Dans le tutoriel sur les Redresseurs, nous avons vu que la tension de sortie en courant continu contrôlée par le redresseur se situe à une valeur inférieure à celle de la tension d’entrée du réseau. Le Multiplieur de Tension, en revanche, est un type spécial de circuit redresseur à diode qui peut potentiellement produire une tension de sortie bien supérieure à celle de la tension d’entrée appliquée.

Bien qu’il soit habituel dans les circuits électroniques d’utiliser un transformateur de tension pour augmenter une tension, il arrive parfois qu’un transformateur élévateur approprié ou un transformateur spécialement isolé requis pour des applications à haute tension ne soit pas toujours disponible. Une approche alternative consiste à utiliser un circuit de multiplieur de tension à diode, qui augmente ou « élève » la tension sans avoir besoin de transformateur.

Les multiplicateurs de tension ressemblent à bien des égards aux redresseurs en ce sens qu’ils convertissent les tensions CA en tensions CC pour de nombreuses applications dans des circuits électriques et électroniques, comme dans les micro-ondes, les bobines à champ électrique fort pour tubes à rayons cathodiques, les équipements de test électrostatique et à haute tension, etc., où il est nécessaire de générer une très haute tension CC à partir d’une alimentation CA relativement basse.

En général, la tension de sortie CC (Vdc) d’un circuit redresseur est limitée par la valeur de pointe de sa tension d’entrée sinusoïdale. Mais en utilisant des combinaisons de diodes rectificatrices et de condensateurs, nous pouvons multiplier efficacement cette tension de crête d’entrée pour obtenir une tension de sortie CC correspondant à un multiple impair ou pair de la valeur de la tension de crête de la tension d’entrée CA. Considérons le circuit de multiplieur de tension de base ci-dessous.

Multiplicateur de Tension en Onde Complète

Le circuit ci-dessus montre un circuit de multiplieur de tension symétrique de base composé de deux circuits redresseurs à onde demi. En ajoutant une seconde diode et un condensateur à la sortie d’un redresseur à onde demi standard, nous pouvons augmenter sa tension de sortie d’un montant fixe. Ce type de configuration de multiplieur de tension est connu sous le nom de Multiplicateur en Série en Onde Complète parce qu’une des diodes conduit à chaque demi-cycle, tout comme pour un circuit redresseur en onde complète.

Lorsque la tension d’entrée sinusoïdale est positive, le condensateur C₁ se charge à travers la diode D₁, et lorsque la tension sinusoïdale est négative, le condensateur C₂ se charge à travers la diode D₂. La tension de sortie 2V_IN est prise à travers les deux condensateurs connectés en série.

La tension produite par un circuit de multiplieur de tension est en théorie illimitée, mais en raison de leur régulation de tension relativement médiocre et de leur faible capacité de courant, ces circuits sont généralement conçus pour augmenter la tension d’un facteur inférieur à dix. Cependant, s’ils sont conçus correctement autour d’un transformateur approprié, les circuits de multiplieur de tension peuvent produire des tensions de sortie dans la plage de quelques centaines à des dizaines de milliers de volts, en fonction de leur valeur de tension d’entrée initiale, tout en fournissant des courants faibles dans la plage des milliampères.

Le Doubleur de Tension

Comme son nom l’indique, un Doubleur de Tension est un circuit de multiplieur de tension qui a un facteur de multiplication de tension de deux. Le circuit est constitué de seulement deux diodes, de deux condensateurs et d’une tension d’entrée CA oscillante (une forme d’onde PWM pourrait également être utilisée). Ce simple circuit de pompe diode-condensateur fournit une tension de sortie CC égale à la valeur de crête à crête de la tension d’entrée sinusoïdale. En d’autres termes, il double la valeur de la tension de crête car les diodes et les condensateurs travaillent ensemble pour doubler efficacement la tension.

Circuit de Doubleur de Tension CC

Alors, comment cela fonctionne-t-il ? Le circuit montre un doubleur de tension à onde demi. Pendant le demi-cycle négatif de la forme d’onde sinusoïdale d’entrée, la diode D1 est polarisee à l’avant et conduit, chargeant le condensateur de stockage C1 jusqu’à la valeur de crête de la tension d’entrée, (Vp). En raison de l’absence d’un chemin de retour pour que le condensateur C1 se décharge, il reste complètement chargé, agissant comme un dispositif de stockage en série avec l’alimentation de tension. En même temps, la diode D2 conduit via D1, chargeant le condensateur C2.

Lors du demi-cycle positif, la diode D1 est polarisee à l’arrière, bloquant la décharge de C1, tandis que la diode D2 est polarisee à l’avant, chargeant le condensateur C2. Cependant, comme il y a une tension à travers le condensateur C1 déjà égale à la tension de crête d’entrée, le condensateur C2 se charge à deux fois la valeur de la tension de crête du signal d’entrée.

En d’autres termes, V(tension positive) + V(tension négative), donc pendant le demi-cycle négatif, D1 charge C1 à Vp et pendant le demi-cycle positif, D2 ajoute la tension de crête CA à Vp sur C1 et transfère tout cela à C2. La tension à travers le condensateur, C2, se décharge à travers la charge prête pour le prochain demi-cycle.

