La tension peut être doublée (et donc multipliée par n’importe quelle puissance de deux en utilisant des dispositifs en cascade) par des moyens purement électroniques sans avoir recours à un transformateur. Les rapports tension-courant s’appliquent, le doublement n’est donc pas une question d’obtention d’énergie électrique gratuite qui n’existait pas auparavant. Doubler la tension et donc réduire le courant disponible à la sortie n’est parfois pas une bonne chose, mais souvent ce n’est pas un problème.
Il existe de nombreuses variantes de circuits doubleurs, mais tous les doubleurs et multiplicateurs de tension ont des principes de fonctionnement similaires.
Le doubleur de tension à condensateurs commutés fonctionne à partir d’une entrée en courant continu. Deux condensateurs se chargent à la tension d’entrée tout en étant en parallèle. Puis, lorsque les deux interrupteurs sont lancés simultanément, ils sont isolés de l’entrée, connectés à la sortie et placés en série de sorte qu’en se déchargeant, le double de l’entrée apparaît à la sortie. Évidemment, sans démon pour lancer les interrupteurs à un rythme rapide, les interrupteurs à commande manuelle ne sont pas pratiques. Diverses stratégies de commutation dans le monde réel ont été mises en œuvre :
Dans les convertisseurs c.a.-c.c., le courant alternatif à l’entrée, en plus de fournir la tension à doubler, accomplit également la commutation au moyen de polarités oscillantes.
Un circuit hacheur interne peut convertir le c.c. en c.a. avant son application à la section du doubleur de tension.
Une horloge externe (qui remplit souvent aussi d’autres fonctions sur la même carte de circuit imprimé) peut réaliser le hachage et la multiplication de la tension.
Dans les circuits intégrés, les MOSFETs fournissent fréquemment l’action de commutation.
Un tripleur de tension peut être construit en empilant un doubleur de tension, typiquement 5-Vpp à 1 kHz, et un simple redresseur demi-onde, composé d’une diode et d’un condensateur connectés d’une borne d’entrée à la borne de sortie opposée. La sortie du doubleur de 10 V en série avec la sortie du redresseur de 5 V fournit 15 V à la sortie du tripleur. Les doubleurs et les tripleurs, mis en cascade, fournissent théoriquement un nombre infini de sorties entières.
Dans le prototypage d’alimentations alimentées par la ligne, même sans transformateur, il existe un risque potentiel de choc. Attention aussi au fait que les condensateurs électrolytiques explosent si la polarité est inversée. Les circuits multiplicateurs en cascade doivent être construits dans une configuration en échelle afin que le potentiel de tension croissant progressivement ne puisse pas former d’arc à travers les sections individuelles de potentiel inférieur. De cette façon, l’échelle entière n’est pas détruite par une seule diode ou un seul condensateur court-circuité. Sans la configuration en échelle, un seul court-circuit pourrait brûler les composants adjacents successifs, appliquant finalement une surtension à l’ensemble du multiplicateur, de l’équipement de test et de l’expérimentateur.
Les multiplicateurs de tension peuvent générer des millions de volts pour les expériences à haute énergie. La technologie des transformateurs dans de telles applications nécessiterait des enceintes élaborées remplies de liquide et une isolation haute tension.
La méthode la plus largement utilisée pour générer une sortie haute tension à faible courant est le multiplicateur de Cockcroft-Walton à plusieurs étages en raison de son faible coût et de ses exigences modestes en matière d’isolation. La tension chute brusquement lorsqu’elle est appliquée à une charge à faible impédance. Il a été largement utilisé dans les téléviseurs à tube cathodique où une tension d’accélération de 30 kV de la seconde anode était nécessaire malgré l’ondulation élevée. Comme des tensions échelonnées sont disponibles, cette source a été utilisée dans les accélérateurs de particules et pour la polarisation des tubes photomultiplicateurs. Ils sont utilisés pour alimenter des équipements aussi divers que les accélérateurs de particules, les machines à rayons X, les téléviseurs à tube cathodique, les magnétrons des fours à micro-ondes, les photocopieurs et les zappeurs d’insectes.
Les multiplicateurs de tension de Cockcroft-Walton à plusieurs étages peuvent être configurés dans une seule échelle. Ce multiplicateur de tension utilise un courant continu pulsé de faible tension à l’entrée pour produire une tension de sortie théoriquement illimitée. À chaque changement de polarité, le courant traverse des diodes successives pour charger des condensateurs supplémentaires, jusqu’à la fin. Après la mise sous tension initiale, un temps déterminé est nécessaire pour charger l’ensemble. Chaque condensateur a une constante de temps et le temps total dépend de la tension appliquée, de la capacité des condensateurs et de la longueur de l’échelle. Des prises intermédiaires peuvent être installées pour accéder à des tensions intermédiaires.
