Умножитель напряжения: принцип работы и схемы
После того как на рынке электроники появились миниатюрные конденсаторы, имеющие большую емкость, стало возможным использование в электронных схемах методики, связанной с умножением напряжения. Для этих целей разработан – умножитель напряжения, основой которого являются диоды и конденсаторы, подключенные в определенном порядке.
Содержание
Общие сведения об умножителях напряжения
Суть работы умножителя заключается в преобразовании переменного напряжения, получаемого из низковольтного источника, в высокое напряжение постоянного тока. Есть разные варианты данных приборов такие как, умножитель напряжения Шенкеля и другие схемы, проектируемые для конкретной аппаратуры.
В электронике к умножителям напряжения относятся специальные схемы, с помощью которых уровень входящего напряжения преобразуется в сторону увеличения. Одновременно эти устройства выполняют еще и функцию выпрямления. Умножители применяются в тех случаях, когда нежелательно использовать в общей схеме дополнительный повышающий трансформатор из-за сложности его устройства и больших размеров.
В некоторых случаях трансформаторы не могут поднять напряжение до требуемого уровня, поскольку между витками вторичной обмотки может случиться пробой. Данные особенности следует учитывать при решении задачи, как сделать различные варианты удвоителей своими руками.
В схемах умножителей обычно используются свойства и характеристики однофазных однополупериодных выпрямителей, работающих на емкостную нагрузку. В процессе работы этих устройств между определенными точками создается напряжение с величиной, превышающей значение входного напряжения. В качестве таких точек выступают выводы диода, входящего в схему выпрямителя. При подключении к ним еще одного такого же выпрямителя, получится схема несимметричного удвоителя напряжения.
Таким образом, каждый умножитель напряжения как повышающее устройство может быть симметричным и несимметричным. Кроме того, все они разделяются на категории первого и второго рода. Схема симметричного умножителя представляет собой две несимметричные схемы, соединенные между собой.
У одной из них происходит изменение полярности конденсаторов и проводимости диодов. Симметричные умножители имеют лучшие электрические характеристики, в частности выпрямляемое напряжение обладает удвоенной частотой пульсаций.
Различные типы таких приборов повсеместно используются в электронной аппаратуре и оборудовании. С помощью этих устройств появилась возможность осуществлять умножение и получать напряжение в десятки и сотни тысяч вольт. Сами умножители напряжения отличаются незначительной массой, малыми габаритами, они просты в изготовлении и дальнейшей эксплуатации.
Принцип работы
Для того чтобы представить себе как работает умножитель напряжения, рассматривается простейшая схема однополупериодного устройства, показанного на рисунке. Когда начинает действовать отрицательный полупериод напряжения, диод Д1 открывается и через него осуществляется зарядка конденсатора С1. Заряд должен сравняться с амплитудным значением подаваемого напряжения.
При наступлении периода с положительной волной происходит зарядка следующего конденсатора С2 через диод Д2.
В этом случае заряд приобретает высокие удвоенные значения по сравнению с поданным напряжением. Далее наступает отрицательный полупериод, в течение которого до удвоенного значения заряжается конденсатор С3. Таким же образом, во время дальнейшей смены полупериода, выполняется зарядка конденсатора С4, вновь с удвоенным значением.
Для того чтобы запустить устройство, требуются полные периоды напряжения в количестве нескольких циклов, создающие напряжения на диодах. Величина напряжения, получаемая на выходе, состоит из суммы напряжений конденсаторов С2 и С4, соединенных последовательно и заряжаемых постоянно. В конечном итоге, образуется величина выходного переменного напряжения, которое в 4 раза превышает значение напряжения на входе. В этом и заключается принцип работы умножителя напряжения.
Самый первый конденсатор С1, полностью заряженный, имеет постоянное значение напряжения. То есть, он выполняет функцию постоянной составляющей Ua, применяемой в расчетах. Следовательно, можно и дальше наращивать потенциал умножителя, подключая дополнительные звенья, сделанные по тому же принципу, поскольку напряжение на диодах в каждом из этих звеньев будет равно сумме входного напряжения и постоянной составляющей.
За счет этого получается любой коэффициент умножения с требуемым значением. Напряжение на всех конденсаторах, кроме первого будет равным 2х Ua.
Если в умножителе используется нечетный коэффициент, для подключения нагрузки используются конденсаторы, расположенные в верхней части схемы. При четном, наоборот, задействуются нижние конденсаторы.
