전압 승수

728x90

전압 승수

전압 배율기는 적용된 입력 전압보다 몇 배 더 큰 출력 전압을 생성할 수 있는 일종의 다이오드 정류기 회로입니다.

정류기 에 대한 튜토리얼에서 우리는 정류기에 의해 제어되는 DC 출력 전압이 주 입력 전압보다 낮은 값에 있음을 확인했습니다. 그러나 전압 배율기는 적용된 입력 전압보다 몇 배 더 큰 출력 전압을 잠재적으로 생성할 수 있는 특수한 유형의 다이오드 정류기 회로입니다.

전자 회로에서는 전압을 높이기 위해 변압기를 사용하는 것이 일반적이지만 때로는 고전압 애플리케이션에 필요한 적절한 승압 변압기 또는 특수 절연 변압기를 항상 사용할 수 있는 것은 아닙니다. 한 가지 대안적 접근 방식은 변압기를 사용하지 않고 전압을 높이거나 "승압"하는 다이오드 전압 증배기 회로를 사용하는 것입니다.

전압 증배기는 전자레인지, 음극선관용 강한 전기장 코일, 정전기 및 고전압 테스트 장비와 같은 많은 전기 및 전자 회로 응용 분야에 사용하기 위해 AC-DC 전압을 변환한다는 점에서 정류기와 여러 면에서 유사합니다. 등, 상대적으로 낮은 AC 공급 장치에서 생성된 매우 높은 DC 전압이 필요한 경우.

일반적으로 정류기 회로의 DC 출력 전압( Vdc )은 정현파 입력 전압의 피크 값에 의해 제한됩니다. 그러나 정류기 다이오드와 커패시터의 조합을 함께 사용하면 이 입력 피크 전압을 효과적으로 곱하여 AC 입력 전압의 피크 전압 값의 홀수 또는 짝수 배수와 동일한 DC 출력을 제공할 수 있습니다. 아래의 기본 전압 증배기 회로를 고려하십시오.

 

전파 전압 승수

 

위의 회로는 두 개의 반파 정류기 회로로 구성된 기본 대칭 전압 증배기 회로를 보여줍니다. 표준 반파장 정류기의 출력에 두 번째 다이오드와 커패시터를 추가하면 출력 전압을 설정된 양만큼 높일 수 있습니다. 이러한 유형의 전압 증배기 구성은 전파 정류기 회로 와 마찬가지로 다이오드 중 하나가 각 반주기에서 전도되기 때문에 전파 직렬 배율기라고 합니다.

정현파 입력 전압이 양수이면 커패시터 C 1 은 다이오드 D 1 을 통해 충전되고 , 정현파 전압이 음수이면 커패시터 C 2 는 다이오드 D 2 를 통해 충전됩니다 . 출력 전압 2V IN은 직렬로 연결된 2개의 커패시터에 걸쳐 발생합니다.

전압 증배기 회로 에 의해 생성된 전압은 이론적으로 무제한이지만 상대적으로 열악한 전압 조정 및 낮은 전류 성능으로 인해 일반적으로 전압을 10배 미만으로 증가시키도록 설계됩니다. 그러나 적합한 변압기 주위에 올바르게 설계되면 전압 증배기 회로는 원래 입력 전압 값에 따라 수백 ~ 수만 볼트 범위의 출력 전압을 생성할 수 있지만 모두 밀리암페어 범위의 낮은 전류를 갖습니다.

전압 배율기

이름에서 알 수 있듯이 전압 더블러(Voltage Doubler) 는 전압 배율이 2인 전압 배율기 회로입니다. 회로는 다이오드 2개, 커패시터 2개, 발진 AC 입력 전압(PWM 파형도 사용할 수 있음)으로만 구성됩니다. 이 간단한 다이오드 커패시터 펌프 회로는 정현파 입력의 피크 대 피크 값과 동일한 DC 출력 전압을 제공합니다. 즉, 다이오드와 커패시터가 함께 작동하여 전압을 효과적으로 두 배로 늘리므로 피크 전압 값을 두 배로 늘립니다.

DC 전압 배율기 회로

 

그렇다면 어떻게 작동합니까? 회로는 반파 전압 배율기를 보여줍니다. 정현파 입력 파형의 음의 반주기 동안 다이오드 D1은 순방향 바이어스되어 펌프 커패시터 C1을 입력 전압의 피크 값( Vp )까지 충전합니다 . 커패시터 C1 이 방전될 복귀 경로가 없기 때문에 전압 공급 장치와 직렬로 연결된 저장 장치 역할을 하면서 완전히 충전된 상태로 유지됩니다. 동시에 다이오드 D2는 D1 충전 커패시터 C2를 통해 전도됩니다 .

포지티브 반주기 동안 다이오드 D1 은 역방향 바이어스되어 C1 의 방전을 차단하는 반면, 다이오드 D2는 순방향 바이어스되어 커패시터 C2를 충전합니다 . 그러나 커패시터 C1 양단의 전압은 이미 피크 입력 전압과 동일하므로 커패시터 C2는 입력 신호의 피크 전압 값의 두 배까지 충전됩니다.

즉, V(양의 피크) + V(음의 피크) 이므로 음의 반주기에 D1은 C1을 Vp 로 충전 하고 양의 반주기에 D2는 AC 피크 전압을 C1 의 Vp 에 추가하여 모두 전송합니다. C2 로 . 커패시터 양단의 전압 C2는 다음 반주기 동안 준비된 부하를 통해 방전됩니다.

