전압 증배기(2배, 3배, 4배 등)
전압 증배기는 이론적으로 AC 피크 입력의 정수 배, 예를 들어 AC 피크 입력의 2배, 3배 또는 4배의 출력을 생성하는 특수 정류 회로입니다. 따라서 배전압 증폭기를 사용하면 100V 피크 AC 전원에서 200VDC를, 사배전압 증폭기를 사용하면 400VDC를 얻을 수 있습니다. 실제 회로에서 어떤 부하든 이 전압을 낮출 수 있습니다.
먼저 전압 증배기의 여러 유형(전압 배가기(반파 및 전파), 전압 3배기, 전압 4배기)에 대해 살펴보겠습니다. 그런 다음 전압 증배기 안전에 대한 일반적인 사항을 설명하고 Cockcroft-Walton 증배기로 마무리하겠습니다.
전압 배가기
전압 배전압 애플리케이션은 240VAC 또는 120VAC 전원을 사용할 수 있는 DC 전원 공급 장치입니다. 이 전원 공급 장치는 스위치 선택형 전파 브리지를 사용하여 240VAC 전원에서 약 300VDC를 생성합니다. 스위치의 120V 위치는 브리지를 배전압 장치로 재배선하여 120VAC에서 약 300VDC를 생성합니다. 두 경우 모두 300VDC가 생성됩니다. 이 전압은 스위칭 레귤레이터의 입력으로, 개인용 컴퓨터 등에 전원을 공급하기 위한 저전압을 생성합니다.
반파 전압 배가기
그림 1(a)의 반파 전압 배가기는 (b)에 나타낸 클램퍼 와 (c)에 나타낸 피크 검출기 (반파 정류기)의 두 회로로 구성됩니다. 이 피크 검출기(반파 정류기)에 C2 가 추가되었습니다.
그림 1. 반파전압 배가기(a)는 (b) 클램퍼와 (c) 반파정류기로 구성된다.
반파 전압 배가기 동작 회로 분석
위 그림 1(b)를 참조하면, C 2 는 AC 입력의 음의 반주기에서 5V(다이오드 전압 강하를 고려하면 4.3V)까지 충전됩니다. 오른쪽 끝은 도통된 D 2 에 의해 접지됩니다 . 왼쪽 끝은 AC 입력의 음의 피크에서 충전됩니다. 이것이 클램퍼 의 작동 원리입니다 .
양의 반주기 동안 반파 정류기는 위의 그림 1(c)에 나와 있습니다. 다이오드 D 2는 역방향 바이어스이므로 회로에서 벗어났습니다. C 2는 이제 전압원과 직렬로 연결되었습니다. 발전기와 C 2 의 극성에 주목하세요. 따라서 정류기 D 1은 사인파의 피크에서 총 10V, 발전기에서 5V, C 2 에서 5V를 봅니다 . D 1은 그림 2에 나와 있듯이 파형 v(1)을 전도하여 5V DC를 타고 사인파의 피크까지 C 1을 충전합니다 - 그림 2 v(2). 파형 v(2)는 더블러의 출력으로, 사인파 입력의 몇 사이클 후 10V(다이오드 강하로 8.6V)에서 안정화됩니다.
그림 2. 전압 배가기: v(4) 입력. v(1) 클램퍼 단계. v(2) 반파 정류기 단계는 배가기 출력입니다.
전파 전압 배가기
전파 전압 배율기는 한 쌍의 직렬 적층 반파 정류기로 구성됩니다(그림 3). 해당 넷리스트는 아래 그림에 나와 있습니다.
전파 전압 배가기 동작 분석
하단 정류기는 입력의 음의 반주기에서 C1을 충전합니다. 상단 정류기는 양의 반주기에서 C2를 충전합니다 . 각 커패시터 는 5V(다이오드 전압 강하를 고려하면 4.3V)의 전하를 가집니다. 노드 5의 출력은 C1 + C2 의 직렬 합인 10V(다이오드 전압 강하를 고려하면 8.6V)입니다.
그림 3. 전파 전압 배가기는 교대 극성으로 작동하는 두 개의 반파 정류기로 구성됩니다.
그림 4의 출력 v(5)는 입력 v(2) 변동의 한 사이클 내에 전체 값에 도달한다는 점에 유의하십시오.
그림 4. 전파 전압 배가기: v(2) 입력, v(3) 중간 지점 전압, v(5) 출력 전압.
