Pelipat Ganda Tegangan (Voltage Mulipiler)
Tegangan Multiplier adalah jenis rangkaian dioda penyearah yang dapat menghasilkan tegangan output berkali-kali lebih besar dari tegangan input yang diterapkan.
Dalam tutorial tentang Dioda Penyearah, kami melihat bahwa tegangan output DC yang dikendalikan oleh penyearah berada pada nilai di bawah tegangan input listrik. Pelipat Tegangan, bagaimanapun, adalah tipe khusus dari rangkaian dioda penyearah yang berpotensi menghasilkan tegangan output berkali-kali lebih besar dari tegangan input diterapkan.
Meskipun biasanya di rangkaian elektronik menggunakan transformator tegangan untuk menambah tegangan, terkadang transformator step-up yang sesuai atau transformator terisolasi khusus yang diperlukan untuk aplikasi tegangan tinggi mungkin tidak selalu tersedia. Salah satu pendekatan alternatif adalah dengan menggunakan rangkaian pelipat tegangan dioda yang meningkatkan atau "menggandakan" tegangan tanpa menggunakan transformator.
Pelipat tegangan mirip dalam banyak hal dengan penyearah dalam hal mereka mengubah tegangan AC-ke-DC untuk digunakan dalam banyak aplikasi rangkaian listrik dan elektronik seperti dalam oven microwave, kumparan medan listrik yang kuat untuk tabung sinar katoda, peralatan uji tegangan elektrostatik dan tegangan tinggi, dll, di mana perlu untuk memiliki tegangan DC yang sangat tinggi yang dihasilkan dari supply AC yang relatif rendah.
Secara umum, tegangan output DC ( Vdc ) dari rangkaian penyearah dibatasi oleh nilai puncak dari tegangan input sinusoidalnya. Tetapi dengan menggunakan kombinasi dioda penyearah dan kapasitor bersama-sama kita dapat secara efektif mengalikan tegangan puncak input ini untuk memberikan output DC yang sama dengan beberapa nilai tegangan puncak tegangan input AC yang ganjil atau genap. Pertimbangkan rangkaian pelipat tegangan dasar di bawah ini.
Rangkaian di atas menunjukkan rangkaian pelipat tegangan simetris dasar yang dibuat dari dua rangkaian penyearah setengah gelombang. Dengan menambahkan Dioda dan Kapasitor kedua ke output penyearah setengah gelombang standar, kita dapat meningkatkan tegangan output-nya dengan jumlah yang ditentukan.
Jenis konfigurasi pelipat ganda tegangan ini dikenal sebagai Pelipat Seri Gelombang Penuh karena salah satu dioda berjalan di setiap setengah siklus, sama seperti untuk rangkaian Dioda Penyearah Gelombang Penuh.
Ketika tegangan input sinusoidal positif, kapasitor C1 isi melalui dioda D1 dan ketika tegangan sinusoidal negatif, kapasitor C2 isi melalui dioda, D2. Tegangan output 2VIN dibawa melintasi dua seri kapasitor yang terhubung.
Tegangan yang dihasilkan oleh rangkaian Pelipat Tegangan secara teori tidak terbatas, tetapi karena regulasi tegangan yang relatif buruk dan kemampuan arus yang rendah, umumnya dirancang untuk meningkatkan tegangan dengan faktor kurang dari sepuluh.
Namun, jika dirancang dengan benar di sekitar trafo yang cocok, rangkaian pelipat tegangan mampu menghasilkan tegangan output dalam kisaran beberapa ratus hingga puluhan ribu volt, tergantung pada nilai tegangan input aslinya tetapi semuanya dengan arus rendah dalam kisaran milliamperes.
Rangkaian pompa dioda-kapasitor sederhana ini memberikan tegangan output DC yang sama dengan nilai puncak-ke-puncak dari input sinusoidal. Dengan kata lain, gandakan nilai tegangan puncak karena dioda dan kapasitor bekerja bersama untuk menggandakan tegangan secara efektif.
