Универсальный внешний накопитель для всех iOS-устройств, совместим с PC/Mac, Android
Header Banner
8 800 100 5771 | +7 495 540 4266
c 9:00 до 24:00 пн-пт | c 10:00 до 18:00 сб
0 Comments

Содержание

Удвоитель напряжения


Удвоитель постоянного напряжения
(однополупериодный)

Удвоитель напряжения означает, что напряжение на его выходе в два раза выше чем на выходе обычного выпрямителя. Удвоители, также как и обычные выпрямители, бывают двух типов: однополупериодные и двухполупериодные. На рисунке справа представлена схема обычного однополупериодного удвоителя с положительным напряжением на выходе. Однополупериодным умножителям напряжения присущи теже недостатки, что и аналогичным выпрямителям. Можно увидеть, что частота заряда конденсатора C1 равна частоте входного напряжения. Т.е. он заряжается один раз за период. Между этими циклами зарядки идёт цикл разрядки такой же длительности. Поэтому в этой схеме необходимо серьёзно отнестись к сглаживанию пульсаций.

 

Двухполупериодный удвоитель напряжения

Но более распространён двухполупериодный удвоитель напряжения. Сразу надо сказать, что как предыдущая схема, так и эта, может быть подключена к сети переменного напряжения напрямую, минуя трансформатор. Это если требуется напряжение, вдвое превышающее сетевое и не требуется гальваническая развязка с сетью.

В этом случае серьёзно повышаются требования к соблюдению техники безопасности!

Схема удвоителя напряжения
(двухполупериодный)

Резистор R0, как обычно, установлен для ограничения импульсов тока в диодах. Его значение сопротивления невелико и, как правило не превышает сотен ом. Резисторы R1 и R2 необязательны. Они установлены параллельно конденсаторам C1 и C2 для того, чтобы обеспечить разряд конденсаторов после отключения от сети и от нагрузки. Также, они обеспечивают выравнивание напряжения на C1 и C2.

Работа удвоителя очень похожа на работу обычного двухполупериодного выпрямителя. Разница в том, что здесь выпрямитель в каждом из полупериодов нагружен на свой конденсатор и заряжает его до амплитудного значения переменного напряжения. Удвоенное выходное напряжение получается путём сложения напряжения на конденсаторах.

В тот момент, когда напряжение в точке А относительно точки B положительно, через диод D1 заряжается конденсатор C1. Его напряжение практически равно амплитуде переменного напряжения вторичной обмотки конденсатора. В следующий полупериод напряжение в точке А отрицательно по отношению к точке B. В этом момент ток идёт через диод D2 и заряжает конденсатор C2 до такого же амплитудного значения. Так как конденсаторы соединены последовательно по отношению к нагрузке, то мы получаем сумму напряжений на этих конденсаторах, т.е. удвоенное напряжение.

Конденсаторы C1 и C2 желательно должны иметь одинаковую ёмкость. Напряжение этих электролитических конденсаторов должно превышать амплитудное значение переменного напряжения. Также должны быть равны и номиналы резисторов R1 и R2.

 

Описание схемы мощного удвоителя постоянного напряжения | ASUTPP

Часто на практике может возникнуть необходимость получить напряжение большее, чем может выдать имеющийся источник питания. Широко известны схемы удвоения напряжения при помощи конденсаторов, но, как правило, такие схемы не могут обеспечить достаточно высокие токи в нагрузке.

В данной статье предлагается вариант достаточно простой схемы, позволяющей устранить этот недостаток.

Схема удвоителя постоянного напряжения

Схема удвоителя постоянного напряжения

На основе микросхемы цифровой логики можно собрать удвоитель постоянного напряжения, способный выдать в нагрузке ток до 2 А и более.

В качестве микросхемы можно применить МС цифровой логики (элементы "И-НЕ", "ИЛИ-НЕ") типа К561ЛА7, К561ЛЕ5 или аналогичные. На этой микросхеме собран генератор импульсов, частота генерации которого определяется цепочкой R1C1R2.

