Este posibil să se utilizeze circuitele simple cu diode și condensatoare descrise mai sus pentru a dubla tensiunea unei surse de curent continuu, precedând dublatorul de tensiune cu un circuit chopper. De fapt, acesta convertește curentul continuu în curent alternativ înainte de aplicarea la dublatorul de tensiune. Se pot construi circuite mai eficiente prin comanda dispozitivelor de comutare de la un ceas extern, astfel încât ambele funcții, cea de tăiere și cea de multiplicare, să fie realizate simultan. Astfel de circuite sunt cunoscute sub denumirea de circuite cu condensator comutat. Această abordare este deosebit de utilă în special în aplicațiile alimentate cu baterii de joasă tensiune, în care circuitele integrate necesită o tensiune de alimentare mai mare decât cea pe care o poate furniza bateria. Frecvent, un semnal de ceas este ușor disponibil la bordul circuitului integrat și sunt necesare puține sau deloc circuite suplimentare pentru a-l genera.
Conceptual, poate cea mai simplă configurație de condensator comutat este cea prezentată schematic în figura 5. Aici, două condensatoare sunt încărcate simultan la aceeași tensiune în paralel. Alimentarea este apoi oprită, iar condensatoarele sunt comutate în serie. Ieșirea este preluată de la cele două condensatoare în serie, rezultând o ieșire dublă față de tensiunea de alimentare. Există multe dispozitive de comutare diferite care ar putea fi utilizate într-un astfel de circuit, dar în circuitele integrate sunt utilizate frecvent dispozitive MOSFET.
Un alt concept de bază este cel al pompei de sarcină, a cărei versiune este prezentată schematic în figura 6. Condensatorul pompei de sarcină, CP, este mai întâi încărcat la tensiunea de intrare. Acesta este apoi comutat pentru a încărca condensatorul de ieșire, CO, în serie cu tensiunea de intrare, rezultând că, în cele din urmă, CO este încărcat la dublul tensiunii de intrare. Pot fi necesare mai multe cicluri înainte ca pompa de încărcare să reușească să încarce complet CO, dar după ce s-a ajuns la starea de echilibru, este necesar ca CP să pompeze doar o cantitate mică de sarcină echivalentă cu cea furnizată sarcinii de către CO. În timp ce CO este deconectat de la pompa de încărcare, acesta se descarcă parțial în sarcină, ceea ce duce la o ondulație a tensiunii de ieșire. Această ondulație este mai mică pentru frecvențe de ceas mai mari, deoarece timpul de descărcare este mai scurt și, de asemenea, este mai ușor de filtrat. Alternativ, condensatorii pot fi făcuți mai mici pentru o anumită specificație de ondulație. Frecvența maximă practică de ceas în circuitele integrate este de obicei de ordinul sutelor de kilohertzi.
Pompă de sarcină DicksonEdit
Pompa de sarcină Dickson, sau multiplicatorul Dickson, constă într-o cascadă de celule de diode/condensatoare cu placa inferioară a fiecărui condensator comandată de un tren de impulsuri de ceas. Circuitul este o modificare a multiplicatorului Cockcroft-Walton, dar primește o intrare de curent continuu, trenurile de ceasuri furnizând semnalul de comutare în locul intrării de curent alternativ. Multiplicatorul Dickson necesită, în mod normal, ca celulele alternative să fie comandate de impulsuri de ceas de fază opusă. Cu toate acestea, deoarece un dublator de tensiune, prezentat în figura 7, necesită doar un singur etaj de multiplicare, este necesar un singur semnal de ceas.
Multiplicatorul Dickson este frecvent utilizat în circuitele integrate în care tensiunea de alimentare (de la o baterie, de exemplu) este mai mică decât cea cerută de circuit. La fabricarea circuitelor integrate este avantajos ca toate componentele semiconductoare să fie practic de același tip. MOSFET-urile sunt de obicei blocul logic standard în multe circuite integrate. Din acest motiv, diodele sunt adesea înlocuite cu acest tip de tranzistor, dar cablat pentru a funcționa ca o diodă – un aranjament numit MOSFET cablat cu diodă. Figura 8 prezintă un dublator de tensiune Dickson care utilizează MOSFET-uri de tip enhancement cu canal n cablate cu diode.