Jadi bagaimana cara kerjanya. Rangkaian menunjukkan pengganda tegangan setengah gelombang. Selama setengah siklus negatif dari gelombang input sinusoidal, dioda D1 forward bias dan melakukan pengisian kapasitor pompa, C1 ke nilai puncak tegangan input, ( Vp ).
Karena tidak ada jalur balik untuk Kapasitor C1 untuk melepaskan ke, itu tetap terisi penuh bertindak sebagai perangkat penyimpanan secara seri dengan supply tegangan. Pada saat yang sama, D2 dioda berjalan melalui pengisian kapasitor D1, C2.
Selama setengah siklus positif, dioda D1 adalah reverse bias menghalangi pemakaian C1 sementara dioda D2 forward bias pengisian kapasitor C2. Tetapi karena ada tegangan melintasi kapasitor C1 sudah sama dengan tegangan input puncak, kapasitor C2 mengisi dua kali lipat nilai tegangan puncak sinyal input.
Dengan kata lain, V(puncak positif) + V(puncak negatif), sehingga pada setengah siklus negatif, D1 mengisi C1 ke Vp dan pada setengah siklus positif D2 menambahkan tegangan puncak AC ke Vp pada C1 dan mentransfer semuanya. ke C2. Tegangan melintasi kapasitor, C2 mengalir melalui beban siap untuk setengah siklus berikutnya.
Kemudian tegangan melintasi kapasitor, C2 dapat dihitung sebagai: Vout = 2Vp, (minus tentu saja tegangan turun di dioda yang digunakan) di mana Vp adalah nilai puncak dari tegangan input. Perhatikan bahwa tegangan output ganda ini tidak instan tetapi meningkat perlahan pada setiap siklus input, akhirnya menetap ke 2Vp.
Karena kapasitor C2 hanya mengisi daya selama satu setengah siklus dari gelombang input, tegangan output yang dihasilkan dilepaskan ke beban memiliki frekuensi riak yang sama dengan frekuensi supply, maka itu disebut pengganda tegangan setengah gelombang.
Kerugian atau kelemahan dari ini adalah sulit untuk memuluskan frekuensi riak besar ini dengan cara yang sama seperti untuk rangkaian penyearah setengah gelombang. Juga, kapasitor C2 harus memiliki peringkat tegangan DC setidaknya dua kali dari nilai tegangan input puncak.
Keuntungan atau kelebihan dari "Rangkaian Pelipat Tegangan" adalah memungkinkan tegangan yang lebih tinggi untuk dibuat dari sumber listrik bertegangan rendah tanpa memerlukan transformator tegangan tinggi yang mahal karena rangkaian pengganda tegangan memungkinkan untuk menggunakan transformator dengan rasio step up yang lebih rendah, daripada yang dibutuhkan jika supply gelombang penuh biasa digunakan.
Namun, sementara pelipat tegangan dapat meningkatkan tegangan, mereka hanya dapat me-supply arus rendah ke beban resistansi tinggi (+100kΩ) karena tegangan output yang dihasilkan dengan cepat turun saat arus beban meningkat.
Dengan membalik arah dioda dan kapasitor dalam rangkaian, kita juga dapat membalik arah tegangan output sehingga menghasilkan tegangan negatif. Juga, jika kita menghubungkan output dari satu rangkaian pengali ke input dari yang lain (cascading), kita dapat terus meningkatkan tegangan output DC dalam langkah integer untuk menghasilkan tripler tegangan, atau rangkaian quadruplers tegangan, dll, seperti yang ditunjukkan.
Dengan menambahkan tahap dioda-kapasitor tunggal tambahan ke rangkaian pengganda tegangan setengah-gelombang di atas, kita dapat membuat rangkaian pelipat tegangan lain yang meningkatkan tegangan inputnya dengan faktor tiga dan menghasilkan apa yang disebut Rangkaian Tripler Tegangan.
