A fent leírt egyszerű dióda-kondenzátor áramkörökkel meg lehet duplázni egy egyenáramú forrás feszültségét, ha a feszültségduplázót egy chopper áramkörrel előzzük meg. Ez tulajdonképpen az egyenáramot váltakozó feszültségűvé alakítja a feszültségkettőzőre való alkalmazás előtt. Hatékonyabb áramkörök építhetők a kapcsolóeszközök külső órajelről történő meghajtásával, így mindkét funkció, a chopping és a multiplikálás egyszerre valósul meg. Az ilyen áramköröket kapcsolt kondenzátoros áramköröknek nevezik. Ez a megközelítés különösen hasznos az alacsony feszültségű akkumulátoros alkalmazásokban, ahol az integrált áramköröknek nagyobb feszültségellátásra van szükségük, mint amit az akkumulátor biztosítani tud. Gyakran előfordul, hogy az integrált áramkör fedélzetén könnyen rendelkezésre áll az órajel, és annak előállításához kevés vagy semmilyen további áramkörre nincs szükség.
Koncepcionálisan talán a legegyszerűbb kapcsolt kondenzátoros konfiguráció az 5. ábrán sematikusan bemutatott. Itt két kondenzátort párhuzamosan, egyidejűleg töltenek fel ugyanarra a feszültségre. Ezután a tápfeszültséget kikapcsolják, és a kondenzátorokat sorba kapcsolják. A kimenetet a két sorba kapcsolt kondenzátoron keresztül vesszük, ami a tápfeszültség kétszeresét eredményezi. Sokféle kapcsolóeszköz használható egy ilyen áramkörben, de az integrált áramkörökben gyakran alkalmaznak MOSFET eszközöket.
Egy másik alapkoncepció a töltőszivattyú, amelynek egy változatát a 6. ábra mutatja be sematikusan. A töltéspumpa kondenzátora, CP, először a bemeneti feszültségre töltődik. Ezután átvált a kimeneti kondenzátor, CO, soros töltésére a bemeneti feszültséggel, ami azt eredményezi, hogy a CO végül a bemeneti feszültség kétszeresére töltődik. Több ciklusba is beletelhet, mire a töltőszivattyúnak sikerül teljesen feltöltenie a CO-t, de az állandósult állapot elérése után a CP-nek csak egy kis mennyiségű töltést kell pumpálnia, amely megegyezik a CO-ból a terhelésre jutó töltéssel. Amíg a CO le van választva a töltőszivattyúról, részben lemerül a terhelésbe, ami a kimeneti feszültség hullámzását eredményezi. Ez a hullámzás nagyobb órajelfrekvenciák esetén kisebb, mivel a kisülési idő rövidebb, és könnyebben szűrhető. Alternatív megoldásként a kondenzátorok kisebbek lehetnek egy adott hullámossági specifikációhoz. Az integrált áramkörökben a gyakorlati maximális órajelfrekvencia jellemzően több száz kilohertzben van.
Dickson charge pumpEdit
A Dickson töltésszivattyú vagy Dickson szorzó dióda/kondenzátor cellák kaszkádjából áll, ahol minden egyes kondenzátor alsó lemezét egy órajeles impulzussorozat hajtja meg. Az áramkör a Cockcroft-Walton-szorzó módosítása, de váltakozó áramú bemenet helyett egyenáramú bemenetet vesz fel, és az órajelek adják a kapcsolójelet. A Dickson-szorzó általában megköveteli, hogy a váltakozó cellákat ellentétes fázisú óraimpulzusok vezéreljék. Mivel azonban a 7. ábrán látható feszültségduplázó csak egy fokozatú szorzást igényel, csak egy órajelre van szükség.
A Dickson-szorzót gyakran alkalmazzák olyan integrált áramkörökben, ahol a tápfeszültség (például akkumulátorról) alacsonyabb, mint az áramkör által igényelt feszültség. Az integrált áramkörök gyártásánál előnyös, hogy az összes félvezető alkatrész alapvetően azonos típusú. A MOSFET-ek általában sok integrált áramkörben a szabványos logikai blokkok. Emiatt a diódákat gyakran ilyen típusú tranzisztorokkal helyettesítik, de úgy vezetékesek, hogy diódaként működjenek – ezt az elrendezést diódával vezetékes MOSFET-nek nevezik. A 8. ábra egy Dickson-féle feszültségduplázót mutat, amely diódával huzalozott n-csatornás enhancement típusú MOSFET-eket használ.
