای خروجی در محدوده چند صد ولت تا ده‌­ها هزار ولت تولید کنند.

دو برابر کننده ولتاژ

همانطور که از نام آن پیداست، دو برابر کننده ولتاژ یک مدار ضرب­ کننده ولتاژ است که دارای ضریب ولتاژ دو است. مدار فقط از دو دیود، دو خازن و یک ولتاژ ورودی AC نوسانی تشکیل شده است (شکل موج PWM نیز می­تواند استفاده شود). این مدار پمپ (pump circuit) دیود-خازن ساده یک ولتاژ خروجی DC برابر با مقدار پیک به پیک ورودی سینوسی می­‌دهد. به عبارت دیگر، مقدار پیک ولتاژ را دو برابر می‌کند، زیرا دیودها و خازن­‌ها با هم کار می‌­کنند تا ولتاژ را به طور موثر دو برابر کنند.

مدار دوبرابر کننده ولتاژ DC

 مدار بالا، یک دو برابر کننده ولتاژ نیم موج را نشان می­‌دهد. در طول نیم سیکل منفی شکل موج ورودی سینوسی، دیود D1 بایاس مستقیم است، هدایت کرده و خازن پمپ C1 را به حداکثر مقدار ولتاژ ورودی (Vp) شارژ می­‌کند. از آنجایی که هیچ مسیر برگشتی برای تخلیه خازن C1 وجود ندارد، به طور کامل شارژ می­‌شود و به عنوان یک المان ذخیره­‌سازی سری با منبع ولتاژ عمل می­‌کند. هم زمان، دیود D2 از طریق D1 هدایت کرده و خازن C2 را شارژ می‌­کند.

در طول نیم سیکل مثبت، دیود D1 بایاس معکوس است و جلوی تخلیه C1 را می­‌گیرد در حالی که دیود D2 بایاس مستقیم بوده و خازن C2 را شارژ می­‌کند. اما از آنجایی که ولتاژی در خازن C1 از قبل برابر با پیک ولتاژ ورودی است، خازن C2 به اندازه دو برابر مقدار ولتاژ پیک سیگنال ورودی شارژ می­‌شود.

به عبارت دیگر، V (پیک مثبت) + V (پیک منفی)، بنابراین در نیم سیکل منفی، دیود D1، خازن C1 را به Vp شارژ می­‌کند و در نیم سیکل مثبت D2، پیک ولتاژ AC را بهVp  در C1 اضافه می­‌کند و همه آن را به C2 منتقل می­‌کند. ولتاژ در خازن C2، از طریق بار تخلیه شده و برای نیم سیکل بعدی آماده می‌­شود.

بنابراین، ولتاژ دو سر خازن C2 را می­‌توان به صورت زیر محاسبه کرد: Vout = 2Vp، (البته منهای افت ولتاژ در دیودهای مورد استفاده) که در آن Vp مقدار پیک ولتاژ ورودی است. توجه داشته باشید که این ولتاژ خروجی دوبرابر شده، آنی نیست اما در هر سیکل ورودی به آرامی افزایش می‌یابد و در نهایت به 2Vp می‌رسد.

از آنجایی که خازن C2 فقط در طول نیم سیکل شکل موج ورودی شارژ می­‌شود، ولتاژ خروجی تخلیه شده به بار دارای فرکانس ریپل برابر با فرکانس تغذیه است، از این رو به آن دو برابر کننده ولتاژ نیم موج می­‌گویند. عیب این کار این است که هموار کردن این فرکانس ریپل بزرگ مانند مدار یکسوکننده نیم موج، می‌­تواند دشوار باشد. همچنین، خازن C2 باید دارای ولتاژ آستانه DC حداقل دو برابر مقدار پیک ولتاژ ورودی باشد.

مزیت “مدار ضرب­ کننده ولتاژ” این است که اجازه می­‌دهد ولتاژهای بیشتری از منبع برق ولتاژ پایین بدون نیاز به یک ترانسفورماتور گران قیمت ولتاژ بالا تولید شود همانطور که مدار دو برابر کننده ولتاژ، استفاده از ترانسفورماتور با نسبت افزایش پایین­تر را نسبت به زمانی که از یک منبع تمام موج معمولی استفاده می­‌شود، ممکن می­‌سازد. با این حال، در حالی که ضرب‌کننده‌های ولتاژ می‌توانند ولتاژ را افزایش دهند، آن­ها فقط می‌توانند جریان‌های کم را به یک بار با مقاومت بالا (+100kΩ) تامین کنند، زیرا با افزایش جریان بار، ولتاژ خروجی تولید شده به سرعت کاهش می‌یابد.

با معکوس کردن جهت دیودها و خازن­‌ها در مدار، می­‌توانیم جهت ولتاژ خروجی را نیز معکوس کنیم و خروجی ولتاژ منفی ایجاد کنیم. همچنین، اگر خروجی یک مدار ضرب‌کننده را به ورودی یک مدار دیگر (سری) وصل کنیم، می‌توانیم ولتاژ خروجی DC را با گام­هایی از اعداد صحیح افزایش دهیم تا سه برابر کننده ولتاژ یا مدارهای چهار برابر کننده ولتاژ تولید کنیم.