Rangkaian tripler tegangan terdiri dari satu setengah tahap pengganda tegangan. Rangkaian pelipat tegangan ini memberikan output DC yang sama dengan tiga kali nilai tegangan puncak ( 3Vp ) dari sinyal input sinusoidal.
Dalam tutorial tentang Dioda Penyearah, kami melihat bahwa tegangan output DC yang dikendalikan oleh penyearah berada pada nilai di bawah tegangan input listrik. Pelipat Tegangan, bagaimanapun, adalah tipe khusus dari rangkaian dioda penyearah yang berpotensi menghasilkan tegangan output berkali-kali lebih besar dari tegangan input diterapkan.
Meskipun biasanya di rangkaian elektronik menggunakan transformator tegangan untuk menambah tegangan, terkadang transformator step-up yang sesuai atau transformator terisolasi khusus yang diperlukan untuk aplikasi tegangan tinggi mungkin tidak selalu tersedia. Salah satu pendekatan alternatif adalah dengan menggunakan rangkaian pelipat tegangan dioda yang meningkatkan atau "menggandakan" tegangan tanpa menggunakan transformator.
Pelipat tegangan mirip dalam banyak hal dengan penyearah dalam hal mereka mengubah tegangan AC-ke-DC untuk digunakan dalam banyak aplikasi rangkaian listrik dan elektronik seperti dalam oven microwave, kumparan medan listrik yang kuat untuk tabung sinar katoda, peralatan uji tegangan elektrostatik dan tegangan tinggi, dll, di mana perlu untuk memiliki tegangan DC yang sangat tinggi yang dihasilkan dari supply AC yang relatif rendah.
Secara umum, tegangan output DC ( Vdc ) dari rangkaian penyearah dibatasi oleh nilai puncak dari tegangan input sinusoidalnya. Tetapi dengan menggunakan kombinasi dioda penyearah dan kapasitor bersama-sama kita dapat secara efektif mengalikan tegangan puncak input ini untuk memberikan output DC yang sama dengan beberapa nilai tegangan puncak tegangan input AC yang ganjil atau genap. Pertimbangkan rangkaian pelipat tegangan dasar di bawah ini.
Pelipat Tegangan Gelombang Penuh
Rangkaian di atas menunjukkan rangkaian pelipat tegangan simetris dasar yang dibuat dari dua rangkaian penyearah setengah gelombang. Dengan menambahkan Dioda dan Kapasitor kedua ke output penyearah setengah gelombang standar, kita dapat meningkatkan tegangan output-nya dengan jumlah yang ditentukan.
Jenis konfigurasi pelipat ganda tegangan ini dikenal sebagai Pelipat Seri Gelombang Penuh karena salah satu dioda berjalan di setiap setengah siklus, sama seperti untuk rangkaian Dioda Penyearah Gelombang Penuh.
Ketika tegangan input sinusoidal positif, kapasitor C1 isi melalui dioda D1 dan ketika tegangan sinusoidal negatif, kapasitor C2 isi melalui dioda, D2. Tegangan output 2VIN dibawa melintasi dua seri kapasitor yang terhubung.
Tegangan yang dihasilkan oleh rangkaian Pelipat Tegangan secara teori tidak terbatas, tetapi karena regulasi tegangan yang relatif buruk dan kemampuan arus yang rendah, umumnya dirancang untuk meningkatkan tegangan dengan faktor kurang dari sepuluh.
Namun, jika dirancang dengan benar di sekitar trafo yang cocok, rangkaian pelipat tegangan mampu menghasilkan tegangan output dalam kisaran beberapa ratus hingga puluhan ribu volt, tergantung pada nilai tegangan input aslinya tetapi semuanya dengan arus rendah dalam kisaran milliamperes.
Pengganda Tegangan
Seperti namanya, Pengganda Tegangan adalah rangkaian pelipat tegangan yang memiliki faktor pengganda tegangan dua. Rangkaian ini hanya terdiri dari dua dioda, dua kapasitor dan tegangan input AC berosilasi (bentuk Gelombang PWM juga dapat digunakan).Rangkaian pompa dioda-kapasitor sederhana ini memberikan tegangan output DC yang sama dengan nilai puncak-ke-puncak dari input sinusoidal. Dengan kata lain, gandakan nilai tegangan puncak karena dioda dan kapasitor bekerja bersama untuk menggandakan tegangan secara efektif.
