Napětí lze zdvojnásobit (a tedy pomocí kaskádových zařízení vynásobit libovolnou mocninou dvou) čistě elektronickými prostředky bez použití transformátoru. Platí poměry napětí a proudu, takže zdvojnásobení není otázkou získání volné elektrické energie, která dříve neexistovala. Zdvojnásobení napětí a tím snížení proudu dostupného na výstupu někdy není dobré, ale často to není problém.
Existuje mnoho variant zdvojovacích obvodů, ale všechny zdvojovače a násobiče napětí mají podobný princip činnosti.
Zdvojovač napětí se spínanými kondenzátory pracuje ze stejnosměrného vstupu. Dva kondenzátory se paralelně nabíjejí na vstupní napětí. Pak se při současném sepnutí obou spínačů oddělí od vstupu, připojí se k výstupu a zařadí se do série, takže při vybíjení se na výstupu objeví dvojnásobek vstupu. Je zřejmé, že pokud chybí démon, který by spínače rychle přehazoval, nejsou ručně ovládané spínače praktické. V reálném světě byla realizována celá řada spínacích strategií:
V měničích střídavého proudu na stejnosměrný proud se střídavým proudem na vstupu, kromě toho, že dodává napětí, které má být zdvojeno, dosahuje také spínání pomocí kmitajících polarit.
Vnitřní sekací obvod může před aplikací do sekce zdvojovače napětí převést stejnosměrný proud na střídavý.
Vnějšími hodinami (často plnícími na stejné desce plošných spojů i jiné funkce) lze dosáhnout sekání a násobení napětí.
V integrovaných obvodech spínání často zajišťují tranzistory MOSFET.
Zdvojovač napětí lze sestavit poskládáním zdvojovače napětí, obvykle 5 Vpp při 1 kHz, a jednoduchého půlvlnného usměrňovače, složeného z diody a kondenzátoru připojených z jedné vstupní svorky na opačnou výstupní svorku. Výstup zdvojovače 10 V v sérii s výstupem usměrňovače 5 V poskytuje na výstupu tripleru napětí 15 V. Kaskádně zapojené zdvojovače a trojpóly poskytují teoreticky nekonečný počet celočíselných výstupů.
Při prototypování síťových zdrojů i bez transformátoru hrozí nebezpečí úrazu elektrickým proudem. Pozor také na to, že elektrolytické kondenzátory explodují, pokud dojde k přepólování. Obvody kaskádových násobičů by měly být sestaveny v žebříkovém uspořádání, aby se postupně rostoucí potenciál napětí nemohl obloukem dostat přes jednotlivé úseky s nižším potenciálem. Tímto způsobem nedojde ke zničení celého žebříku jedinou zkratovanou diodou nebo kondenzátorem. Bez žebříkové konfigurace by jediný zkrat mohl spálit po sobě jdoucí sousední součástky a nakonec způsobit přepětí na celém násobiči, zkušebním zařízení a experimentátorovi.
Násobiče napětí mohou generovat miliony voltů pro vysokoenergetické experimenty. Technologie transformátorů v takových aplikacích by vyžadovala složité kapalinou plněné skříně a vysokonapěťovou izolaci.
Nejrozšířenější metodou pro generování vysokého napětí s malým proudem je vícestupňový Cockcroftův-Waltonův násobič díky své nízké ceně a skromným požadavkům na izolaci. Napětí prudce klesá, když je přiváděno do nízkoimpedanční zátěže. Byl hojně používán v CRT televizorech, kde bylo vyžadováno 30kV druhé anodové urychlovací napětí bez ohledu na vysoké zvlnění. Protože je k dispozici stupňovité napětí, používal se tento zdroj v urychlovačích částic a pro předpětí ve fotonásobičích. Používají se k napájení tak rozmanitých zařízení, jako jsou urychlovače částic, rentgenové přístroje, televizory s katodovými trubicemi, magnetrony v mikrovlnných troubách, fotokopírky a přístroje na hubení hmyzu.
Vícestupňové Cockcroftovy-Waltonovy násobiče napětí lze konfigurovat v jednom žebříku. Tento násobič napětí využívá nízkonapěťový pulzující stejnosměrný proud na vstupu k vytvoření teoreticky neomezeného výstupního napětí. Při každé změně polarity protéká proud postupnými diodami a nabíjí další kondenzátory, a to až do konce. Po počátečním zapnutí je k nabití celé sestavy zapotřebí určitý čas. Každý kondenzátor má svou časovou konstantu a celková doba závisí na přiloženém napětí, kapacitě kondenzátorů a délce žebříku. Pro přístup k mezilehlým napětím lze instalovat mezilehlé odbočky.