그런 다음 커패시터 양단의 전압 C2는 다음과 같이 계산할 수 있습니다. Vout = 2Vp (물론 사용된 다이오드 양단의 전압 강하 제외) 여기서 Vp 는 입력 전압의 피크 값입니다. 이 이중 출력 전압은 순간적이지 않고 각 입력 사이클에서 천천히 증가하여 결국 2Vp 로 안정화됩니다 .

커패시터 C2는 입력 파형의 반주기 동안에만 충전되므로 부하로 방전되는 결과 출력 전압은 공급 주파수와 동일한 리플 주파수를 가지므로 반파 전압 더블러라는 이름이 붙습니다. 이 방법의 단점은 반파 정류기 회로와 거의 동일한 방식으로 이 큰 리플 주파수를 평활화하는 것이 어려울 수 있다는 것입니다. 또한 커패시터 C2는 피크 입력 전압 값의 최소 2배에 해당하는 DC 정격 전압을 가져야 합니다.

"전압 증배기 회로"의 장점은 배전압 회로를 사용하면 승압 비율이 낮은 변압기를 사용할 수 있으므로 값비싼 고전압 변압기 없이도 저전압 전원에서 더 높은 전압을 생성할 수 있다는 것입니다. 일반적인 전파 공급 장치를 사용하는 경우 필요한 것보다. 그러나 전압 증배기는 전압을 높일 수 있지만 생성된 출력 전압은 부하 전류가 증가함에 따라 빠르게 떨어지기 때문에 고저항(+100kΩ) 부하에 낮은 전류만 공급할 수 있습니다.

 

회로에서 다이오드와 커패시터의 방향을 바꾸면 출력 전압의 방향을 바꾸어 음의 전압 출력을 생성할 수도 있습니다. 또한 하나의 곱셈 회로의 출력을 다른 곱셈 회로의 입력에 연결하면(계단식) DC 출력 전압을 정수 단계로 계속 증가시켜 그림과 같이 전압 삼중기 또는 전압 사중기 회로 등을 생성할 수 있습니다.

DC 전압 트리플러 회로

 

위의 반파장 전압 더블러 회로에 추가 단일 다이오드-커패시터 스테이지를 추가함으로써 입력 전압을 3배 증가시키고 소위 전압 트리플러 회로를 생성하는 또 다른 전압 멀티플라이어 회로를 만들 수 있습니다 .

"전압 삼중기 회로"는 1.5배기 전압 스테이지로 구성됩니다. 이 전압 증배기 회로는 정현파 입력 신호의 피크 전압 값( 3Vp )의 3배에 해당하는 DC 출력을 제공합니다. 이전 전압 더블러와 마찬가지로 전압 트리플러 회로 내의 다이오드는 입력 반주기의 방향에 따라 커패시터의 방전을 충전하고 차단합니다. 그런 다음 C3 에서 1Vp가 떨어지고 C2 에서 2Vp가 떨어지며 두 커패시터가 직렬로 연결되므로 부하에 3Vp 와 동일한 전압이 표시됩니다 .

실제 출력 전압은 피크 입력 전압의 3배에서 사용된 다이오드 양단의 전압 강하 (3Vp – V(다이오드)) 를 뺀 값입니다 .

하나의 절반 전압 배율기를 함께 계단식으로 연결하여 전압 삼중기 회로를 만들 수 있는 경우 그림과 같이 두 개의 전체 전압 배배기 회로를 함께 계단식으로 연결하여 전압 사중기 회로를 구성할 수 있습니다.

DC 전압 쿼드러플러 회로

 

첫 번째 전압 증배기 단계는 피크 입력 전압을 두 배로 늘리고, 두 번째 단계에서는 이를 다시 두 배로 늘려 정현파 입력 신호의 피크 전압 값( 4Vp )의 4배에 해당하는 DC 출력을 제공합니다. 또한 큰 값의 커패시터를 사용하면 리플 전압을 줄이는 데 도움이 됩니다.

전압 승수 요약

그런 다음 전압 배율기는 입력 전압을 2배, 3배 또는 4배까지 증가시킬 수 있고 개별 하프 스테이지 또는 풀 스테이지 멀티플라이어를 직렬로 연결하여 원하는 DC 전압을 주어진 전압에 적용할 수 있는 다이오드 및 커패시터로 만든 간단한 회로라는 것을 확인했습니다. 승압 변압기 없이 부하를 부하할 수 있습니다.

전압 증배기 회로는 입력 전압에 대한 출력 전압의 비율에 따라 전압 2배기, 3배기, 4배기 등으로 분류됩니다. 이론적으로 원하는 양의 전압 증배를 얻을 수 있으며 "N" 더블러의 캐스케이드는 2N.Vp 볼트의 출력 전압을 생성합니다.

예를 들어, 피크 입력 전압이 100V인 10단계 전압 증배기 회로는 손실이 없다고 가정할 때 변압기를 사용하지 않고 약 1,000V 또는 1kV의 DC 출력 전압을 제공합니다.

그러나 모든 증배 회로에 사용되는 다이오드와 커패시터는 다단계 전압 증배 회로가 매우 높은 전압을 생성할 수 있으므로 최소 역항복 전압 정격이 피크 전압의 두 배 이상이어야 하므로 주의해야 합니다. 또한, 전압 증배기는 일반적으로 부하 전류가 증가함에 따라 출력 전압이 빠르게 떨어지기 때문에 고저항 부하에 낮은 전류를 공급합니다.

위에 표시된 전압 증배 회로는 모두 양의 DC 출력 전압을 제공하도록 설계되었습니다. 그러나 모든 증배기 다이오드와 커패시터의 극성을 간단히 반전시켜 음 전압 더블러를 생성함으로써 음 전압 출력을 제공하도록 설계할 수도 있습니다.