Примерный расчет схемы умножителя
Перед тем как начинать расчет, задаются основные характеристики устройства. Это особенно важно, когда необходимо изготовить умножитель напряжения своими руками. В первую очередь, это значения входного и выходного напряжения, мощность и габаритные размеры. Следует учитывать и некоторые ограничения, касающиеся параметров напряжения. Его величина на входе должна быть не более 15 кВ, границы диапазона частоты составляют от 5 до 100 кГц.
Рекомендуемое значение выходного высоковольтного напряжения – не выше 150 кВ. Величина выходной мощности умножителя напряжения составляет в пределах 50 Вт, хотя можно создать устройство и с более высокими параметрами, в котором мощность достигает даже 200 Вт.
Как проверить конденсатор мультиметром: пошаговая инструкция
Проверка светодиода мультиметром (тестером) на исправность
Мультиметр: назначение, виды, обозначение, маркировка, что можно измерить мультиметром
Как проверить конденсатор мультиметром на работоспособность
Диммер своими руками: устройство, принцип работы + как сделать диммер самому
Какой стабилизатор напряжения лучше купить — ТОП лучших для дома, дачи, котла, холодильника в 2023 году
Умножитель напряжения ⋆ diodov.net
19.10.2017
HomeСхемыУмножитель напряжения
By Дмитрий Забарило Схемы 4 комментария
При изготовлении электронных устройств, в частности блоков питания, в некоторых случаях возникает необходимость иметь выпрямленное напряжение большей величины, чем на клеммах вторичной обмотке трансформатора или в розетке 220 В.
Например, после выпрямления сетевого напряжения 220 В на фильтрующем конденсаторе при очень малой нагрузке можно получить максимум амплитудное значение переменного напряжения 311 В. Следовательно конденсатор зарядится до указанного значения. Однако применяя умножитель напряжения можно повысить его до 1000 В и более.
Удвоитель напряжения
Схема умножителя напряжения может выполняться в нескольких вариантах, одна принцип действия всех их заключается в следующем. В разные полупериоды переменного тока происходит поочередно зарядка нескольких конденсаторов, а суммарное напряжение на них превышает амплитудное значение на обмотке. Таким образом, за счет увеличения числа конденсаторов и, как далее будет видно, количества диодов, получают напряжение в несколько раз превышающее величину подведенного.
Теперь давайте рассмотрим конкретные примеры и схемные решения.
Схема двухполупериодного умножителя состоит из двух диодов и двух конденсаторов, подключенных со стороны вторичной обмотки трансформатора.
Пусть в начальный момент потенциалы на обмотке имеют такие знаки, что ток протекает от точки 1 к точке 2. Проследим дальнейший путь тока. Он протекает через конденсатор C2, заряжая его, и возвращается к обмотке через диод VD2. В следующий полупериод ЭДС во вторичной обмотке направлена от точки 2 к 1 и через диод VD1 происходит зарядка конденсатора C1 до того же значения, что и С2. Таким образом, за счет последовательного соединения двух конденсаторов C1 и C2 на сопротивлении нагрузки получается удвоенное напряжение.
Если измерить значение переменного напряжения на обмотке и постоянное на одном из конденсаторов, то они буде отличаться почти в 1,41 раза. Например при действующем значении на вторичной обмотке, равном 10 В, на конденсаторе будет приблизительно 14 В. Это поясняется тем, что конденсатор заряжается до амплитудного, а не до действующего значения переменного напряжения. А амплитудное значения, как известно в 1,41 раза выше действующего. К тому же мультиметром возможно измерить лишь действующие значения переменных величин.
Рассмотрим еще один вариант. Здесь для умножения напряжения используется несколько иной подход. Когда потенциал точки 2 выше потенциал т.1 под действием протекающего тока заряжается конденсатор С1, а цепь замыкается через VD2.
После изменения направления тока, вторичная обмотка W2 и конденсатор С1 можно представить, как два последовательно соединенные источника питания с равными значениями амплитуды, поэтому конденсатор С2 зарядится до их суммарного напряжения, т.е. на его обкладках оно будет в два раза больше, чем на выводах вторичной обмотки. Во время тога, как конденсатор С2 будет заряжаться, С1 наоборот, будет разряжаться. Затем все повторится снова.