Вырабатываемые противофазные импульсы с выходов цифровой МС управляют мощными ключевыми транзисторами Т1 и Т2. Резистор R3 и конденсатор C2 представляют собой цепь задержки импульсов разной фазы, чтобы исключить возможность короткого замыкания на выходе схемы во время переключения фаз.

Конденсаторы С3 и С4 служат для уменьшения уровня пульсаций выходного напряжения. При больших токах нагрузки величины их ёмкостей желательно увеличить до значения 10 мкФ или более. Кроме того, параллельно конденсатору С4 будет полезно включить конденсатор небольшой ёмкости (0,1...1,0 мкФ), керамический или плёночный, для лучшей фильтрации ВЧ пульсаций выходного напряжения.

Диоды в схеме можно применить типов КД202, КД242, IN4007 или другие, рассчитанные на максимальный ток нагрузки блока питания. Транзисторы тоже нужны на соответствующую мощность.

Можно применить, например, транзисторы KT825, TIP126, 2N6041, BDW48 или аналогичные. Их следует установить на радиаторы, размеры которых подобрать, исходя из максимальной выходной мощности нагрузки и типа применённых транзисторов.

Удвоитель напряжения постоянного тока

Вместе с каналом “Обзоры посылок и самоделки от jakson” будем собирать схему.
Автор видео ищет интересные применения микросхеме-таймеру NE 555, на раз это удвоитель напряжения. Это, пожалуй, одна из самых простых, доступных схем без использования трансформаторов, катушек, других деталей, которые порой трудно найти.

Микросхема и другие радиодетали в этом китайском магазине.

Схема может увеличить напряжение постоянного тока с 12 до 24 V, но при этом есть один недостаток, ток не высокий, буквально до 50 мА. Понадобится подобный удвоитель напряжения только для устройств с малым потреблением. Но бывает еще одна его версия с использованием транзисторов, там уже ток будет повыше.

Схема удвоителя напряжения 12-24 вольта

Из деталей, которые понадобятся для сборки и пайки, это таймер NE 555, 2 резистора один на 15К, другой на 27 К, 2 неполярных конденсатора на 0,01 мкФ, 3 полярных конденсатора, 2 из которых имеют емкость 330 мкФ, один на 470 мкФ. Ну, последнее, это 2 диода, указано 1N4001, но на самом деле для сборки этой схемы подойдет, большинство других диодов.

Все детали, которые понадобятся, отставил в сторонку. Будем все собирать на макетной печатной плате. Сначала не совсем уверен в работоспособности, тем более в надежности этой схемы, поскольку брал ее из непроверенного источника. Но на данный момент единственный способ проверить – это ее собрать. Самому интересно будет ли она работать.

Рассмотрим как собирать подобные устройства, поскольку новички часто задают подобный вопрос в личных сообщениях, поэтому решил его разъяснить.

Начнем с того, что собирается все довольно-таки просто и, пожалуй, подобные схемы не намного сложнее каких-нибудь радиоконструкторов.

Все линии, примыкающие к деталям, к выводам, являются проводниками, они всегда параллельны или составляют между собой угол в 90 градусов, иначе быть не может. В местах их соединений используются точки, а там, где соединений нет, точки соответственно тоже не будет, то есть эти 2 проводника между собой не соединяются. Все детали в схеме имеют свое обозначение, отличаются по форме. Перечень всех маркировок вы сможете найти в интернете, они там все будут подписаны. Бывает так, что маркировка одной, той же детали в разных случаях может отличаться, поскольку это зависит от автора, от источника. Например, те же самые резисторы могут отличаться зигзагами, поэтому все детали подписаны, например R1, R2 это резисторы, C1, C2 – конденсаторы, VD1, VD2 – диоды. Указаны номиналы. Так устроены не все схемы. Бывает, что эти номиналы указаны в отдельной таблице. Но в любом случае, каждая будет подписана своей маркировкой, номером. Хотя бывает, что, этого нет. Но, в таком случае, у всех будет подписан номинал.

