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La magia dei moltiplicatori di tensione: come trasformare la bassa tensione in alta tensione?
Nei moderni dispositivi elettronici, la conversione della tensione è una delle tecnologie più critiche. I moltiplicatori di tensione vengono utilizzati ovunque, nei telefoni cellulari, nei computer o in altri piccoli dispositivi. Questi straordinari circuiti sono in grado di convertire la corrente continua a bassa tensione nell'alta tensione richiesta, il che non solo è efficiente ma può anche soddisfare il fabbisogno energetico di diversi dispositivi. Questo articolo analizzerà in modo approfondito i principi di funzionamento dei moltiplicatori di tensione e le loro varie applicazioni per aiutare i lettori a comprenderne i segreti.
Principi di base del moltiplicatore di tensione
Un moltiplicatore di tensione è un circuito elettronico che, caricando i condensatori e commutando tali cariche in un modo specifico, è in grado di produrre in uscita, idealmente, il doppio della tensione in ingresso. Il moltiplicatore di tensione più semplice è simile a un raddrizzatore, che converte una tensione CA in una tensione CC potenziata. Si basa principalmente sull'azione di commutazione dei diodi, che funzionano in base alla tensione CA in ingresso.
Un moltiplicatore di tensione è un tipo di moltiplicatore di tensione e più circuiti moltiplicatori possono essere sovrapposti per migliorare ulteriormente la tensione di uscita.
Circuiti moltiplicatori di tensione comuni
Circuito di Villard
Il circuito di Villard è stato inventato da Paul Ursich Villard. La sua struttura è semplice e consiste solo di un condensatore e un diodo. Sebbene questo circuito abbia il vantaggio di essere semplice e flessibile, la sua uscita presenta scarse prestazioni in termini di fluttuazione. La funzione principale di questo circuito è quella di appiattire a zero la metà negativa della corrente alternata, in modo che l'ultima metà positiva non debba essere migliorata e possa comunque generare un'alta tensione. Questa struttura è ampiamente utilizzata nell'alimentazione ad alta tensione negativa nei forni a microonde.
Circuito Greinacher
Il circuito Greinacher rappresenta un notevole miglioramento rispetto al circuito Villard, in quanto garantisce un'ondulazione notevolmente inferiore nonostante l'aggiunta di componenti extra. In questa struttura, la cella di Villard è collegata a un rilevatore di picco, che è in grado innanzitutto di memorizzare la tensione di picco della corrente eliminando la maggior parte delle fluttuazioni, il che rappresenta un miglioramento significativo rispetto a questa progettazione.
I circuiti Greinacher vengono utilizzati in apparecchiature come i televisori per fornire energia a componenti che richiedono tensioni elevate, in particolare nei televisori in bianco e nero o a colori.
Circuito Delon
Il circuito Delon utilizza una topologia a ponte ed è quindi noto come raddoppiatore di tensione a onda intera. Un tempo questo tipo di progettazione era molto comune nella tecnologia dei display, soprattutto nei display più vecchi, in cui alimentatori ad alta tensione e moltiplicatori di tensione erano necessari per sostituire altri metodi di alimentazione per risolvere i costi di produzione.
Applicazioni dei circuiti a condensatore commutato
Il circuito del condensatore commutato converte la tensione della sorgente CC in tensione CA tramite un circuito di precommutazione e poi la moltiplica. Questo sistema è particolarmente importante nelle applicazioni a bassa tensione alimentate a batteria, perché molti dispositivi integrati richiedono una tensione di alimentazione superiore a quella fornita dalla batteria.
Controllando i dispositivi di commutazione tramite un clock esterno, è possibile elaborare simultaneamente circuiti a condensatore commutato più efficienti durante i passaggi di generazione e moltiplicazione.
Pompa di carica Dickson
Una pompa di carica Dickson collega in cascata più diodi e condensatori per aumentare la tensione e utilizza un treno di impulsi di clock per azionare i condensatori. Questo design è particolarmente diffuso nei circuiti integrati, poiché rende labile il confine tra corrente alternata e continua, facilitando la fornitura delle alte tensioni richieste dai dispositivi.
Condensatori commutati incrociati
Questa tecnologia è particolarmente adatta per applicazioni a bassissima tensione. Ad esempio, i dispositivi wireless come i dispositivi Bluetooth utilizzano piccole batterie per essere alimentati. Questi circuiti non presentano problemi di diodi, quindi le perdite di uscita sono minori.
Sfide della guida dei moltiplicatori di tensioneNel mondo dei circuiti digitali, le sfide tecniche pratiche vanno spesso di pari passo con semplici concetti di progettazione. Anche un moltiplicatore di tensione con prestazioni eccellenti può avere la sua potenza in uscita influenzata dalle cadute di tensione nei suoi componenti. Prendendo ad esempio le batterie al litio, se la tensione di ingresso è relativamente troppo bassa, anche la tensione potenziata che può essere raggiunta sarà limitata.
ConclusioneLa tecnologia del raddoppio della tensione ci consente di creare opzioni di alimentazione più flessibili nelle applicazioni, in particolare negli ambienti digitali moderni. Tuttavia, le sfide tecniche di questo processo richiedono ancora ulteriori approfondimenti e ricerche. In che modo questa tecnologia influenzerà il nostro stile di vita e le nostre abitudini di consumo di energia elettrica in futuro?