Există multe variante și îmbunătățiri ale pompei de sarcină Dickson de bază. Multe dintre acestea se referă la reducerea efectului tensiunii drenă-sursă a tranzistorului. Acest lucru poate fi foarte semnificativ dacă tensiunea de intrare este mică, cum ar fi o baterie de joasă tensiune. În cazul elementelor de comutație ideale, ieșirea este un multiplu integral al intrării (doi pentru un dublator), dar în cazul unei baterii cu o singură celulă ca sursă de intrare și al comutatoarelor MOSFET, ieșirea va fi mult mai mică decât această valoare, deoarece o mare parte din tensiune va fi căzută prin tranzistoare. Pentru un circuit care utilizează componente discrete, dioda Schottky ar fi o alegere mai bună ca element de comutare pentru căderea sa de tensiune extrem de redusă în starea de funcționare. Cu toate acestea, proiectanții de circuite integrate preferă să folosească MOSFET-ul ușor de găsit și să compenseze neajunsurile sale cu o complexitate crescută a circuitului.
Ca exemplu, o celulă de baterie alcalină are o tensiune nominală de 1,5 V. Un dublator de tensiune care utilizează elemente de comutație ideale cu cădere de tensiune nulă va scoate la ieșire dublul acesteia, și anume 3,0 V. Cu toate acestea, căderea de tensiune drenă-sursă a unui MOSFET cablat cu diodă atunci când este în starea pornit trebuie să fie cel puțin tensiunea de prag a porții, care ar putea fi în mod obișnuit de 0,9 V. Acest „dublator” de tensiune va reuși să crească tensiunea de ieșire doar cu aproximativ 0,6 V până la 2,1 V. Dacă se ia în considerare și căderea pe tranzistorul final de netezire, este posibil ca circuitul să nu poată crește deloc tensiunea fără a utiliza mai multe trepte. O diodă Schottky tipică, pe de altă parte, ar putea avea o tensiune în stare de funcționare de 0,3 V. Un dispozitiv de dublare care utilizează această diodă Schottky va avea ca rezultat o tensiune de 2,7 V sau, la ieșire, după dioda de netezire, de 2,4 V.
Condensatoare comutate cu cuplaj încrucișatEdit
Circuitele cu condensatoare comutate cuplaj încrucișat își arată utilitatea pentru tensiuni de intrare foarte mici. Echipamentele acționate de baterii fără fir, cum ar fi pagerele, dispozitivele bluetooth și altele asemenea, pot necesita ca o baterie cu o singură celulă să continue să furnizeze energie atunci când aceasta s-a descărcat la mai puțin de un volt.
Când ceasul ϕ 1 {\displaystyle \phi _{1}\} }
este scăzut, tranzistorul Q2 este oprit. În același timp, ceasul ϕ 2 {\displaystyle \phi _{2}\ }
este mare, pornind tranzistorul Q1, ceea ce duce la încărcarea condensatorului C1 la Vin. Când ϕ 1 {\displaystyle \phi _{1}\ }
devine mare, placa superioară a lui C1 este împinsă până la de două ori Vin. În același timp, comutatorul S1 se închide, astfel încât această tensiune apare la ieșire. În același timp, Q2 este pornit, permițând lui C2 să se încarce. La următoarea jumătate de ciclu, rolurile se vor inversa: ϕ 1 {\displaystyle \phi _{1}\} }
va fi scăzut, ϕ 2 {\displaystyle \phi _{2}\ }
va fi mare, S1 se va deschide și S2 se va închide. Astfel, ieșirea este alimentată cu 2Vin alternativ din fiecare parte a circuitului.
Pierderea este scăzută în acest circuit deoarece nu există MOSFET-uri cablate cu diode și problemele de tensiune de prag asociate acestora. Circuitul are, de asemenea, avantajul că frecvența de ondulație este dublată, deoarece există efectiv două dublatoare de tensiune, ambele alimentând ieșirea de la ceasuri defazate. Dezavantajul principal al acestui circuit este faptul că capacitățile de dispersie sunt mult mai semnificative decât în cazul multiplicatorului Dickson și reprezintă cea mai mare parte a pierderilor din acest circuit.
.