電壓倍增器

電壓倍增器是一種二極管整流電路，能夠產(chǎn)生比輸入電壓高許多倍的輸出電壓。

在關(guān)于整流器的教程中，我們看到整流器控制的直流輸出電壓低于主輸入電壓。然而，電壓倍增器是一種特殊的二極管整流電路，能夠產(chǎn)生比輸入電壓高許多倍的輸出電壓。

雖然在電子電路中通常使用電壓變壓器來增加電壓，但有時(shí)可能無法獲得適用于高壓應(yīng)用的合適升壓變壓器或特殊絕緣變壓器。一種替代方法是使用二極管電壓倍增電路，它可以在不使用變壓器的情況下增加或“提升”電壓。

電壓倍增器在許多方面與整流器相似，因?yàn)樗鼈儗⒔涣麟妷恨D(zhuǎn)換為直流電壓，用于許多電氣和電子電路應(yīng)用，如微波爐、陰極射線管的強(qiáng)電場(chǎng)線圈、靜電和高壓測(cè)試設(shè)備等，這些應(yīng)用需要從相對(duì)較低的交流電源產(chǎn)生非常高的直流電壓。

通常，整流電路的直流輸出電壓（Vdc）受其正弦輸入電壓的峰值限制。但是，通過結(jié)合使用整流二極管和電容器，我們可以有效地倍增輸入峰值電壓，從而產(chǎn)生等于交流輸入電壓峰值值的奇數(shù)或偶數(shù)倍的直流輸出電壓。考慮以下基本電壓倍增電路。

全波電壓倍增器

全波電壓倍增器

上述電路顯示了一個(gè)由兩個(gè)半波整流電路組成的基本對(duì)稱電壓倍增電路。通過在標(biāo)準(zhǔn)半波整流器的輸出端添加第二個(gè)二極管和電容器，我們可以將其輸出電壓增加一定量。這種類型的電壓倍增配置被稱為全波串聯(lián)倍增器，因?yàn)槊總€(gè)半周期中都有一個(gè)二極管導(dǎo)通，與全波整流電路相同。

當(dāng)正弦輸入電壓為正時(shí)，電容器C1通過二極管D1充電；當(dāng)正弦電壓為負(fù)時(shí)，電容器C2通過二極管D2充電。輸出電壓2VIN取自兩個(gè)串聯(lián)連接的電容器。

理論上，電壓倍增電路產(chǎn)生的電壓是無限的，但由于其相對(duì)較差的電壓調(diào)節(jié)和低電流能力，通常設(shè)計(jì)為將電壓增加不到十倍。然而，如果圍繞合適的變壓器正確設(shè)計(jì)，電壓倍增電路能夠產(chǎn)生幾百到幾萬伏的輸出電壓，具體取決于其原始輸入電壓值，但所有電流都在毫安范圍內(nèi)。

電壓倍增器

顧名思義，電壓倍增器是一種電壓倍增電路，其電壓倍增系數(shù)為二。該電路僅由兩個(gè)二極管、兩個(gè)電容器和一個(gè)振蕩的交流輸入電壓（也可以使用PWM波形）組成。這個(gè)簡(jiǎn)單的二極管-電容器泵電路產(chǎn)生的直流輸出電壓等于正弦輸入的峰峰值。換句話說，由于二極管和電容器共同作用，電壓被有效地加倍。

直流電壓倍增電路

電壓倍增電路

那么它是如何工作的呢？該電路顯示了一個(gè)半波電壓倍增器。在正弦輸入波形的負(fù)半周期期間，二極管D1正向偏置并導(dǎo)通，將泵電容器C1充電至輸入電壓的峰值（Vp）。由于電容器C1沒有放電回路，它保持完全充電狀態(tài)，作為與電壓源串聯(lián)的存儲(chǔ)設(shè)備。同時(shí)，二極管D2通過D1導(dǎo)通，為電容器C2充電。

在正半周期期間，二極管D1反向偏置，阻止C1放電，而二極管D2正向偏置，為電容器C2充電。但由于電容器C1上已經(jīng)有一個(gè)等于輸入電壓峰值的電壓，電容器C2充電至輸入信號(hào)峰值電壓的兩倍。

換句話說，V（正峰值）+ V（負(fù)峰值），因此在負(fù)半周期，D1將C1充電至Vp，而在正半周期，D2將交流峰值電壓加到C1上的Vp，并將其全部轉(zhuǎn)移到C2。電容器C2上的電壓通過負(fù)載放電，為下一個(gè)半周期做好準(zhǔn)備。

然后，電容器C2上的電壓可以計(jì)算為：Vout = 2Vp（當(dāng)然減去所用二極管的電壓降），其中Vp是輸入電壓的峰值。請(qǐng)注意，這個(gè)雙倍輸出電壓不是瞬時(shí)的，而是在每個(gè)輸入周期上緩慢增加，最終穩(wěn)定在2Vp。

