È possibile usare i semplici circuiti diodo-condensatore descritti sopra per raddoppiare la tensione di una sorgente DC facendo precedere il raddoppiatore di tensione da un circuito chopper. In effetti, questo converte la DC in AC prima dell’applicazione al raddoppiatore di tensione. Circuiti più efficienti possono essere costruiti pilotando i dispositivi di commutazione da un clock esterno in modo che entrambe le funzioni, il taglio e la moltiplicazione, siano realizzate simultaneamente. Tali circuiti sono noti come circuiti a condensatore commutato. Questo approccio è particolarmente utile nelle applicazioni alimentate a batteria a basso voltaggio dove i circuiti integrati richiedono una tensione di alimentazione maggiore di quella che la batteria può fornire. Spesso, un segnale di clock è prontamente disponibile a bordo del circuito integrato e poca o nessuna circuiteria aggiuntiva è necessaria per generarlo.
Concettualmente, forse la più semplice configurazione a condensatore commutato è quella mostrata schematicamente nella figura 5. Qui due condensatori sono caricati simultaneamente alla stessa tensione in parallelo. L’alimentazione viene poi spenta e i condensatori vengono commutati in serie. L’uscita viene presa da attraverso i due condensatori in serie, ottenendo un’uscita doppia rispetto alla tensione di alimentazione. Ci sono molti dispositivi di commutazione diversi che potrebbero essere usati in un tale circuito, ma nei circuiti integrati i dispositivi MOSFET sono frequentemente impiegati.
Un altro concetto di base è la pompa di carica, una versione della quale è mostrata schematicamente nella figura 6. Il condensatore della pompa di carica, CP, viene prima caricato alla tensione d’ingresso. Viene poi commutato per caricare il condensatore di uscita, CO, in serie con la tensione di ingresso con il risultato che CO alla fine viene caricato al doppio della tensione di ingresso. Possono essere necessari diversi cicli prima che la pompa di carica riesca a caricare completamente CO, ma dopo che lo stato stazionario è stato raggiunto, è solo necessario per CP pompare una piccola quantità di carica equivalente a quella fornita al carico da CO. Mentre CO è scollegato dalla pompa di carica, si scarica parzialmente nel carico con conseguente ondulazione della tensione di uscita. Questo ripple è minore per frequenze di clock più alte, poiché il tempo di scarica è più breve, ed è anche più facile da filtrare. In alternativa, i condensatori possono essere resi più piccoli per una data specifica di ripple. La massima frequenza di clock pratica nei circuiti integrati è tipicamente nelle centinaia di kilohertz.
Pompa di carica DicksonModifica
La pompa di carica Dickson, o moltiplicatore Dickson, consiste in una cascata di diodi/capacitori con la piastra inferiore di ogni condensatore pilotata da un treno di impulsi di clock. Il circuito è una modifica del moltiplicatore Cockcroft-Walton ma prende un ingresso DC con i treni di clock che forniscono il segnale di commutazione invece dell’ingresso AC. Il moltiplicatore Dickson normalmente richiede che le celle alternate siano guidate da impulsi di clock di fase opposta. Tuttavia, poiché un raddoppiatore di tensione, mostrato in figura 7, richiede solo uno stadio di moltiplicazione, è richiesto solo un segnale di clock.
Il moltiplicatore di Dickson è spesso impiegato nei circuiti integrati dove la tensione di alimentazione (da una batteria, per esempio) è inferiore a quella richiesta dal circuito. Nella produzione di circuiti integrati è vantaggioso che tutti i componenti a semiconduttore siano fondamentalmente dello stesso tipo. I MOSFET sono comunemente il blocco logico standard in molti circuiti integrati. Per questo motivo i diodi sono spesso sostituiti da questo tipo di transistor, ma cablati per funzionare come un diodo – una disposizione chiamata MOSFET cablato a diodo. La figura 8 mostra un duplicatore di tensione Dickson che utilizza MOSFET a canale n cablati a diodi.