مدار سه برابر کننده ولتاژ DC

با افزودن یک قسمت دیود-خازن اضافی به مدار دو برابر کننده ولتاژ نیم موج در بالا، می‌توانیم مدار ضرب‌کننده ولتاژ دیگری ایجاد کنیم که ولتاژ ورودی آن را با ضریب سه افزایش می‌دهد و مداری را تولید می‌کند که به آن مدار سه‌ برابر کننده ولتاژ می‌گویند.

یک “مدار سه برابر کننده ولتاژ” از یک و نیم قسمت دوبرابر کننده ولتاژ تشکیل شده است. این مدار ضرب­کننده ولتاژ یک خروجی DC برابر با سه برابر مقدار پیک ولتاژ (3Vp) سیگنال ورودی سینوسی می­دهد. مانند دو برابر کننده ولتاژ قبلی، دیودهای داخل مدار سه برابر کننده ولتاژ بسته به جهت نیم چرخه ورودی، شارژ و تخلیه خازن­ها را مسدود می­کنند. بنابراین، 1Vp در C3 و 2Vp در C2 افت می­کند و از آنجایی که دو خازن به صورت سری هستند، این عمل منجر به مشاهده ولتاژی معادل 3Vp در بار می‌شود.

توجه داشته باشید که ولتاژ خروجی واقعی سه برابر پیک ولتاژ ورودی منهای افت ولتاژ در دیودهای مورد استفاده (V)، 3Vp – V خواهد بود.

اگر یک مدار سه برابر کننده ولتاژ را بتوان با متصل کردن یک و نیم ضرب­‌کننده ولتاژ با هم ساخت، بنابراین می‌­توان مدار چهار برابر کننده ولتاژ را با اتصال دو مدار دو برابر کننده ولتاژ کامل مطابق شکل زیر ایجاد کرد.

مدار چهار برابر کننده ولتاژ DC

اولین قسمت ضرب‌کننده ولتاژ، ولتاژ ورودی پیک را دو برابر می‌کند و قسمت دوم آن را دوباره دو برابر می‌کند و خروجی DC چهار برابر مقدار پیک ولتاژ (4Vp) سیگنال ورودی سینوسی می‌باشد. همچنین استفاده از خازن­‌های با مقدار بالا به کاهش ولتاژ ریپل کمک می‌کند.

خلاصه ضرب کننده ولتاژ

دیدیم که ضرب­ کننده‌های ولتاژ مدارهای ساده‌ای هستند که از دیودها و خازن‌ها ساخته شده‌اند و می‌توانند ولتاژ ورودی را دو، سه یا چهار برابر کنند و با متصل کردن نصف یا تمام یک قسمت ضرب­کننده به صورت سری، ولتاژ DC مورد نظر را به یک بار معین بدون نیاز به ترانسفورماتور افزاینده اعمال کرد.

مدارهای ضرب­کننده ولتاژ بسته به نسبت ولتاژ خروجی به ولتاژ ورودی، به دسته­‌های دو برابر کننده، سه برابر کننده یا چهار برابر کننده و غیره طبقه‌­بندی می­‌شوند. در تئوری، هر مقدار دلخواه از ضریب ولتاژ را می­‌توان به دست آورد و N اتصال از دو برابر کننده­‌های ولتاژ، ولتاژ خروجی 2N.Vp ولت تولید می­‌کند.

به عنوان مثال، یک مدار ضرب­کننده ولتاژ 10 مرحله­ای با ولتاژ پیک ورودی 100 ولت، بدون استفاده از ترانسفورماتور، ولتاژ خروجی DC حدود 1000 ولت یا 1 کیلو ولت می‌دهد.

با این حال، دیودها و خازن‌های مورد استفاده در همه مدارهای ضرب­‌کننده باید دارای حداقل ولتاژ آستانه شکست معکوس حداقل دو برابر ولتاژ پیک باشند، زیرا مدارهای ضرب­کننده ولتاژ چند مرحله‌ای می‌توانند ولتاژهای بسیار بالایی تولید کنند، بنابراین مراقب باشید. همچنین، ضرب‌کننده‌های ولتاژ معمولاً جریان‌های کم را برای بارهای با مقاومت بالا تأمین می‌کنند، زیرا با افزایش جریان بار، ولتاژ خروجی به سرعت کاهش می‌یابد.

مدارهای ضرب­کننده ولتاژ نشان داده شده در بالا، همگی برای مهیا کردن ولتاژ خروجی DC مثبت طراحی شده­اند. اما همچنین می­توانند به گونه‌­ای طراحی شوند که خروجی‌های ولتاژ منفی را به سادگی با معکوس کردن قطبیت همه دیودهای ضرب­‌کننده و خازن­‌ها برای تولید یک دو برابر کننده ولتاژ منفی ایجاد کنند.