K zdvojnásobení napětí stejnosměrného zdroje je možné použít výše popsané jednoduché obvody dioda-kondenzátor, a to tak, že před zdvojovač napětí se předřadí obvod se sekačem. Tím se vlastně stejnosměrný proud před aplikací na zdvojovač napětí přemění na střídavý. Efektivnější obvody lze sestavit tak, že se spínací zařízení řídí externími hodinami, takže se obě funkce, sekání i násobení, provádějí současně. Takové obvody jsou známé jako obvody se spínanými kondenzátory. Tento přístup je zvláště užitečný v aplikacích napájených z nízkonapěťových baterií, kde integrované obvody vyžadují větší napájecí napětí, než je schopna dodat baterie. Často je hodinový signál snadno dostupný na desce integrovaného obvodu a k jeho generování je zapotřebí jen málo nebo žádné další obvody.
Koncepčně asi nejjednodušší konfigurace spínaných kondenzátorů je ta, která je schematicky znázorněna na obrázku 5. Zde jsou dva kondenzátory paralelně nabíjeny současně na stejné napětí. Poté se vypne napájení a kondenzátory se přepnou do série. Výstup je odebírán napříč oběma sériově zapojenými kondenzátory, což vede k výstupu dvojnásobku napájecího napětí. Existuje mnoho různých spínacích zařízení, která lze v takovém obvodu použít, ale v integrovaných obvodech se často používají zařízení MOSFET.
Další základní koncepcí je nábojová pumpa, jejíž verze je schematicky znázorněna na obrázku 6. Kondenzátor nábojové pumpy, CP, se nejprve nabije na vstupní napětí. Poté se přepne na nabíjení výstupního kondenzátoru, CO, v sérii se vstupním napětím, což vede k tomu, že CO je nakonec nabit na dvojnásobek vstupního napětí. Může trvat několik cyklů, než se nabíjecí pumpě podaří plně nabít CO, ale po dosažení ustáleného stavu je nutné, aby CP čerpal pouze malé množství náboje odpovídající náboji dodávanému do zátěže z CO. Zatímco je CO odpojen od nabíjecí pumpy, částečně se vybíjí do zátěže, což vede ke zvlnění výstupního napětí. Toto zvlnění je u vyšších taktovacích frekvencí menší, protože doba vybíjení je kratší, a lze je také snáze filtrovat. Alternativně lze kondenzátory pro danou specifikaci zvlnění zmenšit. Praktická maximální taktovací frekvence v integrovaných obvodech se obvykle pohybuje ve stovkách kilohertzů.
Dicksonova nábojová pumpaUpravit
Dicksonova nábojová pumpa neboli Dicksonův násobič se skládá z kaskády článků dioda/kondenzátor, přičemž spodní deska každého kondenzátoru je řízena soustavou hodinových impulzů. Obvod je modifikací Cockcroft-Waltonova multiplikátoru, ale místo střídavého vstupu přijímá stejnosměrný vstup, přičemž spínací signál zajišťují hodinové impulsy. Dicksonův násobič obvykle vyžaduje, aby byly střídavé články řízeny hodinovými impulsy opačné fáze. Protože však zdvojovač napětí, znázorněný na obrázku 7, vyžaduje pouze jeden stupeň násobení, je zapotřebí pouze jeden hodinový signál.
Dicksonova násobička se často používá v integrovaných obvodech, kde je napájecí napětí (například z baterie) nižší než napětí požadované obvodem. Při výrobě integrovaných obvodů je výhodné, že všechny polovodičové součástky jsou v podstatě stejného typu. MOSFETy jsou běžně standardním logickým blokem v mnoha integrovaných obvodech. Z tohoto důvodu se diody často nahrazují tímto typem tranzistoru, ale zapojeným tak, aby fungoval jako dioda – toto uspořádání se nazývá diodově zapojený MOSFET. Obrázek 8 ukazuje Dicksonův zdvojovač napětí využívající diodově zapojené n-kanálové tranzistory MOSFET typu enhancement.
