Multiplicateurs de tension expliqués : doubleur, tripleur, quadrupleur et conception Cockcroft-Walton

Un multiplicateur de tension est un redresseur spécialisé qui produit une sortie DC qui est un multiple entier du pic AC d'entrée — communément 2×, 3× ou 4×. En pratique, une source AC de 100 V crête peut générer environ 200 V DC avec un doubleur, ou 400 V DC avec un quadrupleur, bien que la charge réelle réduise ces chiffres.

Types de multiplicateurs de tension

Doubleur de tension

La plupart des alimentations de laboratoire utilisent un doubleur pour élever une source 120 V ou 240 V AC à environ 300 V DC. Un pont à onde complète configuré comme doubleur délivre la même tension DC depuis du 120 V ou 240 V secteur, qui alimente ensuite un régulateur à découpage pour les tensions plus basses.

Doubleur demi-onde

Le doubleur demi-onde combine un décalageur et un redresseur demi-onde. Le décalageur charge le condensateur C2 au pic négatif de l'entrée (≈5 V moins chute diode), puis le redresseur permet à C2 de s'ajouter à la tension du générateur pendant la demi-période positive. La sortie résultante se stabilise autour de 10 V (≈8,6 V avec chutes diodes réalistes).

*SPICE 03255.eps C1 2 0 1000p D1 1 2 diode C2 4 1 1000p D2 0 1 diode V1 4 0 SIN(0 5 1k) .model diode d .tran 0.01m 5m .end

Illustration : v(4) est l'entrée, v(1) l'étage décalageur, v(2) l'étage redresseur demi-onde, et v(3) la sortie finale.

Doubleur à onde complète

En empilant deux redresseurs demi-onde en série, le doubleur à onde complète charge un condensateur sur la demi-période négative et l'autre sur la demi-période positive. Les deux condensateurs ensemble fournissent une tension doublée avec meilleure tolérance au ripple.

*SPICE 03273.eps *R1 3 0 100k *R2 5 3 100k D1 0 2 diode D2 2 5 diode C1 3 0 1000p C2 5 3 1000p V1 2 3 SIN(0 5 1k) .model diode d .tran 0.01m 5m .end

Résultat : v(5) atteint la sortie complète dans un seul cycle d'entrée.

Dérivation des doubleurs onde complète depuis redresseurs demi-onde

La combinaison de deux redresseurs demi-onde de polarité opposée et le re-référencement de la masse produisent une alimentation ±5 V (≈±4,3 V avec chutes diodes). La sortie entre les deux sorties est alors 10 V.

Tripleur de tension

Un tripleur est essentiellement un doubleur empilé sur un redresseur demi-onde. L'étage demi-onde ajoute ~5 V, le doubleur ajoute ~10 V, produisant un total de ~15 V (≈12,9 V avec chutes diodes) relatif à la masse.

*SPICE 03283.eps C3 3 0 1000p D3 0 4 diode C1 2 3 1000p D1 1 2 diode C2 4 1 1000p D2 3 1 diode V1 4 3 SIN(0 5 1k) .model diode d .tran 0.01m 5m .end

Quadrupleur de tension

L'empilement de deux étages doubleur produit un quadrupleur. Chaque doubleur contribue ~10 V (≈8,6 V réaliste), donc la sortie combinée est ~20 V (≈17,2 V). Deux sorties DC sont disponibles : une à l'étage doubleur intermédiaire et une à l'étage final.

*SPICE 03441.eps *C22 4 5 1000p *C11 3 0 1000p D11 0 5 diode D22 5 3 diode C1 2 3 1000p D1 1 2 diode C2 4 1 1000p D2 3 1 diode V1 4 3 SIN(0 5 1k) .model diode d .tran 0.01m 5m .end

Les formes d'onde montrent les bridages successifs à des niveaux plus hauts : v(5), v(4), et v(1).

Sécurité et considérations pratiques

• Les paramètres de simulation typiques (5 V, 1 kHz, 1 nF) produisent des courants microampères ; pour milliampères de courant de charge, utilisez condensateurs 0,1–1,0 µF sur circuits kHz.
• Pour fonctionnement 50/60 Hz secteur, les condensateurs devraient être plusieurs centaines à quelques milliers µF pour fournir des centaines de milliampères.
• Respectez toujours la polarité et la tension nominale des condensateurs électrolytiques — polarité inverse peut causer explosions.
• Circuits alimentés directement sur secteur (sans transformateur) sont dangereux ; gardez-les en boîtiers blindés et jamais sur breadboard sans protection sécurité.

Multiplicateur Cockcroft-Walton

Le Cockcroft-Walton est une cascade de doubleurs demi-onde. Avec huit étages (×8), il peut délivrer ~30 V depuis une entrée 5 V crête, compte tenu des chutes diodes. Bien que chaque étage ajouté produise moins de tension incrémentale, la topologie évite le besoin d'un transformateur haute tension.

D1 7 8 diode C1 8 6 1000p D2 6 7 diode C2 5 7 1000p D3 5 6 diode C3 4 6 1000p D4 4 5 diode C4 3 5 1000p D5 3 4 diode C5 2 4 1000p D6 2 3 diode D7 1 2 diode C6 1 3 1000p C7 2 0 1000p C8 99 1 1000p D8 0 1 diode V1 99 0 SIN(0 5 1k) .model diode d .tran 0.01m 50m .end

Applications réelles incluent tubes photomultiplicateurs (jusqu'à 2000 V) et générateurs d'ions pour purification d'air. La série de prises remplace les diviseurs résistifs, réduisant la chaleur et améliorant l'efficacité.

Points clés

• Un multiplicateur de tension échelonne la tension de crête AC à un niveau DC plus élevé.
• Le plus simple est le doubleur demi-onde ; les doubleurs onde complète améliorent la performance ripple.
• Les tripleurs combinent un doubleur avec un détecteur de crête ; les quadrupleurs empilent deux doubleurs.
• Les multiplicateurs Cockcroft-Walton fournissent haute tension évolutive sans transformateurs coûteux.

Feuilles de travail associées

• Feuille de travail : Circuits amplificateurs opérationnels additionneur et soustracteur