Un doubleur de tension est un circuit électrique permettant d'obtenir une tension de sortie égale à deux fois la tension d'entrée. Les doubleurs de tension sont donc des multiplicateurs de tension avec pour facteur deux. Pour cela des condensateurs et des éléments interrupteurs sont utilisés.

Les circuits les plus simples sont des redresseurs ayant pour une tension d'entrée alternative ( AC ) et pour sortie une tension continue ( DC ) doublée. Les éléments commutants sont des diodes et sont donc commutés naturellement par la tension alternative. Les circuits DC / DC ont besoin d'éléments commutants commandables, par exemple un transistor, afin de réaliser le doublement de la tension.

Souvent les multiplicateurs de tension d'ordre supérieur sont juste des extensions des circuits doubleur de tension avec plus d'étages. On parle de mise en cascade. Dans ce cas, la compréhension du doubleur de tension associé est plus simple que celle de l'ensemble du montage.

Le circuit de Villard est constitué uniquement d'un condensateur et d'une diode. Il a pour avantages sa grande simplicité et son faible taux d'harmoniques. Il fonctionne comme un circuit clamp. Le condensateur est chargé sur 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 certes continue, elle oscille fortement au rythme de la tension alternative d'entrée. Pour éviter ces oscillations, il faut rendre le circuit beaucoup plus complexe. C'est le circuit employé généralement, avec celui à diode inversée, pour alimenter en tension négative le magnétron d'un four micro-ondes.

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.

Notons la valeur crête de la source de tension alternative +U_s. Si on prend pour hypothèse que la valeur C du condensateur est suffisamment grande pour que, lorsque le condensateur est chargé, le passage du courant ne cause pas de variations significatives de la tension aux bornes du condensateur, alors le fonctionnement d'une cascade est le suivant :

Lorsque la tension alternative vaut -U_s : Le condensateur C1 est chargée au travers de la diode D1 à la tension U_s, la tension aux bornes du condensateur vaut Us

Lorsque la tension alternative vaut +U_s : Le potentiel de C1 s'ajoute à celui de la source de tension alternative. Le condensateur C2 est donc chargée à la tension 2Us au travers de la diode D2.

Lorsque la tension alternative vaut -U_s : Le potentiel de C1 a chuté à zéro. Cela permet au condensateur C3 de se charger au travers de la diode D3 à la tension 2Us.

Lorsque la tension alternative vaut +U_s : Le potentiel de C1 monte à 2U_s comme lors de la deuxième étape. Le condensateur C4 se charge à la tension 2U_s. La tension de sortie, somme des tensions des condensateurs C2 et C4, est alors 4U_s.

En fait, il faut plus de cycles pour que C4 atteigne sa tension permanente. Chaque étage supplémentaire, constitué de deux diodes et deux condensateurs, accroît la tension de sortie de l'amplitude de la tension alternative d'entrée.

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

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.

En assemblant deux montages de Greinacher de manière opposée, on obtient un quadrupleur de tension. Comme dans le cas d'un pont, il n'est pas possible de mettre à la terre à la fois les entrées et les sorties de ce montage.

Le 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, celle 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 transformateur fly-back.

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.

Un hacheur peut être combiné au circuit de Villard. Ainsi, une tension continue peut être rendue alternative, doublée puis redressée. Le circuit est alors plus performant si les interrupteurs sont commutés simultanément par une horloge externe. Ce type de circuit porte le nom de circuit à condensateurs commutés. Cette approche est particulièrement utile dans le cas d'applications avec une batterie de faible tension et où les circuits intégrés requièrent une tension supérieure à celle de la batterie. Une horloge étant généralement présente dans les circuits intégrés, le surcoût d'un tel montage est souvent nul.

La figure présente un des montages à condensateurs commutés les plus simple. Les deux condensateurs sont chargés en parallèles à la même tension. L'alimentation est ensuite interrompue et les condensateurs branchés en série. La tension de sortie est prise aux bornes des deux condensateurs en série, elle est donc deux fois plus élevée que la tension initiale. De nombreux éléments peuvent être utilisés afin de réaliser la commutation, en pratique cependant les .

Le condensateur C_P est d'abord chargé à la tension d'entrée. Les interrupteurs sont commutés et le premier condensateur en série avec la source se mettent à charger le condensateur de sortie C₀ à deux fois la tension d'entrée. Le chargement total du condensateur C₀ peut prendre plusieurs périodes, mais en régime permanent les charges et décharges de C_P doivent être à l'équilibre. Elles résultent en de légères oscillations. Si la fréquence est élevée, ces oscillations sont plus faibles et plus facile à filtrer. Dans les circuits intégrés, la fréquence d'horloge maximale est typiquement de l'ordre de quelques centaines de kHz.

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.

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.

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.

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. 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. Un montage avec cette diode a donc pour tension de sortie 2,7 V, ou 2,4 V après la diode de lissage.

Les circuit à condensateurs commutés croisés sont employés pour les très faible tension 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.

Quand l'horloge Φ₁ est à un niveau faible, le transistor Q₂ est ouvert. Au même moment, l'horloge Φ₂ est à un niveau élevé et ferme le transistor Q₁. Le condensateur C₁ est alors chargé par la tension d'entrée. Quand l'horloge Φ₁ 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.

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 montage que dans celui de Dickson. Elles causent également des pertes.

Il est assez simple à assimiler. Si de façon arbitraire on considère le point AC2 comme point de référence (0 V ou masse, comme vous voulez), on constate que la diode D1 ne conduit que pendant les alternances positives (tension au point AC1 supérieure à la tension au point AC2), et que la diode D2 ne conduit que pendant les alternances négatives (tension au point AC1 inférieure à la tension au point AC2). Durant les alternances positives, le condensateur C1 se charge pendant que le condensateur C2 est isolé (la diode D2 étant bloquée). Et durant les alternances négatives, le condensateur C2 se charge pendant que le condensateur C1 est isolé (la diode D1 étant bloquée). On retrouve donc aux bornes de chacun des condensateurs C1 et C2 une tension identique, et comme ces deux condensateurs sont montés en série, on dispose bien d'une tension double aux extrêmes. Notez que si l'on décide d'utiliser le point AC2 comme référence de tension commune (masse), on dispose d'une alimentation symétrique +/-V, avec un transformateur à secondaire unique sans point milieu

Un condensateur présente une caractéristique résistive appelée capacitance, qui dépend d'une part de la fréquence du signal électrique qui le traverse, et d'autre part de sa propre valeur capacitive.