Ensuite, la tension à travers le condensateur C2 peut être calculée comme suit : Vout = 2Vp, (moins bien sûr les chutes de tension à travers les diodes utilisées) où Vp est la valeur de crête de la tension d’entrée. Notez que cette tension de sortie double n’est pas instantanée mais augmente lentement à chaque cycle d’entrée, finissant par se stabiliser à 2Vp.

Comme le condensateur C2 ne se charge que pendant un cycle de moitié de l’onde d’entrée, la tension de sortie qui se décharge dans la charge a une fréquence de ripple égale à la fréquence de l’alimentation, d’où le nom de doubleur de tension à onde demi. Le désavantage de cela est qu’il peut être difficile d’atténuer cette grande fréquence de ripple de la même manière que pour un circuit de redresseur à onde demi. De plus, le condensateur C2 doit avoir une tension DC nominale d’au moins deux fois la valeur de la tension de crête d’entrée.

L’avantage des Circuits de Multiplieurs de Tension est qu’ils permettent de créer des tensions plus élevées à partir d’une source d’alimentation de basse tension sans avoir besoin d’un transformateur à haute tension coûteux, car le circuit de doubleur de tension permet d’utiliser un transformateur avec un rapport de transformation inférieur à celui qui serait nécessaire si une alimentation classique en onde complète était utilisée. Cependant, bien que les multiplieurs de tension puissent augmenter la tension, ils ne peuvent fournir que de faibles courants à une charge à haute résistance (+100kΩ) car la tension de sortie générée chute rapidement à mesure que le courant de charge augmente.

Circuit de Tripler de Tension CC

En ajoutant une étape diode-condensateur supplémentaire au circuit de doubleur de tension à onde demi ci-dessus, nous pouvons créer un autre circuit de multiplieur de tension qui augmente sa tension d’entrée d’un facteur de trois, produisant ce que l’on appelle un Circuit de Tripler de Tension.

Un « circuit de tripler de tension » se compose d’une et demie étapes de doubleur de tension. Ce circuit de multiplieur de tension donne une tension de sortie CC égale à trois fois la valeur de tension de crête (3Vp) du signal d’entrée sinusoïdal. Comme avec le doubleur de tension précédent, les diodes dans le circuit de tripler de tension chargent et bloquent la décharge des condensateurs en fonction de la direction du demi-cycle d’entrée. Ensuite, 1Vp est perdu à travers C3 et 2Vp à travers C2 et comme les deux condensateurs sont en série, cela entraîne une tension équivalente de 3Vp pour la charge.

Notez que la tension de sortie réelle sera trois fois la tension de crête d’entrée moins les chutes de tension à travers les diodes utilisées, 3Vp – V(diode).

Si un circuit de tripler de tension peut être fabriqué en cascade avec une et demie étapes de multiplieur, alors un Circuit de Quadripleur de Tension peut être construit en cascade avec deux circuits de doubleur de tension complets comme montré.

Circuit de Quadripleur de Tension CC

La première étape de multiplieur de tension double la tension de crête d’entrée et la deuxième étape la double à nouveau, donnant une tension de sortie CC égale à quatre fois la valeur de la tension de crête (4Vp) du signal d’entrée sinusoïdal. De plus, utiliser des condensateurs de grande valeur aidera à réduire la tension de ripple.

Résumé sur les Multiplicateurs de Tension

Nous avons donc vu que les Multiplicateurs de Tension sont des circuits simples fabriqués à partir de diodes et de condensateurs qui peuvent augmenter la tension d’entrée de deux, trois ou quatre fois et en les cascadeant, on peut appliquer la tension CC souhaitée à une charge donnée sans avoir besoin d’un transformateur élévateur.

Les circuits de multiplieur de tension sont classés en doubleurs, tripleurs, ou quadruplers, etc., en fonction du rapport de la tension de sortie à la tension d’entrée. En théorie, n’importe quelle quantité désirée de multiplication de tension peut être obtenue, et une cascade de « N » doubleurs produirait une tension de sortie de 2N.Vp volts.

Par exemple, un circuit de multiplieur de tension à 10 étapes avec une tension d’entrée de 100 volts donnerait une tension de sortie CC d’environ 1 000 volts ou 1 kV, en supposant qu’il n’y ait pas de pertes, sans avoir besoin d’un transformateur.

Cependant, les diodes et les condensateurs utilisés dans tous les circuits de multiplication doivent avoir une tension de claquage inverse minimum d’au moins deux fois la tension de crête qui les traverse, car les circuits de multiplication de tension multi-étapes peuvent produire des tensions très élevées, donc soyez prudents. De plus, les multiplieurs de tension fournissent généralement de faibles courants à des charges à haute résistance, car la tension de sortie chute rapidement à mesure que le courant de charge augmente.

Les Circuits de Multiplication de Tension présentés ci-dessus sont tous conçus pour donner une tension de sortie CC positive. Mais ils peuvent également être conçus pour donner des tensions de sortie négatives en inversant simplement les polarités de toutes les diodes et condensateurs du multiplieur pour produire un doubleur de tension négatif.