A Dickson-féle alap Dickson-töltőszivattyúnak számos változata és továbbfejlesztése létezik. Ezek közül sok a tranzisztor drain-source feszültség hatásának csökkentésével foglalkozik. Ez nagyon jelentős lehet, ha a bemeneti feszültség kicsi, például egy alacsony feszültségű akkumulátor esetében. Ideális kapcsolóelemek esetén a kimenet a bemenet egész számú többszöröse (duplázó esetén kettő), de egy egycellás akkumulátorral, mint bemeneti forrással és MOSFET kapcsolókkal a kimenet ennél az értéknél jóval kisebb lesz, mivel a feszültség nagy része a tranzisztorokon átesik. Egy diszkrét alkatrészeket használó áramkör esetében a Schottky-dióda jobb választás lenne kapcsolóelemként, mivel bekapcsolt állapotban rendkívül alacsony a feszültségesés. Az integrált áramkörök tervezői azonban inkább a könnyen elérhető MOSFET-et használják, és annak hiányosságait a megnövekedett áramköri bonyolultsággal kompenzálják.
Egy lúgos elemcellának például 1,5 V névleges feszültsége van. Egy ideális kapcsolóelemeket használó, nulla feszültségeséssel rendelkező feszültségduplázó ennek kétszeresét, azaz 3,0 V-ot ad ki. A diódával vezetékezett MOSFET-nek azonban bekapcsolt állapotban a drain-source feszültségesésnek legalább a kapu küszöbfeszültségének kell lennie, ami jellemzően 0,9 V lehet. Ezzel a feszültség-“duplázóval” csak körülbelül 0,6 V-tal sikerül a kimeneti feszültséget 2,1 V-ra emelni. Ha a végső simító tranzisztoron áteső feszültségesést is figyelembe vesszük, az áramkör több fokozat alkalmazása nélkül egyáltalán nem biztos, hogy képes növelni a feszültséget. Egy tipikus Schottky-dióda viszont 0,3 V-os bekapcsolt állapotú feszültséggel rendelkezhet. Egy ilyen Schottky-diódát használó duplázó 2,7 V-os feszültséget eredményez, vagy a simító dióda utáni kimeneten 2,4 V-ot.
Keresztkapcsolású kapcsolt kondenzátorokSzerkesztés
A keresztbe kapcsolt kapcsolt kondenzátoros áramkörök nagyon alacsony bemeneti feszültségeknél jönnek be. Az akkumulátorral működő vezeték nélküli berendezések, például a csipogók, bluetooth eszközök és hasonlók megkövetelhetik az egycellás akkumulátor további áramellátását, ha az egy volt alá lemerült.
Mikor az óra ϕ 1 {\displaystyle \phi _{1}\ }
alacsony a Q2 tranzisztor kikapcsol. Ezzel egyidejűleg az óra ϕ 2 {\displaystyle \phi _{2}\ }
magas, ami bekapcsolja a Q1 tranzisztort, ami azt eredményezi, hogy a C1 kondenzátor Vin-re töltődik. Amikor ϕ 1 {\displaystyle \phi _{1}\ }
magasra emelkedik, a C1 felső lemezét a Vin kétszeresére tolja fel. Ezzel egyidejűleg az S1 kapcsoló bezáródik, így ez a feszültség megjelenik a kimeneten. Ezzel egyidejűleg a Q2 bekapcsol, lehetővé téve a C2 töltését. A következő félcikluson a szerepek felcserélődnek: ϕ 1 {\displaystyle \phi _{1}\ }
alacsony lesz, ϕ 2 {\displaystyle \phi _{2}\ }
magas lesz, S1 kinyit és S2 bezár. Így a kimenetet az áramkör mindkét oldaláról felváltva 2Vin táplálja.
A veszteség alacsony ebben az áramkörben, mivel nincsenek diódával kötött MOSFET-ek és a hozzájuk kapcsolódó küszöbfeszültség-problémák. Az áramkörnek az az előnye is megvan, hogy a hullámfrekvencia megduplázódik, mivel gyakorlatilag két feszültségduplázó van, amelyek mindkettő fázison kívüli órajelekről táplálja a kimenetet. Ennek az áramkörnek az elsődleges hátránya, hogy a szórt kapacitások sokkal jelentősebbek, mint a Dickson-szorzó esetében, és ebben az áramkörben a veszteségek nagyobb részét ők okozzák.