Умножитель напряжения многократный
Процессы в схеме утроения напряжения протекают в такой последовательности: сначала заряжаются конденсаторы С1 и С3 через сопротивление R и соответствующие диоды VD1 и VD3. В следующий полупериод С2 через VD2 заряжается до удвоенного напряжения (С1 + обмотка) и на сопротивлении нагрузки получается утроенное значение.
Больший интерес имеет следующий умножитель напряжения. Рассмотрим принцип его работы. Когда потенциал точки 1 положителен относительно точки 2 ток протекает по пути через VD1 и С1 заряжая конденсатор.
В следующий полупериод, когда ток изменил свое направление, заряжается второй конденсатор через второй диод до величины, равного сумме напряжений на С1 и обмотке трансформатора. При этом С1 разрядится. В третий полупериод, когда первый конденсатор снова начнет заряжаться, С2 через третий диод разрядится на С3, зарядив его до двойного значения относительно выводов обмотки.
К концу третьего полупериода на нагрузку будет подано суммарное напряжение заряженных конденсаторов С1 и С3, т. е. примерно утроенное значение.
Если данную схему применить без трансформатора, непосредственно подключить к 220 В, то на выходе получим приблизительно 930 В.
По аналогии с рассмотренными схемами могут быть построены схемы с большей кратностью умножения. Но следует помнить, что с увеличением числа умножений по причине большего содержание в схеме диодов и конденсаторов возрастает внутренне сопротивление выпрямителя, что приводит к дополнительной просадке напряжения.
Схемы с умножением напряжения применяются для питания малой нагрузки, т.е. сопротивление нагрузки должно быть высоким. В противном случае нужно использовать неполярные конденсаторы большой емкости, рассчитанные на высокое напряжение. Это связано с тем, что при значительном токе нагрузки конденсаторы будут быстро разряжаться, что вызовет недопустимо большие пульсации на нагрузке.
Изготавливая умножитель напряжения, следует всегда помнить о том, что конденсаторы и диоды должны быть рассчитаны на соответствующие напряжения.
Как работает умножитель напряжения?
- по: Мануэль Родригес-Ачач
Изобретенные Генрихом Грейнахером в 1919 году, они использовались в конструкции ускорителя частиц, который осуществил первый искусственный ядерный распад, так что вы знаете, что они серьезны.Теоретически выход умножителя представляет собой целое число, умноженное на пиковое входное напряжение переменного тока, и хотя они могут работать с любым входным напряжением, в основном умножители напряжения используются при очень высоких напряжениях, порядка десятков тысяч или даже миллионов. вольт, необходимы. Их преимущество заключается в том, что их относительно легко построить, и они дешевле, чем эквивалентный высоковольтный трансформатор с такими же выходными характеристиками. Если вам нужны искры для вашей безумной науки, возможно, умножитель напряжения сможет их вам обеспечить.
Для работы схемы умножителя требуется источник питания переменного тока. Для простоты предположим, что одна сторона источника питания заземлена и имеет нулевой потенциал, а другая колеблется между плюсом и минусом U (в примере 100 В).
Вот что происходит:
- Конденсатор C 1 заряжается через диод D 1 при напряжении U (100 В) источника питания, которое находится на его отрицательном пике. Обратите внимание, что это приводит к тому, что конденсатор становится положительным с правой стороны и отрицательным с левой. Желтая линия указывает направление тока
- Теперь у нас есть +100 В на верхней стороне источника питания, и это напряжение добавляется к напряжению C
- Заряд, хранящийся в C 1 , использовался в предыдущем цикле для зарядки C 2 , поэтому C 1 теперь заряжается через D 1 , как и на шаге 1. Кроме того, конденсатор C 3 заряжается через Д 3 до 2U. Почему 2У? Поскольку C 1 разряжен, точка «а» на схеме имеет нулевой потенциал, а C 3 видит 200 В C2.
- Источник питания снова находится на положительном пике, и C2 теперь перезаряжается, как на шаге 2. В то же время конденсатор C 4 заряжается до 200 В, потому что это разница потенциалов, которую он видит: 400 В при на его положительной стороне (100 В источника питания плюс 100 В C 1 плюс 200 В C 3 ) и 200 В на его отрицательной стороне, что является потенциалом C 2 .
Как мы видим, мы закончим с 400 В между землей и выходом (точки a и b на последнем рисунке), фактически учетверив напряжение питания.