由于電容器C2僅在輸入波形的一個(gè)半周期內(nèi)充電，因此放電到負(fù)載中的輸出電壓具有等于電源頻率的紋波頻率，因此稱為半波電壓倍增器。這樣做的缺點(diǎn)是，與半波整流電路類似，可能難以平滑這種大的紋波頻率。此外，電容器C2必須具有至少兩倍于輸入電壓峰值的直流電壓額定值。

“電壓倍增電路”的優(yōu)點(diǎn)是，它允許從低電壓電源創(chuàng)建更高的電壓，而無需昂貴的高壓變壓器，因?yàn)殡妷罕对銎麟娐肥沟每梢允褂帽绕胀ㄈ娫此璧纳龎罕雀偷淖儔浩?。然而，雖然電壓倍增器可以提升電壓，但它們只能向高電阻（+100kΩ）負(fù)載提供低電流，因?yàn)殡S著負(fù)載電流的增加，生成的輸出電壓會(huì)迅速下降。

通過反轉(zhuǎn)電路中二極管和電容器的方向，我們還可以反轉(zhuǎn)輸出電壓的方向，從而產(chǎn)生負(fù)電壓輸出。此外，如果我們將一個(gè)倍增電路的輸出連接到另一個(gè)倍增電路的輸入（級(jí)聯(lián)），我們可以繼續(xù)以整數(shù)步長(zhǎng)增加直流輸出電壓，從而產(chǎn)生電壓三倍器或電壓四倍器電路等，如圖所示。

直流電壓三倍器電路

三倍器電路

通過在上述半波電壓倍增器電路中添加一個(gè)額外的單二極管-電容器級(jí)，我們可以創(chuàng)建另一個(gè)電壓倍增電路，將其輸入電壓增加三倍，從而產(chǎn)生所謂的電壓三倍器電路。

“電壓三倍器電路”由一個(gè)半電壓倍增器級(jí)組成。該電壓倍增電路產(chǎn)生的直流輸出等于正弦輸入信號(hào)峰值電壓值的三倍（3Vp）。與之前的電壓倍增器一樣，電壓三倍器電路中的二極管根據(jù)輸入半周期的方向充電并阻止電容器的放電。然后，1Vp降在C3上，2Vp降在C2上，由于兩個(gè)電容器串聯(lián)，負(fù)載看到的電壓相當(dāng)于3Vp。

請(qǐng)注意，實(shí)際輸出電壓將是輸入電壓峰值的三倍減去所用二極管的電壓降，即3Vp – V（二極管）。

如果可以通過級(jí)聯(lián)一個(gè)半電壓倍增器來制作電壓三倍器電路，那么可以通過級(jí)聯(lián)兩個(gè)完整的電壓倍增器電路來構(gòu)建電壓四倍器電路，如圖所示。

直流電壓四倍器電路

四倍器電路

第一個(gè)電壓倍增級(jí)將輸入電壓峰值加倍，第二個(gè)級(jí)再次將其加倍，從而產(chǎn)生等于正弦輸入信號(hào)峰值電壓值四倍（4Vp）的直流輸出。此外，使用大容量電容器將有助于減少紋波電壓。

電壓倍增器總結(jié)

我們已經(jīng)看到，電壓倍增器是由二極管和電容器組成的簡(jiǎn)單電路，可以將輸入電壓增加兩倍、三倍或四倍，并通過將單獨(dú)的半級(jí)或全級(jí)倍增器級(jí)聯(lián)在一起，以向給定負(fù)載提供所需的直流電壓，而無需使用升壓變壓器。

電壓倍增電路根據(jù)輸出電壓與輸入電壓的比率分為電壓倍增器、三倍器或四倍器等。理論上，可以獲得任何所需的電壓倍增量，并且“N”個(gè)倍增器的級(jí)聯(lián)將產(chǎn)生2N.Vp伏的輸出電壓。

例如，一個(gè)具有100伏峰值輸入電壓的10級(jí)電壓倍增電路將產(chǎn)生約1,000伏或1kV的直流輸出電壓，假設(shè)沒有損耗，且不使用變壓器。

然而，所有倍增電路中使用的二極管和電容器需要具有至少兩倍于其兩端峰值電壓的最小反向擊穿電壓額定值，因?yàn)槎嗉?jí)電壓倍增電路可以產(chǎn)生非常高的電壓，因此要小心。此外，電壓倍增器通常向高電阻負(fù)載提供低電流，因?yàn)殡S著負(fù)載電流的增加，輸出電壓會(huì)迅速下降。

上面顯示的電壓倍增電路都設(shè)計(jì)為提供正直流輸出電壓。但它們也可以通過簡(jiǎn)單地反轉(zhuǎn)所有倍增二極管和電容器的極性來設(shè)計(jì)為提供負(fù)電壓輸出，從而產(chǎn)生負(fù)電壓倍增器。