Ci sono molte variazioni e miglioramenti alla pompa di carica Dickson di base. Molte di queste riguardano la riduzione dell’effetto della tensione di drain-source del transistor. Questo può essere molto significativo se la tensione di ingresso è piccola, come una batteria a bassa tensione. Con elementi di commutazione ideali l’uscita è un multiplo integrale dell’ingresso (due per un raddoppiatore), ma con una batteria a cella singola come sorgente d’ingresso e interruttori MOSFET l’uscita sarà molto inferiore a questo valore poiché gran parte della tensione sarà caduta attraverso i transistor. Per un circuito che usa componenti discreti, il diodo Schottky sarebbe una scelta migliore come elemento di commutazione per la sua caduta di tensione estremamente bassa nello stato on. Tuttavia, i progettisti di circuiti integrati preferiscono usare il MOSFET facilmente disponibile e compensare le sue inadeguatezze con una maggiore complessità del circuito.
Come esempio, una pila alcalina ha una tensione nominale di 1,5 V. Un raddoppiatore di tensione che utilizza elementi di commutazione ideali con caduta di tensione pari a zero produrrà il doppio, cioè 3,0 V. Tuttavia, la caduta di tensione drenaggio-sorgente di un MOSFET cablato a diodi quando è nello stato on deve essere almeno la tensione di soglia del gate che potrebbe essere tipicamente 0,9 V. Questo “raddoppiatore” di tensione riuscirà solo ad aumentare la tensione di uscita di circa 0,6 V a 2,1 V. Se si tiene conto anche della caduta attraverso il transistor di smorzamento finale, il circuito potrebbe non essere in grado di aumentare del tutto la tensione senza utilizzare più fasi. Un tipico diodo Schottky, d’altra parte, potrebbe avere una tensione di stato di 0,3 V. Un raddoppiatore che usa questo diodo Schottky risulterà in una tensione di 2,7 V, o all’uscita dopo il diodo di smorzamento, 2,4 V.
Condensatori commutati accoppiati incrociatiModifica
I circuiti a condensatori commutati ad accoppiamento incrociato si rivelano utili per tensioni di ingresso molto basse. Apparecchiature wireless a batteria come cercapersone, dispositivi bluetooth e simili possono richiedere che una batteria a cella singola continui a fornire energia quando si è scaricata a meno di un volt.
Quando il clock ϕ 1 {\displaystyle \phi _{1}}}
è basso il transistor Q2 viene spento. Allo stesso tempo l’orologio ϕ 2 {displaystyle \phi _{2}}}
è alto, accendendo il transistor Q1 e portando il condensatore C1 a Vin. Quando ϕ 1 {displaystyle \phi _{1}}}
diventa alto, la piastra superiore di C1 viene spinta fino al doppio di Vin. Allo stesso tempo l’interruttore S1 si chiude in modo che questa tensione appaia all’uscita. Allo stesso tempo Q2 è acceso permettendo a C2 di caricarsi. Al prossimo mezzo ciclo i ruoli saranno invertiti: ϕ 1 {displaystyle \phi _{1}}}
sarà basso, ϕ 2 {displaystyle \phi _{2}}}
sarà alto, S1 si aprirà e S2 si chiuderà. Così, l’uscita viene alimentata con 2Vin alternativamente da ogni lato del circuito.
La perdita è bassa in questo circuito perché non ci sono MOSFET collegati a diodi e i loro problemi di tensione di soglia associati. Il circuito ha anche il vantaggio che la frequenza di ripple è raddoppiata perché ci sono effettivamente due duplicatori di tensione che forniscono entrambi l’uscita da orologi fuori fase. Lo svantaggio principale di questo circuito è che le capacità parassite sono molto più significative che con il moltiplicatore Dickson e rappresentano la maggior parte delle perdite in questo circuito.