Это идеализированное объяснение, и, как вы можете догадаться, реальность всегда сложнее. Например, конденсаторы не заряжаются мгновенно, поэтому они не достигают полного напряжения, пока не пройдет несколько циклов, в зависимости от зарядного тока, который может обеспечить источник питания.
Множитель, который мы только что обсуждали, состоит из двух ступеней. Каждый каскад состоит из двух конденсаторов и двух диодов, и каждый из них добавляет в два раза больше напряжения источника питания, поэтому, например, пятикаскадный умножитель будет иметь выходное напряжение, в десять раз превышающее входное напряжение.
Однако выходное напряжение упадет, как только вы подключите нагрузку к цепи, в соответствии с этой формулой. Здесь мы видим, что нам нужна высокая частота и большая емкость, чтобы свести к минимуму падение напряжения, и что это падение увеличивается с ростом тока, а также очень быстро с увеличением количества каскадов. Фактически, поскольку это зависит от куба числа ступеней, умножитель с десятью ступенями имеет в 1000 раз большее падение напряжения, чем умножитель с одной ступенью.
Еще одна ситуация, которая возникает при наличии очень высокого напряжения, — это коронный разряд, который представляет собой электрический разряд, возникающий, когда напряженность электрического поля вокруг проводника достаточно высока.
Самодельный умножитель напряжения, разработанный [rmcybernetics]Создание умножителя напряжения для получения высокого напряжения — популярный проект, и это довольно просто, если напряжение не слишком велико, чтобы коронный разряд не начал создавать проблемы. Все, что вам нужно, помимо источника питания переменного тока, такого как неоновый трансформатор, — это несколько высоковольтных диодов и конденсаторов. Практическое использование включает, среди прочего, рентгеновские аппараты, фотокопировальные аппараты, ионизаторы воздуха и микроволновые печи.
Умножитель высокого напряжения имеет почтенную историю в ускорителях частиц, и даже Нобелевская премия по физике была присуждена за исследования, которые стали возможными благодаря ему. Однако с появлением новых технологий, в частности радиочастотных квадрупольных систем, эти великолепные умножители ушли в прошлое. Нам их будет не хватать, и, конечно же, это не мешает вам создавать свои собственные.
— схемы удвоителя напряжения, утроителя напряжения и четверника напряжения
Умножители напряжения — это схемы, в которых мы получаем очень высокое постоянное напряжение от источника низкого напряжения переменного тока.
Схема умножителя напряжения генерирует напряжение, кратное пиковому входному напряжению переменного тока, например, если пиковое напряжение переменного напряжения равно 5. вольт, мы получим 15 вольт постоянного тока на выходе, в случае схемы Voltage Tripler. Мультиметр считывает только среднеквадратичное значение напряжения переменного тока, нам нужно умножить среднеквадратичное значение на 1,414 (корень 2), чтобы получить пиковое значение.
Обычно трансформаторы используются для повышения напряжения, но иногда трансформаторы нецелесообразны из-за их размера и стоимости. Схемы умножителей напряжения могут быть построены с использованием небольшого количества диодов и конденсаторов, поэтому они недороги и очень эффективны по сравнению с трансформаторами. Схемы умножителя напряжения очень похожи на схемы выпрямителя, которые используются для преобразования переменного тока в постоянный, но схемы умножителя напряжения не только преобразуют переменный ток в постоянный, но также могут генерировать очень ВЫСОКОЕ постоянное напряжение.
Эти схемы очень полезны, когда необходимо генерировать высокое постоянное напряжение с низким переменным напряжением и малым током, например, в микроволновых печах, мониторах с ЭЛТ (электронно-лучевыми трубками) в телевизорах и компьютерах. ЭЛТ-монитор требует высокого напряжения постоянного тока с низким током.
Двухполупериодный удвоитель напряжения
Как следует из названия, входное напряжение удваивается с помощью этой схемы. Операция Двухполупериодный удвоитель напряжения очень проста:
Во время положительного полупериода синусоидальной волны переменного тока диод D1 смещается в прямом направлении, а D2 смещается в обратном направлении, поэтому конденсатор C1 заряжается через D1 до пикового значения синусоиды (Vpeak). И во время отрицательного полупериода синусоиды D2 смещен в прямом направлении, а D1 смещен в обратном направлении, поэтому конденсатор C2 получает заряд через D2 до Vpeak.