По поводу номиналов на примере резисторов, конденсаторов.
Начнем с резисторов. Написано 15К. 15К – это 15 Кило, то есть буква «К» в конце обозначает «Килоом», если буквы «К» не будет – это «ом». В общем, все просто. Соответственно, 27К – 27 Килоом. Далее, конденсаторы. Уже немного сложнее. В нашем случае – это микрофарады, поскольку только они указываются с цифрой после запятой. Например, нанофарады, пикофарады так не указываются. Ну, также они обычно указываются буквами nf, pf, то есть нанофарады, пикофарады. Это то, что касается маркировки неполярных конденсаторов. А полярные конденсаторы всегда указываются в микрофарадах. По крайней мере, иного способа указаний ни разу не встречал. Хотя, возможно, в некоторых специфических схемах, используются большие величины. По крайней мере, пикофарады, нанофарады для обозначения полярных конденсаторов не используют.

Далее про полярности деталей. У некоторых она есть, у других нет. Например, у резисторов, неполярных конденсаторов полярности нет, то есть нет разницы – каким образом их устанавливать, куда какой вывод подсоединять, что не скажешь о полярных или как по-другому их называют электролитических конденсаторов, диодов. У этих деталей есть 2 разных вывода, один положительный, другой отрицательный. Например, в этой схеме у конденсаторов положительный вывод отмечен плюсом. Но опять же бывают другие, там маркировка немного отличается. Ну, соответственно другой контакт является отрицательным. А если ориентироваться по детали, например, если это новый конденсатор, то длинная ножка – это плюсовой контакт, короткая – минусовой. Или если деталь не новая, то проще будет ориентироваться по полоске со стороны минусового контакта. Такая белая полоска, ну, соответственно с минусом.

У диодов то же самое, только там положительный, отрицательный вывод называется по-другому – анод, катод. Анод – это положительный контакт, катод – отрицательный. Если ориентироваться по корпусу диода, то со стороны серой полоски находится отрицательный контакт, то есть катод. Действует такая же аналогия, как, с конденсаторами: если деталь новая, то положительный контакт будет длиннее.

Последняя деталь удвоителя напряжения – микросхема. В нашем случае 8-контактная. Каждый ее вывод пронумерован. Зачастую микросхема обозначается прямоугольной фигурой. Также бывают варианты треугольной. Опять же зависит от автора, источника.

Далее с 5 минуты на видео про сборку простого удвоителя напряжения. В представленной модели постоянный ток увеличивается с 12 до 24 вольт.

Умножители напряжения на диодах - Club155.ru

 

Умножители напряжения — это специальные схемы преобразующие в сторону увеличения уровень напряжения. Такие схемы обычно совмещают в себе две функции: выпрямление и умножение напряжения. Применение умножителей наиболее оправдано в случаях, когда наличие дополнительного повышающего трансформатора нежелательно (повышающий трансформатор — элемент достаточно сложный, особенно при высокой частоте напряжения, и габаритный) или не может обеспечить требуемый уровень напряжения (при высоких напряжениях высока вероятность пробоя между витками вторичной обмотки трансформатора).

Схемы умножителей, как правило, строятся с использованием свойств однофазного однополупериодного выпрямителя, работающего на емкостную нагрузку. Этот выпрямитель во время своей работы может создавать между определенными точками напряжение, величина которого больше величины входного напряжения. Если рассмотреть приведенный в предыдущем разделе анализ работы однофазного однополупериодного выпрямителя с емкостной нагрузкой, можно понять, что названными “определенными точками” являются выводы диода выпрямителя. Если к этим точкам подключить еще один однофазный однополупериодный выпрямитель, будет получена схема, представленная на рис. 3.4-16 (т.н. несимметричный удвоитель напряжения).

 

Рис. 3.4-16. Схема несимметричного удвоителя напряжения (а) и временные диаграммы, поясняющие его работу (б)

 

Еще одна схема удвоителя напряжения, составленная из двух однофазных однополупериодных выпрямителей с емкостным фильтром, дана на рис. 3.4-17. Ее называют симметричным удвоителем напряжения (или схемой Латура). Входящие в схему выпрямители по входу включены параллельно, а по выходу последовательно.

