Doubleur de tension

Figure 1. Circuit de Villard

U_E signal d'entrée, U_A signal de sortie sans tension négative.

Le circuit de Villard est constitué uniquement d'un condensateur et d'une diode. Le transformateur n'est pas nécessaire au fonctionnement, il peut permettre de faire une isolation galvanique. Ce circuit a pour avantages sa grande simplicité et son faible taux d'harmoniques. Il fonctionne comme un circuit clamp (en). Le condensateur est chargé lors de l'alternance (demi-période) négative à l'amplitude maximale de la tension alternative (V_pk). La tension de sortie est égale à la tension alternative d'entrée à laquelle s'ajoute la tension constante du condensateur. Le circuit fait passer la composante continue du signal de zéro à V_pk, son minimum devient zéro volt, en négligeant la tension de seuil de la diode, la tension de sortie maximale devient donc 2*V_pk.

La tension de sortie est toujours positive, mais elle oscille au rythme de la tension alternative d'entrée. Si l'on inverse la diode, la tension de sortie devient toujours négative.

Ce circuit peut être utilisé pour régénérer la polarisation des signaux vidéo, afin d'avoir le bas des impulsions de synchronisation à 0 V.

Figure 2. Circuit de Greinacher

Le montage de Greinacher est nettement meilleur que celui de Villard pour un surcoût très limité. Les harmoniques sont normalement très faible, zéro pour le circuit ouvert, dépendantes de la résistance de la charge et de la valeur des capacités sinon. Grossièrement, il s'agit d'un circuit de Villard associé à un détecteur de crête. Ce dernier élément permet de limiter les oscillations dans la tension de sortie.

Figure 3. Quadrupleur de tension : deux montages de Greinacher montés en sens opposés

Ce circuit a été inventé en 1913 par Heinrich Greinacher[1] afin de lui permettre d'alimenter son ictomètre entre 200 et 300 V grâce au réseau 110 V de la ville de Zurich[2].

Il met ensuite son circuit en cascade en 1920 pour réaliser un multiplicateur de tension plus performant. Le montage cascade de Greinacher est parfois par erreur nommé montage cascade de Villard. En 1932, John Cockcroft et Ernest Walton redécouvrent le montage de manière indépendante et l'utilisent pour leur accélérateur de particules, le montage est parfois ainsi appelé générateur Cockcroft-Walton[3].

En assemblant deux montages de Greinacher de manière opposée (Figure 3), on obtient un quadrupleur de tension. Comme dans le cas d'un pont en H, il n'est pas possible de mettre à la terre ou à la masse à la fois l'entrée et la sortie de ce montage[4], sans l'utilisation d'un transformateur d'isolation galvanique.

Figure 4. Bridge (Delon) voltage doubler

Le doubleur de Marius Latour ou circuit de Delon est un pont électrique servant à doubler la tension. Ce montage était très courant dans la construction des télévisions à tubes cathodiques, où il servait à fournir l'alimentation très haute tension. En effet, un transformateur électrique est à la fois coûteux et dangereux dans le cadre d'un usage domestique au-delà d'une tension de 5 kV. Les télévisions noir et blanc avaient besoin de 10 kV, celles couleurs de plus, il a donc fallu trouver une autre solution. Un doubleur de tension était mis en place après l'enroulement haute tension du transformateur ou sur le convertisseur Flyback[5]^,[6]^,[7].

Le circuit est réalisé grâce à deux circuits détecteurs de crête et fonctionne de manière similaire au montage de Greinacher. Chaque demi-circuit fonctionne lors d'une alternance. La tension de sortie est égale à deux fois l'amplitude de la tension d'entrée, autrement dit égale à l'amplitude crête à crête.