Rangkaian Pengganda Tegangan DC
Jadi bagaimana cara kerjanya. Rangkaian menunjukkan pengganda tegangan setengah gelombang. Selama setengah siklus negatif dari gelombang input sinusoidal, dioda D1 forward bias dan melakukan pengisian kapasitor pompa, C1 ke nilai puncak tegangan input, ( Vp ).
Karena tidak ada jalur balik untuk Kapasitor C1 untuk melepaskan ke, itu tetap terisi penuh bertindak sebagai perangkat penyimpanan secara seri dengan supply tegangan. Pada saat yang sama, D2 dioda berjalan melalui pengisian kapasitor D1, C2.
Selama setengah siklus positif, dioda D1 adalah reverse bias menghalangi pemakaian C1 sementara dioda D2 forward bias pengisian kapasitor C2. Tetapi karena ada tegangan melintasi kapasitor C1 sudah sama dengan tegangan input puncak, kapasitor C2 mengisi dua kali lipat nilai tegangan puncak sinyal input.
Dengan kata lain, V(puncak positif) + V(puncak negatif), sehingga pada setengah siklus negatif, D1 mengisi C1 ke Vp dan pada setengah siklus positif D2 menambahkan tegangan puncak AC ke Vp pada C1 dan mentransfer semuanya. ke C2. Tegangan melintasi kapasitor, C2 mengalir melalui beban siap untuk setengah siklus berikutnya.
Kemudian tegangan melintasi kapasitor, C2 dapat dihitung sebagai: Vout = 2Vp, (minus tentu saja tegangan turun di dioda yang digunakan) di mana Vp adalah nilai puncak dari tegangan input. Perhatikan bahwa tegangan output ganda ini tidak instan tetapi meningkat perlahan pada setiap siklus input, akhirnya menetap ke 2Vp.
Karena kapasitor C2 hanya mengisi daya selama satu setengah siklus dari gelombang input, tegangan output yang dihasilkan dilepaskan ke beban memiliki frekuensi riak yang sama dengan frekuensi supply, maka itu disebut pengganda tegangan setengah gelombang.
Kerugian atau kelemahan dari ini adalah sulit untuk memuluskan frekuensi riak besar ini dengan cara yang sama seperti untuk rangkaian penyearah setengah gelombang. Juga, kapasitor C2 harus memiliki peringkat tegangan DC setidaknya dua kali dari nilai tegangan input puncak.
Keuntungan atau kelebihan dari "Rangkaian Pelipat Tegangan" adalah memungkinkan tegangan yang lebih tinggi untuk dibuat dari sumber listrik bertegangan rendah tanpa memerlukan transformator tegangan tinggi yang mahal karena rangkaian pengganda tegangan memungkinkan untuk menggunakan transformator dengan rasio step up yang lebih rendah, daripada yang dibutuhkan jika supply gelombang penuh biasa digunakan.
Namun, sementara pelipat tegangan dapat meningkatkan tegangan, mereka hanya dapat me-supply arus rendah ke beban resistansi tinggi (+100kΩ) karena tegangan output yang dihasilkan dengan cepat turun saat arus beban meningkat.
Dengan membalik arah dioda dan kapasitor dalam rangkaian, kita juga dapat membalik arah tegangan output sehingga menghasilkan tegangan negatif. Juga, jika kita menghubungkan output dari satu rangkaian pengali ke input dari yang lain (cascading), kita dapat terus meningkatkan tegangan output DC dalam langkah integer untuk menghasilkan tripler tegangan, atau rangkaian quadruplers tegangan, dll, seperti yang ditunjukkan.