 

Рис. 3.4-17. Симметричный удвоитель напряжения (схема Латура)

 

При положительной полуволне входного напряжения работает выпрямитель на диоде VD1, заряжая конденсатор C1, а при отрицательной полуволне — выпрямитель на диоде VD2, заряжающий конденсатор C2. В результате и C1, и C2 заряжаются до уровня входного напряжения, а при их последовательном включении суммарное напряжение равно удвоенному входному.

Основное преимущество схемы Латура перед несимметричным удвоителем напряжения (рис. 3.4-16) состоит в том, что рабочее напряжение обоих конденсаторов составляет \(U_{вх max}\).

Коэффициент умножения подобных схем можно увеличивать, наращивая количество звеньев умножения. На рис. 3.4-18 приведена схема несимметричного умножителя с количеством звеньев типа “два диода – два конденсатора”, равным \(n\).

 

Рис. 3.4-18. Схема несимметричного n-звенного умножителя напряжения

 

Когда нагрузка отсутствует, на выходе данной схемы генерируется напряжение \(U_{вых1} = 2nU_{вх max}\) или \(U_{вых2} = (2n‑1)U_{вх max}\). При подключении нагрузки конденсаторы будут периодически разряжаться и заряжаться. 2 - \cfrac{1}{6} n \right) \),

где \(f\) — частота входного напряжения.

 

Приведенная формула верна и для описанной выше схемы несимметричного удвоителя напряжения.

Следует, однако, понимать, что в реальных схемах существуют дополнительные факторы, снижающие выходное напряжение умножителя. Это разного рода паразитные емкости, шунтирующие диоды и нагрузку, токи утечки диодов и т.п.

При наличии у вторичной обмотки трансформатора средней точки возможно построение многозвенной симметричной схемы умножителя напряжения (рис. 3.4‑19), которая имеет лучшие параметры. При работе данной схемы на нагрузку конденсаторы средней цепочки разряжаются только током, проходящим через нагрузку. Убыль заряда восполняется дважды за период от конденсаторов крайних цепочек. Благодаря этому, пульсации и падение напряжения на выходе оказываются существенно меньше, чем в простой несимметричной схеме умножения. Пульсации, обусловленные паразитными емкостями, вообще отсутствуют. 2 + \cfrac{1}{3} n \right) \)

 

 

Рис. 3.4-19. Схема симметричного n-звенного умножителя напряжения

 

Можно заметить, что при малых значениях n выходное напряжение растет почти пропорционально числу каскадов. При увеличении n этот рост замедляется и затем вообще прекращается. Очевидно, что делать умножители с числом каскадов большим, чем то, при котором достигается максимум умножения, не имеет смысла. Такое предельное значение n для схемы симметричного умножителя можно найти по формуле:

\( n_max = 2 \sqrt{\cfrac{fCU_{вх max}}{I_н}} \)

При прочих равных условиях для несимметричной схемы умножителя максимальное число каскадов окажется в два раза меньшим. Для повышения эффективности умножителей напряжения целесообразно увеличивать частоту питающего напряжения и емкости применяемых в умножителе конденсаторов. В рассмотренных схемах в процессе работы на все диоды действует обратное напряжение \(U_{обр max} = 2U_{вх max}\).

С использованием описанных выше принципов возможно построение большого числа разнообразных схем умножения напряжения. Несколько примеров подобных схем приводится на рис. 3.4‑20...3.4-23, а на рис. 3.4-24 представлена схема маломощного преобразователя постоянного напряжения с применением диодного умножителя [5].

 

Рис. 3.4-20. Схемы умножения на три

 

 

Рис. 3.4-21. Схемы умножения на четыре

 

 

Рис. 3.4-22. Схемы умножения на шесть

 

 

Рис. 3.4-23. Схема умножения на восемь

 

 

Рис. 3.4-24. Маломощный преобразователь постоянного напряжения на основе диодного умножителя

 

 

< Предыдущая   Следующая >

специфические особенности и принцип работы

Удвоитель – это устройство, которое предназначено для преобразования пульсирующего напряжения. Происходит данный процесс на каскадах. Стандартный удвоитель переменного напряжения состоит из набора конденсаторов и диода.