Figure 7. Pompe de charge de Dickson

La pompe de charge de Dickson, ou multiplicateur de Dickson, consiste à placer en cascade des ensembles de diodes et condensateurs avec la borne basse tension du condensateur commandé par une horloge. Le circuit est une modification du circuit en cascade de Greinacher, mais la tension d'entrée est continue, la variation venant de l'horloge, alors que pour celui de Greinacher la tension d'entrée est alternative. Le multiplicateur de Dickson a besoin que les signaux d'horloge de deux étages consécutifs soient en opposition de phase. Toutefois, le montage en doubleur de tension n'étant qu'à un étage, une horloge suffit[9]^,[12].

Le multiplicateur de Dickson est fréquemment utilisé pour les circuits intégrés, si la tension de la batterie est insuffisante. Son avantage est que tous ses composants sont de même type, cela simplifie la production à grande échelle. Les MOSFET sont les portes logiques standard dans les circuits intégrés. Les diodes du montage Dickson sont donc souvent réalisées grâce à des MOSFET connectés de façon adéquate. La figure 8 présente ce type de montage[9]^,[12].

Figure 8. Double de tension de Dickson utilisant des MOSFET câblés de manière à fonctionner en diode

De nombreuses variantes existent pour le montage de Dickson. La plupart cherchent à réduire l'effet de la chute de tension entre le drain et la source du transistor. Si la tension d'entrée est faible, cette chute de tension peut en effet avoir une grande influence. Le facteur multiplicatif pour la tension, qui est théoriquement deux, peut devenir bien plus faible, la tension étant perdue dans le transistor. L'usage d'une diode Schottky contre l'effet, celle-ci ayant une très faible chute de tension à ses bornes. Pour des raisons de production, les concepteurs de circuits intégrés préfèrent utiliser malgré tout des MOSFET et accroître la complexité du circuit[13]^,[14].

Un circuit alimenté par une pile alcaline de tension 1,5 V peut servir d'exemple illustratif. Avec un circuit doubleur de tension idéale, la tension de sortie vaut 3,0 V. La chute de tension drain-source d'un MOSFET connecté en diode vaut un peu plus que le seuil de la tension de gâchette soit typiquement 0,9 V[15]. Si la chute de tension du transistor de lissage ajouté également au circuit est prise en compte, ce montage ne parvient pas à accroître la tension sans utiliser plusieurs étages. Une diode de Schottky a par contre une chute de tension de l'ordre de 0,3 V[16]. Un montage avec cette diode a donc pour tension de sortie 2,7 V, ou 2,4 V après la diode de lissage[17].

Figure 9. circuit à condensateurs commutés croisés

Les circuits à condensateurs commutés croisés sont employés pour les très faibles tensions d'entrée, par exemple pour les appareils fonctionnant à l'aide d'une pile dont la tension peut descendre en dessous du volt avec le temps[18]^,[19].

Quand l'horloge ${\displaystyle \phi _{1}\ }$ est à un niveau faible, le transistor Q₂ est ouvert. Au même moment, l'horloge ${\displaystyle \phi _{2}\ }$ est à un niveau élevé et ferme le transistor Q₁. Le condensateur C₁ est alors chargé par la tension d'entrée. Quand l'horloge ${\displaystyle \phi _{1}\ }$ remonte la borne en haut dans le schéma de C₁ est portée à une tension égale à deux fois la tension d'entrée. À cet instant, l'interrupteur S₁ est fermé, la tension de sortie devient alors égale à deux fois l'entrée. Q₂ est alors fermé, la capacité C₂ se met à charger comme l'a fait précédemment C₁. Les rôles sont alors inversés pendant cette seconde alternance. La sortie voit donc toujours une tension égale à deux fois la tension d'entrée[18]^,[19]^,[20].

Les pertes sont faibles, car il n'y a pas de MOSFET connectés en diode et donc pas la chute de tension associée. La fréquence des oscillations est également doublée, le circuit étant constitué de deux montages doubleur, chacun relié à une horloge. Si ce dernier point est plutôt avantageux, les capacités parasites ont une plus grande importance dans ce montage que dans celui de Dickson. Elles causent également des pertes[18]^,[19].