Теперь оба конденсатора заряжены до Vpeak, поэтому мы получаем 2 Vpeak (Vpeak + Vpeak) на конденсаторах C1 и C2 без подключенной нагрузки. Он назван в честь двухполупериодного выпрямителя.
Схема удвоения напряжения полупериода
Ранее мы также создали схему удвоения напряжения с таймером 555 в нестабильном режиме и источником постоянного тока. На этот раз мы используем 220 В переменного тока и трансформатор 9-0-9 для понижения 220 В переменного тока, чтобы мы могли продемонстрировать умножитель напряжения на макетной плате .
Во время первого положительного полупериода синусоидальной волны (AC) диод D1 смещается в прямом направлении, а конденсатор C1 заряжается через D1. Конденсатор C1 заряжается до пикового напряжения переменного тока, то есть Vpeak.
Во время отрицательного полупериода синусоиды диод D2 проводит, а D1 смещается в обратном направлении. D1 блокирует разрядку конденсатора C1.
Теперь конденсатор C2 заряжается комбинированным напряжением конденсатора C1 (Vpeak) и отрицательным пиком переменного напряжения, которое также является Vpeak. Таким образом, конденсатор С2 заряжается до 2 В пикового напряжения. Следовательно, напряжение на конденсаторе C2 в два раза больше Vpeak переменного тока.
В следующем положительном цикле конденсатор C2 разряжается в нагрузку, если нагрузка подключена, и перезаряжается в следующем цикле. Таким образом, мы видим, что он заряжается в одном цикле и разряжается в следующем цикле, поэтому частота пульсаций равна частоте входного сигнала, то есть 50 Гц (сеть переменного тока).
Цепь тройника напряжения
Чтобы построить цепь тройника напряжения, нам просто нужно добавить еще 1 диод и конденсатор к приведенной выше схеме удвоителя напряжения полуволны в соответствии с принципиальной схемой ниже.
Как мы видели в схеме удвоителя напряжения, в первом положительном полупериоде конденсатор C1 заряжается до Vpeak, а конденсатор C2 заряжается до 2Vpeak в отрицательный полупериод.
Теперь во время второго положительного полупериода диоды D1 и D3 открыты, а D2 смещается в обратном направлении. Таким образом, конденсатор С2 заряжает конденсатор С3 до того же напряжения, что и он сам, что составляет 2 Впик.
Теперь конденсаторы C1 и C3 соединены последовательно, и напряжение на C1 равно Vpeak, а напряжение на C3 равно 2 Vpeak, поэтому напряжение на последовательном соединении C1 и C3 равно Vpeak+2Vpeak = 3 Vpeak, и мы получаем Triple напряжение на входе Vpeak volt.
Учетверенная схема напряжения
Поскольку мы построили удвоенную схему напряжения, добавив один диод и конденсатор в схему удвоения напряжения полуволны, снова нам просто нужно добавить еще один диод и конденсатор в схему удвоения напряжения, чтобы построить Напряжение Четверная схема (в 4 раза больше входного напряжения).
Мы видели в схеме триплера напряжения, что конденсатор C1 заряжается до Vpeak в первый положительный полупериод, C2 заряжается до 2Vpeak в отрицательный полупериод, а C3 также заряжается до 2Vpeak во второй положительный полупериод.
Теперь, во время второго отрицательного полупериода, диоды D2 и D4 открыты, и конденсатор C4 заряжается до 2 Впик от конденсатора С3, который также имеет 2 Впик. И мы получаем четырехкратное значение Vpeak (4Vpeak) на конденсаторах C2 и C4, так как оба конденсатора имеют 2 Vpeak.
В схемах умножителя напряжения практически напряжение не точно кратно пиковому напряжению, результирующее напряжение меньше кратных из-за некоторого падения напряжения на диодах, поэтому результирующее напряжение будет:
Vout = Multiplier*Vpeak – падение напряжения на диодах
Недостатком этого типа схемы умножителя является высокая частота пульсаций, и очень трудно сгладить выходной сигнал, хотя использование конденсаторов большого номинала может помочь уменьшить пульсации. И преимущество схемы в том, что мы можем генерировать очень высокое напряжение от источника питания низкого напряжения.
Мы можем генерировать гораздо более высокое напряжение и получить в 5, 6, 7 и более раз больше пикового напряжения переменного тока, добавляя больше диодов и конденсаторов.