Также стоит отметить, что существуют низкочастотные модификации, которые производятся со стабилизаторами. Наиболее часто они встречаются в экранах. К основным параметрам модификаций стоит отнести полюсную проводимость, пороговое напряжение и перегрузку. Для того чтобы более подробно разобраться в удвоителях, стоит рассмотреть принцип работы модели.

Принцип работы удвоителя

Принцип работы удвоителя построен на преобразовании напряжения. Для этого в устройстве имеется целая цепь конденсаторов. Они отличаются по полюсной проводимости и емкости. Диоды в данном случае крепятся на контакторах. При подаче напряжении на удвоитель включается в работу тиристор. Указанный элемент способен работать при определенных частотах.

В данном случае многое зависит от производителя модификации. У некоторых моделей применяется обкладка, которая выступает изолятором. Постоянный ток у моделей проходит через цепь конденсаторов. Выпрямление происходит на модуле, который является неотъемлемым элементом диода. При высоком выходном напряжении довольно часто возникают импульсные помехи. Также к недостаткам удвоителей можно отнести слабое усиление напряжения. Таких проблем нет у трансформаторов.

Модели низкой пульсации

Удвоитель напряжения низкой пульсации подходит для контроллеров и довольно часто устанавливаются на компараторах. Многие модели работают при низкой проводимости. Стабилизаторы используются с расширителями на диодной основе.

Сделать удвоитель напряжения своими руками можно с двумя конденсаторами. Непосредственно диод фиксируется на трансивере. Если говорить про показатели, то максимальная перегрузка составляет у моделей примерно 15 В. При этом коэффициент отклонения может достигать 10%.

Устройства высокой пульсации

Удвоитель напряжения высокой пульсации применяется в сети переменного тока. Довольно часто устройства можно встретить в бытовой технике. Указанные модификации выделяются хорошей проводимостью, поскольку у них используется несколько пар конденсаторов. Устанавливаются модели через тиристор. Многие модификации производятся с обкладкой и обладают хорошей защищенностью. Основным недостатком является высокая пороговая чувствительность. Дополнительно стоит обращать внимание на диоды. У некоторых моделей они применяются без расширителя. Удвоитель напряжения постоянного тока из 12 вольт работает при частоте 30 Гц.

Особенности низкочастотных моделей

Низкочастотные удвоители устанавливаются на компараторах небольшой мощности. Если рассматривать простой удвоитель напряжения, то у него применяются три конденсатора. Диод в данном случае устанавливается на линейном резисторе. Проводимость в устройствах может довольно сильно повышаться. При этом частотность сохраняется за счет стабилизатора. У многих моделей имеется несколько изоляторов. При этом подключение удвоителя может происходить через трансивер. Наиболее распространенными принято считать модели на два триода.

Высокочастотные устройства

Высокочастотный удвоитель напряжения собирается на базе регулируемого конденсатора. У моделей применяется два диода. Проводимость у них составляет примерно 55 мк. Также стоит отметить, что в удвоителях данного типа довольно высокая чувствительность. Некоторые модификации собираются с емкостными стабилизаторами. Модели хорошо подходят под компараторы. Однако они не используются в лампах. Проблема в данном случае заключается в перегреве конденсаторов. Также стоит отметить, что модификации не способны работать при импульсных помехах.

Устройства для накачки лазера

Удвоитель напряжения для накачки лазера работает при высокой частоте. Модули для устройств используются лишь на конденсаторной основе. Многие модели показывают хорошую проводимость, но при этом номинальное напряжение составляет не более 10 В. В приборах применяются диоды разных типов.

Также стоит отметить, что на рынке представлены модификации с открытыми стабилизаторами. У них нет проблем с пригревом, однако модели не способны обеспечивать высокую частотность. Подключение устройств осуществляется через триоды. Также есть модификации на трансиверах. У них высокий параметр полюсной проводимости. Однако к недостаткам можно отнести быстрый износ конденсаторов, вызванный тепловыми потерями.