반파 정류기에서 전파 더블러 도출
아래 그림은 반대 극성의 반파 정류기 한 쌍에서 전파 배율기를 유도하는 과정을 보여줍니다(a). 명확성을 위해 한 쌍의 음극 정류기를 다시 그렸습니다(b). 두 정류기는 (c)에서 결합되어 동일한 접지를 공유합니다. (d)에서 음극 정류기는 양극 정류기와 하나의 전압원을 공유하도록 다시 배선됩니다. 이렇게 하면 ±5V(다이오드 전압 강하 시 4.3V)의 전원 공급 장치가 생성되지만, 두 출력 간에는 10V까지 측정 가능합니다. 접지 기준점을 이동하여 접지에 대해 +10V를 사용할 수 있도록 했습니다.
그림 5. 전파 더블러: (a) 더블러 쌍, (b) 다시 그린 그림, (c) 접지 공유, (d) 동일한 전압 소스 공유. (e) 접지 지점 이동.
전압 트리플러
전압 3배기 (아래 그림 6)는 배율기와 반파 정류기(C 3 , D 3 )를 결합하여 구성됩니다. 반파 정류기는 노드 3에서 5V(4.3V)를 생성합니다. 배율기는 노드 2와 노드 3 사이에 10V(8.4V)를 추가로 제공하여 출력 노드 2의 접지 기준 전압은 총 15V(12.9V)가 됩니다.
그림 6. 단일 단계 정류기 위에 더블러를 쌓아서 만든 전압 3배기.
그림 7의 V(3)은 첫 번째 음의 반주기에서 5V(4.3V)로 상승합니다. 입력 v(4)는 반파 정류기에서 5V로 인해 5V(4.3V)만큼 위쪽으로 이동합니다. 그리고 클램퍼(C 2 , D 2 )로 인해 v(1)에서 5V 더 이동합니다. D 1은 C 1 (파형 v(2))을 v(1)의 피크 값까지 충전합니다. 그림 6의 회로도에 대한 넷리스트도 그림 7에 포함되어 있습니다.
그림 7. 전압 3배기: v(3) 반파 정류기, v(4) 입력+ 5V, v(1) 클램퍼, v(2) 최종 출력.
전압 4배기
전압 4배기는 그림 8에 표시된 두 개의 2배기를 적층한 조합입니다. 각 2배기는 접지에 대해 노드 2에서 20V(17.2V)의 직렬 총계에 대해 10V(8.6V)를 제공합니다.
그림 8. 전압 4배기. 직렬로 연결된 2개의 2배기로 구성되며 출력은 노드 2에 있습니다.
4배기(quadrupler)의 파형은 그림 9에 나와 있습니다. 두 개의 DC 출력, 즉 더블러 출력인 v(3)과 4배기 출력인 v(2)를 사용할 수 있습니다. 클램퍼의 일부 중간 전압은 5V씩 변동하는 입력 사인파(그림에 표시되지 않음)가 더 높은 레벨인 v(5), v(4), 그리고 v(1)에서 순차적으로 클램핑됨을 보여줍니다. 엄밀히 말하면 v(4)는 클램퍼 출력이 아닙니다. 이는 단순히 v(3) 더블러 출력과 직렬로 연결된 AC 전압원 입니다 . 그럼에도 불구하고, v(1)은 v(4)의 클램핑된 버전입니다.
그림 9. 전압 4배기: v(3) 및 v(2)에서 사용 가능한 DC 전압. 중간 파형: 클램퍼: v(5), v(4), v(1).
전압 증배기 및 라인 구동 전원 공급 장치에 대한 참고 사항
이 시점에서 전압 배율기에 대한 몇 가지 참고 사항을 알려드리겠습니다. 예제에서 사용된 회로 매개변수(V = 5V, 1kHz, C = 1000pf)는 마이크로암페어(μA) 수준의 전류를 제공하지 않습니다. 또한, 부하 저항은 생략되었습니다. 부하가 걸리면 표시된 전압보다 전압이 낮아집니다. 예제처럼 저전압에서 kHz 소스로 회로를 구동하는 경우, 커패시터는 일반적으로 0.1~1.0µF 용량을 사용하므로 출력에서 밀리암페어(mA)의 전류를 얻을 수 있습니다. 배율기를 50/60Hz에서 구동하는 경우, 커패시터는 수백~수천 마이크로패럿 용량을 사용하여 수백 밀리암페어의 출력 전류를 제공합니다. 라인 전압에서 구동하는 경우, 커패시터의 극성과 정격 전압에 유의해야 합니다.