Rangkaian Tripler (tiga-kali) Tegangan DC
Dengan menambahkan tahap dioda-kapasitor tunggal tambahan ke rangkaian pengganda tegangan setengah-gelombang di atas, kita dapat membuat rangkaian pelipat tegangan lain yang meningkatkan tegangan inputnya dengan faktor tiga dan menghasilkan apa yang disebut Rangkaian Tripler Tegangan.
Rangkaian tripler tegangan terdiri dari satu setengah tahap pengganda tegangan. Rangkaian pelipat tegangan ini memberikan output DC yang sama dengan tiga kali nilai tegangan puncak ( 3Vp ) dari sinyal input sinusoidal.
Seperti pengganda tegangan sebelumnya, dioda di dalam rangkaian tripler tegangan mengisi dan memblokir pelepasan kapasitor tergantung pada arah setengah siklus input. Kemudian 1Vp dijatuhkan di C3 dan 2Vp di C2 dan karena dua kapasitor dalam seri, ini menghasilkan beban yang melihat tegangan setara dengan 3Vp.
Perhatikan bahwa tegangan output riil akan tiga kali tegangan input puncak dikurangi tegangan turun di dioda yang digunakan, 3Vp - V(dioda).
Jika rangkaian tripler tegangan dapat dibuat dengan cascading bersama satu dan pelipat tegangan setengah, maka rangkaian Quadrupler Tegangan dapat dibangun dengan cascading bersama dua rangkaian pengganda tegangan penuh seperti yang ditunjukkan.
Rangkaian Quadrupler (empat-kali) Tegangan DC
Tahap pelipat tegangan pertama menggandakan tegangan input puncak dan tahap kedua menggandakannya lagi, memberikan output DC sama dengan empat kali nilai tegangan puncak ( 4Vp ) dari sinyal input sinusoidal. Selain itu, menggunakan kapasitor bernilai besar akan membantu mengurangi tegangan riak.
Ringkasan Pelipat Tegangan
Kemudian kita telah melihat bahwa Pelipat Tegangan adalah rangkaian sederhana yang dibuat dari dioda dan kapasitor yang dapat meningkatkan tegangan input sebanyak dua, tiga, atau empat kali dan dengan membentuk pengganda individu atau pelipat tahap penuh secara seri untuk menerapkan tegangan DC yang diinginkan pada suatu memuat tanpa membutuhkan transformator step-up.
Rangkaian pelipat tegangan diklasifikasikan sebagai pengganda tegangan, tripler, atau quadrupler, dll, tergantung pada rasio tegangan output terhadap tegangan input. Secara teori, jumlah penggandaan tegangan yang diinginkan dapat diperoleh dan gabungan (cascade) “N” ganda, akan menghasilkan tegangan output sebesar 2N.Vp volt.
Misalnya, rangkaian pelipat tegangan 10-tahap dengan tegangan input puncak 100 volt akan menghasilkan tegangan output DC sekitar 1.000 volt atau 1kV, dengan asumsi tidak ada kerugian, tanpa menggunakan transformator.
Namun demikian, dioda dan kapasitor yang digunakan dalam semua rangkaian perkalian perlu memiliki peringkat tegangan balik kebalikan minimum setidaknya dua kali tegangan puncaknya karena rangkaian pengali tegangan multi-tahap dapat menghasilkan tegangan sangat tinggi, jadi berhati-hatilah.
Selain itu, pelipat tegangan biasanya men-supply arus rendah ke beban resistansi tinggi karena tegangan output turun dengan cepat seiring dengan meningkatnya arus beban.
Selain itu, pelipat tegangan biasanya men-supply arus rendah ke beban resistansi tinggi karena tegangan output turun dengan cepat seiring dengan meningkatnya arus beban.
Rangkaian Voltage Multiplier ditunjukkan di atas, semua dirancang untuk memberikan tegangan output DC positif. Tetapi mereka juga dapat dirancang untuk memberikan output tegangan negatif dengan hanya membalik polaritas semua dioda dan kapasitor pelipat untuk menghasilkan pengganda tegangan negatif.