تعریف مدار دو برابر کننده ولتاژ

مدار دو برابر کننده ولتاژ:
همان طور که از نام این مدار مشخص است، یک مدار دو برابر کننده ولتاژ (Voltage Doubler) مداری است که دارای فاکتور ضرب ولتاژ برابر با دو باشد.

مدار فقط از دو دیود، دو خازن و یک ولتاژ ورودی نوسانی سینوسی AC (یا یک شکل موج PWM) تشکیل شده است.

این مدار ساده دیودی خازنی، در خروجی مقدار ولتاژ DC را ایجاد می کند که برابر با مقدار قله به قله (Peak-to-Peak) ورودی سینوسی است.

به عبارت دیگر، این مدار مقدار پیک یا قله ولتاژ ورودی را دو برابر می کند؛ زیرا دیود و خازن همراه با یکدیگر عمل می کنند و ولتاژ را دو برابر می کنند. در تصویر زیر نمایی از یک مدار دو برابر کننده ولتاژ نشان داده شده است.

اصول کار مدار دو برابر کننده ولتاژ:
در این قسمت قصد داریم به بررسی اصول کار مدار دو برابر کننده ولتاژ بپردازیم. مدار نشان داده شده در تصویر فوق، یک دو برابر کننده ولتاژ نیم موج است.

در طول نیم سیکل منفی از سیگنال سینوسی ورودی، دیودD1در مود بایاس مستقیم قرار می گیرد و خازنC1 را تا مقدار پیک ولتاژ ورودیVP شارژ می کند.

به دلیل اینکه هیچ مسیر بازگشتی برای دشارژ خازنC 1 وجود ندارد، این خازن کاملا پر باقی می ماند و مانند یک ذخیره کننده شارژ، سری با منبع تغذیه ولتاژ عمل می کند.

در طول نیم سیکل مثبت شکل موج ولتاژ ورودی، دیودD1 در مود بایاس معکوس قرار می گیرد و مسیر دشارژ خازنC1 را مسدود می کند و دیودD2 در مود بایاس مستقیم قرار می گیرد و خازنC2 را شارژ می کند.

اما به دلیل اینکه ولتاژ موجود در دو سر خازنC1 هم اکنون برابر با پیک ولتاژ ورودی است، خازن C2 به اندازه دو برابر مقدار پیک سیگنال ولتاژ سینوسی ورودی شارژ می شود.

به عبارت دیگر، ولتاژ در خازنC2 برابر با ولتاژ پیک در نیم سیکل مثبت به علاوه ولتاژ پیک در نیم سیکل منفی خواهد بود.

بنابراین در نیم سیکل منفی، دیودD1، خازنC1را به اندازهVPشارژ می کند و در نیم سیکل مثبت، دیودD2، ولتاژ پیک AC را به مقدارVPموجود در خازنC1اضافه می کند و تمام این مقدار را به خازنC2
منتقل می کند.

ولتاژ موجود در دو سر خازنC2 از طریق بار متصل به مدار در نیم سیکل بعدی دشارژ یا تخلیه خواهد شد.

بنابراین، ولتاژ موجود در دو سر خازنC2 را می توان به صورت زیر محاسبه کرد:

Vout=2VP

البته از مقدار بالا باید مقدار افت ولتاژ دیود مورد استفاده در مدار را نیز کسر کرد. در فرمول فوق، VP مقدار پیک ولتاژ ورودی است.

به یاد داشته باشید که ولتاژ خروجی دو برابر شده، به صورت آنی نیست، بلکه در هر سیکل ورودی به آهستگی افزایش می یابد تا در نهایت به مقدار2VP برسد.

به دلیل اینکه خازنC2 فقط در یک نیم سیکل از شکل موج ورودی شارژ می شود، مقدار ولتاژ خروجی منتج که در بار دشارژ می شود، دارای فرکانس ریپل (Ripple) برابر با فرکانس منبع تغذیه است.

عیب اصلی این مدار در این است که صاف کردن ریپل های بزرگ موجود در شکل موج ولتاژ خروجی این مدار کاری بسیار دشوار است و نمی توان از روش هایی استفاده کرد که در مدارات یکسوساز نیم موج مورد استفاده قرار می گیرند.

همچنین خازنC2 باید دارای نرخ ولتاژ DC حداقل دو برابر مقدار پیک ولتاژ ورودی باشد. در تصویر زیر نمایی از شکل موج ولتاژهای ورودی و خروجی مدار دو برابر کننده ولتاژ نشان داده شده است.

اما مزیت عمده مدار ضرب کننده ولتاژ فوق در این است که امکان ایجاد ولتاژهای بزرگ تر از یک منبع ولتاژ کوچک را بدون نیاز به یک ترانسفورمر ولتاژ بالا و گران فراهم می کند.

در واقع مدار دو برابر کننده این امکان را ایجاد می کند که در صورت استفاده از منبع تغذیه تمام موج معمولی، بتوان از یک ترانسفورمر با پله های کوچک و نرخ بالا استفاده کرد.

البته به این نکته باید توجه کرد که مدار ضرب کننده ولتاژ قادر است ولتاژ را ارتقا دهد، اما فقط مقدار جریان پایینی را برای بارهای با مقاومت بزرگ (100 کیلو اهم) تامین می کند؛ زیرا با افزایش جریان بار، ولتاژ تولید شده در خروجی به سرعت افت خواهد کرد.