Cockcroft-Waltonův násobič napětí je jedním z mnoha typů nábojových čerpadel, pojmenovaných podle charakteristického způsobu, jakým tlačí elektrický náboj podél trubicovité řady kondenzátorů, z nichž každý uchovává náboj, dokud se neobrátí polarita, načež se vybijí.
Obecně je nábojové čerpadlo násobič napětí, který je optimalizován pro použití se stejnosměrným vstupem. Stejnosměrný proud byste mohli nasekat pomocí oscilátoru a použít ho na transformátor, ale jednou z výhod technologie násobení napětí je, že odpadá těžký transformátor s jeho obrovskými nároky na prostor. V dnešní době mobilních zařízení je nábojová pumpa výhodou.
Nábojová pumpa může být založena na diodách, ale obvyklá konfigurace zahrnuje spínané tranzistory MOSFET s malými keramickými kondenzátory. Účinnost nábojové pumpy je vysoká, jak je požadováno v mobilních telefonech. V konstrukcích využívajících diskrétní součástky se dává přednost Schottkyho diodám, které jsou tvořeny přechodem polovodiče s kovem, protože mají nízký úbytek napětí v přímém směru. U nábojové pumpy realizované jako integrovaný obvod jsou samozřejmostí vysoce účinné tranzistory MOSFET s nízkou vstupní impedancí.
Nábojová pumpa může také invertovat polaritu na výstupu vzhledem ke vstupu. Kromě zvýšení napětí může nábojová pumpa snížit vstup na polovinu nebo v kaskádovém uspořádání dělit vstup o libovolné celé číslo. Použití vysokých hodinových frekvencí umožňuje použít nižší kapacitu kvůli kratším časovým konstantám. Výstupní napětí je regulováno změnami pracovního cyklu výstupních hodin. Jednou z výhod nábojové pumpy je, že může přecházet mezi režimy buck a boost a kompenzovat tak vybíjení baterie mezi nabíjeními.
Pokud je potřeba více stejnosměrných napěťových výstupů, je nábojová pumpa mnohem kompaktnější a levnější než lineární napájecí zdroj, který je zatížen transformátorem se sekundárními odbočkami. Kondenzátory mohou být elektrolytické nebo keramické v závislosti na rychlosti spínání.
Zdvojovače napětí a invertory lze postavit kolem integrovaného obvodu časovače 555 se dvěma externími diodami a třemi nebo čtyřmi externími kondenzátory. Pokud je pro napájení operačního zesilovače vyžadováno kladné a záporné napájení, lze nábojovou pumpu nakonfigurovat jako měnič napětí.
Pokud integrovaný obvod vyžaduje více napětí, jako například jeden primární zdroj vysokého proudu a pomocné zdroje nízkého proudu, je nábojová pumpa ideálním měničem napětí. Dalšími aplikacemi jsou paměti EEPROM a paměti flash.
Díky menšímu počtu součástek a absenci induktoru vyžaduje jednoduchá nábojová pumpa méně místa na desce plošných spojů a je účinnější než lineární napájecí zdroj.
Nevýhody jsou skromné: Je omezena na zátěže se zlomkovými ampéry a stejně jako všechny SMPS generuje určité elektromagnetické rušení a není tak účinná jako podobné napájecí zdroje postavené kolem induktorů, které mohou napájet větší zátěže, ale jsou dražší.
Všechny násobiče napětí používají konfiguraci složenou z diod a kondenzátorů k násobení na úroveň napětí požadovanou koncovým uživatelem, špičkové střídavé napětí (odvozené v pořadí podle rostoucí variability od sítě, záložního zdroje na místě nebo místního střídače) nebo napětí dodávané z baterií, vodní energie nebo divokého stejnosměrného proudu z větrné turbíny.
Diody a kondenzátory se používají společně k vytvoření násobičů napětí. Tyto obvody jsou schopny násobit napětí čtyřnásobně nebo vícekrát a vytvářet tak teoreticky libovolné napětí, a to i v rozsahu kilovoltů. Tato technologie se s úspěchem používá ve vysokonapěťových transkontinentálních elektrických rozvodech k vytváření přechodů napětí a systémů. Diody a kondenzátory však musí mít odpovídající jmenovité hodnoty zpětného přerušení dvojnásobku špičkového napětí kvůli vysokým napětím, která vznikají ve vícestupňových zařízeních.
Při návrhu a diagnostice násobičů napětí jsou osciloskopy se smíšeným signálem nebo příbuzné přístroje nezbytné pro vizualizaci digitálních signálů v juxtapozici s analogovými. Například v malém měřítku může přerušovaný provoz napájecího zdroje narušit tok digitálních dat a zobrazením obou průběhů v reálném čase lze tyto problémy analyzovat.
.