Existuje mnoho variant a vylepšení základní Dicksonovy nabíjecí pumpy. Mnohé z nich se týkají snížení vlivu napětí drain-source tranzistoru. To může být velmi významné, pokud je vstupní napětí malé, například u nízkonapěťové baterie. U ideálních spínacích prvků je výstup integrálním násobkem vstupního napětí (dva u zdvojovače), ale u jednočlánkové baterie jako vstupního zdroje a spínačů MOSFET bude výstup mnohem menší než tato hodnota, protože velká část napětí bude klesat přes tranzistory. Pro obvod s použitím diskrétních součástek by byla lepší volbou spínacího prvku Schottkyho dioda, protože má extrémně nízký úbytek napětí v zapnutém stavu. Konstruktéři integrovaných obvodů však raději používají snadno dostupný tranzistor MOSFET a jeho nedostatky kompenzují zvýšenou složitostí obvodu.
Jako příklad lze uvést alkalický bateriový článek, jehož jmenovité napětí je 1,5 V. Zdvojovač napětí s použitím ideálních spínacích prvků s nulovým úbytkem napětí bude mít na výstupu dvojnásobek, tedy 3,0 V. Úbytek napětí drain-source diodového tranzistoru MOSFET v zapnutém stavu však musí být alespoň prahové napětí hradla, což může být typicky 0,9 V. Takovému „zdvojovači“ napětí se podaří zvýšit výstupní napětí jen asi o 0,6 V na 2,1 V. Pokud se vezme v úvahu i úbytek na koncovém vyhlazovacím tranzistoru, nemusí být obvod vůbec schopen zvýšit napětí bez použití více stupňů. Typická Schottkyho dioda může mít naproti tomu napětí v zapnutém stavu 0,3 V. Zdvojovač s použitím této Schottkyho diody bude mít za následek napětí 2,7 V, nebo na výstupu za vyhlazovací diodou 2,4 V.
Křížově spínané spínané kondenzátoryEdit
Obvody s křížově spínanými kondenzátory se uplatní při velmi nízkých vstupních napětích. Zařízení poháněná bezdrátovými bateriemi, jako jsou pagery, zařízení bluetooth a podobně, mohou vyžadovat, aby jednočlánková baterie pokračovala v napájení, když se vybije pod jeden volt.
Když hodiny ϕ 1 {\displaystyle \phi _{1}\ }
je nízká, tranzistor Q2 se vypne. Současně jsou hodiny ϕ 2 {\displaystyle \phi _{2}\ }
je vysoká a zapíná tranzistor Q1, což vede k nabití kondenzátoru C1 na hodnotu Vin. Když ϕ 1 {\displaystyle \phi _{1}\ }
dosáhne vysoké hodnoty, horní deska kondenzátoru C1 se vysune na dvojnásobek hodnoty Vin. Současně se sepne spínač S1, takže se toto napětí objeví na výstupu. Současně se zapne Q2, což umožní nabíjení C2. V dalším půlcyklu se role obrátí: ϕ 1 {\displaystyle \phi _{1}\ }
bude nízká, ϕ 2 {\displaystyle \phi _{2}\ } bude nízká.
bude vysoká, S1 se otevře a S2 se zavře. Výstup je tedy napájen střídavě 2Vin z každé strany obvodu.
Ztráty jsou v tomto obvodu malé, protože zde nejsou diodově zapojené tranzistory MOSFET a s nimi spojené problémy s prahovým napětím. Obvod má také tu výhodu, že frekvence zvlnění je dvojnásobná, protože jsou zde fakticky dva zdvojovače napětí, které oba napájejí výstup z mimofázových hodin. Hlavní nevýhodou tohoto obvodu je, že bludné kapacity jsou mnohem významnější než u Dicksonova násobiče a tvoří větší část ztrát v tomto obvodu.
.