Le multiplicateur de tension Cockcroft-Walton est un type parmi de nombreuses pompes de charge, nommées pour la manière caractéristique dont elles forcent une charge électrique le long d’une série de condensateurs en forme de tuyau, chacun d’entre eux stockant la charge jusqu’à ce que la polarité s’inverse, après quoi ils se déchargent.
En général, une pompe de charge est un multiplicateur de tension qui est optimisé pour être utilisé avec une entrée en courant continu. Vous pourriez hacher le dc au moyen d’un oscillateur et l’appliquer à un transformateur, mais l’un des avantages de la technologie de multiplication de tension est que le transformateur lourd avec ses exigences d’espace massif est éliminé. A notre époque de dispositifs mobiles, la pompe de charge est un atout.
Une pompe de charge peut être basée sur des diodes, mais la configuration habituelle implique des MOSFETs commutés avec de petits condensateurs céramiques. L’efficacité de la pompe de charge est élevée, comme l’exigent les téléphones cellulaires. Dans les conceptions utilisant des composants discrets, les diodes Schottky, formées par la jonction d’un semi-conducteur avec un métal, sont préférées en raison de leur faible chute de tension directe. Dans une pompe de charge mise en œuvre en tant que circuit intégré, les MOSFET à haut rendement et à faible impédance d’entrée sont monnaie courante.
Une pompe de charge peut également inverser la polarité à la sortie par rapport à l’entrée. En plus d’augmenter la tension, une pompe de charge peut diviser par deux ou, dans une configuration en cascade, diviser l’entrée par n’importe quel nombre entier. L’utilisation de fréquences d’horloge élevées permet d’utiliser une capacité plus faible en raison des constantes de temps plus courtes. La tension de sortie est régulée par les changements du rapport cyclique de l’horloge. Un avantage de la pompe de charge est qu’elle peut passer du mode buck au mode boost, compensant ainsi la décharge de la batterie entre les charges.
Lorsque plusieurs sorties de tension continue sont nécessaires, la pompe de charge est beaucoup plus compacte et moins coûteuse qu’une alimentation linéaire, qui est encombrée par un transformateur avec des prises secondaires. Les condensateurs peuvent être électrolytiques ou céramiques selon la vitesse de commutation.
Les doubleurs et inverseurs de tension peuvent être construits autour du circuit intégré de temporisation 555 avec deux diodes externes et trois ou quatre condensateurs externes. Lorsque des alimentations positives et négatives sont nécessaires pour alimenter un op-amp, la pompe de charge peut être configurée comme un inverseur de tension.
Si un circuit intégré nécessite des tensions multiples comme par exemple une source primaire unique à courant élevé et des sources auxiliaires à faible courant, une pompe de charge est le convertisseur de puissance idéal. D’autres applications sont les EEPROM et les mémoires flash.
Avec moins de composants et aucune inductance, la pompe de charge simple nécessite moins d’espace sur le PCB et elle est plus efficace que l’alimentation linéaire.
Les inconvénients sont modestes : elle est limitée aux charges d’ampères fractionnaires et comme tous les SMPS, elle génère quelques interférences électromagnétiques et n’est pas aussi efficace que les alimentations similaires construites autour d’inductances, qui peuvent alimenter des charges plus importantes mais sont plus chères.
Tous les multiplicateurs de tension utilisent une configuration composée de diodes et de condensateurs pour multiplier jusqu’à un niveau de tension souhaité par l’utilisateur final, une tension alternative de pointe (dérivée, par ordre de variabilité croissante, du service public, d’un onduleur de secours sur site ou d’un onduleur local) ou une tension continue alimentée par batterie, hydraulique ou sauvage provenant d’une éolienne.
Les diodes et les condensateurs sont utilisés de concert pour former des multiplicateurs de tension. Ces circuits sont capables de multiplier la tension par un facteur de quatre ou plus pour produire théoriquement n’importe quelle tension, bien dans la gamme des kilovolts. Cette technologie est utilisée à bon escient dans la distribution électrique transcontinentale à haute tension pour effectuer des transitions de tension et de système. Mais les diodes et les condensateurs doivent avoir des valeurs nominales de claquage inverse adéquates de deux fois la tension de crête en raison des tensions élevées produites dans les équipements à plusieurs étages.
Dans la conception et le diagnostic des multiplicateurs de tension, les oscilloscopes à signaux mixtes ou les instruments connexes sont essentiels pour visualiser le numérique en juxtaposition avec les signaux analogiques. Par exemple, à petite échelle, le fonctionnement intermittent de l’alimentation électrique peut perturber le flux de données numériques, et en affichant les deux formes d’onde en temps réel, ces problèmes peuvent être analysés.
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