마지막으로, 변압기가 없는 모든 직접 구동 전원 공급 장치는 실험자와 라인 구동 시험 장비에 위험합니다. 상업용 직접 구동 전원 공급 장치는 사용자를 보호하기 위해 위험한 회로가 밀폐되어 있어 안전합니다. 이러한 회로에 어떤 전압의 전해 커패시터를 브레드보드로 연결할 경우, 극성이 바뀌면 커패시터가 폭발할 수 있습니다. 이러한 회로는 안전 차폐 장치 뒤에 전원을 연결해야 합니다.
콕크로프트-월튼 곱셈기
그림 10에 나타낸 바와 같이 , 임의의 길이를 갖는 반파배수기를 계단식으로 연결한 전압 증배기를 콕크로프트-월턴 증배기라고 합니다. 이 증배기는 저전류에서 고전압이 필요할 때 사용됩니다. 기존 전원 공급 장치에 비해 장점은 값비싼 고전압 변압기가 필요하지 않다는 것입니다. 적어도 출력 전압만큼은 필요하지 않습니다.
그림 10. Cockcroft-Walton x8 전압 증배기; v(8)에서 출력.
그림 10에서 노드 1과 노드 2 왼쪽에 있는 다이오드와 커패시터 쌍은 반파장 배가기를 구성합니다. 다이오드를 시계 반대 방향으로 45 ° 회전시키고 아래쪽 커패시터를 90 ° 회전시키면 그림 1(a)과 같이 보입니다. 배가기 섹션 중 네 개는 이론적인 x8 배율에 맞춰 오른쪽으로 계단식으로 연결되어 있습니다. 노드 1은 클램퍼 파형(그림에 표시되지 않음)을 가지는데, 이는 1배(5V)만큼 위로 이동된 사인파입니다. 다른 홀수 노드는 순차적으로 더 높은 전압으로 클램프된 사인파입니다. 첫 번째 배가기의 출력인 노드 2는 그림 11에서 2배 DC 전압 v(2)입니다. 연속된 짝수 노드는 순차적으로 더 높은 전압으로 충전됩니다: v(4), v(6), v(8).
그림 11. Cockcroft-Walton(x8) 파형. 출력은 v(8)입니다.
다이오드 전압 강하가 없다면, 각 더블러는 2Vin 또는 10V를 생성하는데, 다이오드 전압 강하 두 개(10-1.4) = 8.6V가 현실적인 값이라고 가정합니다. 총 4개의 더블러를 사용할 경우, 40V 중 4·8.6 = 34.4V가 예상됩니다.
그림 10을 참조하면 v(2)는 거의 맞습니다. 그러나 v(8)은 예상했던 34.4V가 아닌 < 30V입니다. Cockcroft-Walton 곱셈기의 단점은 각 추가 단계가 이전 단계보다 적게 추가된다는 것입니다. 따라서 단계 수에 실질적인 제한이 있습니다. 기본 회로를 수정하면 이 제한을 극복할 수 있습니다. [ABR] 또한 이전 회로의 5ms와 비교하여 40ms의 시간 척도에 주목하십시오. 이 회로의 경우 전압이 터미널 값으로 상승하는 데 40ms가 필요했습니다. 위 그림 11의 넷리스트에는 시뮬레이션 시간을 50ms로 늘리는 ".tran 0.010 m 50 m" 명령이 있지만 40ms만 표시됩니다.
Cockcroft-Walton 증배기는 최대 2000V를 필요로 하는 광전증배관의 고전압 전원으로 더욱 효율적입니다. [ABR] 또한, 이 광전증배관은 다수의 다이노드를 가지고 있으며 , 각 다이노드는 저전압 "짝수" 노드에 연결해야 합니다. 직렬로 연결된 증배기 탭은 기존 설계의 발열 저항 전압 분배기를 대체합니다.
AC 전원으로 작동하는 Cockcroft-Walton 증폭기는 정전기를 중화하고 공기 청정기를 작동시키는 "이온 발생기"에 고전압을 공급합니다.
전압 증배기 검토
- 전압 증배기는 AC 피크 입력 전압의 DC 배수(2, 3, 4 등)를 생성합니다.
- 가장 기본적인 곱셈기는 반파장 배가기입니다.
- 전파 더블은 더블러로서 우수한 회로입니다.
- 트리플러는 반파 더블러와 기존의 정류기 단계(피크 검출기)입니다.
- 쿼드러플러는 반파장 더블러 한 쌍입니다.
- 반파장 배가기의 긴 문자열은 콕크로프트-월튼 곱셈기라고 합니다.