Устройства для систем рентгеновского излучения

В системах рентгеновского излучения довольно часто встречаются удвоители с конденсаторами проводного типа. У них неплохая проводимость, но есть проблемы с пониженной частотой. Многие модификации способны работать при высоком напряжении. Также стоит отметить, что устройства данного типа часто применяются в лампах. Многие модели оснащаются несколькими полюсными диодами. У них неплохая чувствительность, перегрузка в данном случае составляет 2 А при отклонении в 10%. Некоторые модификации выделяются емкостными конденсаторами. Подключение таких устройств осуществляется только через трансиверы.

Модели для подсветок

Удвоители для подсветок работают только при малой частоте, а номинальное напряжение, как правило, составляет около 10 В. У моделей могут устанавливаться конденсаторы разных типов. Расчет удвоителя напряжения осуществляется исходя из величины выходной проводимости и сопротивления.

Коэффициент перегрузки в основном равняется 2 А. Фильтры устанавливаются на изоляторах и обладают хорошей защищенностью. У многих моделей применяется несколько обкладок. Стабилизаторы встречаются не сильно часто. Резисторы используются как с переходником, так и без него. Найти модификации для подсветки на рынке довольно просто. Показатель фазового сопротивления у них стартует от 30 Ом.

Устройства для дисплеев

Удвоители для дисплеев производятся с парными конденсорами. При этом фильтры устанавливаются только открытого типа. Некоторые модификации работают при частоте от 20 Гц. У них низкая проводимость при высокой чувствительности. Также на рынке представлены модификации на 30 Гц. У них используются линейные конденсаторы, а диод устанавливается на обкладках. Стабилизаторы часто применяются с регулируемым расширителем. Многие удвоители не подходят для компараторов. На входе проводимость едва превышает 5 мк.

Модели для ламп

Удвоители для ламп характеризуются высокой чувствительностью. Минимальная частота у них равняется 20 Гц. Моделям не страшны перегрузки, у них установлен фильтр от помех, который сильно помогает при повышенном напряжении. Многие модификации производятся с несколькими конденсаторами, у которых емкость составляет не более 50 пФ. Также стоит отметить, что производятся модели с несколькими диодами. Если рассматривать обычный удвоитель напряжения постоянного тока, то входная проводимость в среднем составляет 5 мк. Контакты в устройствах используются из меди. Подключение удвоителей стандартно осуществляется через трансивер.

Удвоители в ионных насосах

Для ионных насосов подходят удвоители на линейных конденсаторах. Многие модификации способны выдавать частоту более 3 Гц. Устройства отличаются по защищенности и обладают разной проводимостью. При этом чувствительность у них, как правило, составляет не более 5 мк. Номинальное напряжение у удвоителей стартует от 10 В. Также стоит отметить, что для насосов часто применяются модули на проходных конденсаторах. У них высокая чувствительность. На входе проводимость обеспечивается на уровне 4 мк. Тиристоры подбираются с контактными переходниками. Подключение удвоителей осуществляется через триод. Стабилизаторы в устройствах редко применяются.

Модели для ионизаторов воздуха

У моделей очень часто встречаются канальные конденсаторы, у которых высокая емкость. Данные устройства выделяются быстрым процессом преобразования, а рабочая частота у них составляет примерно 33 Гц. Расширители у моделей используются проводникового типа. Они способны работать в экономном режиме и потребляют мало электроэнергии.

Стабилизаторы всегда устанавливаются контактного типа. Некоторые модели работают от импульсного триода. Приводимость составляет не менее 10 мк. Если рассматривать удвоитель постоянного напряжения, то у него имеются переходные конденсаторы, у которых низкая емкость. Показатель чувствительности в данном случае стартует от 6 мВ. Данные устройства замечательно подходят для компараторов.

Как удвоить напряжение постоянного тока — MOREREMONTA

Вместе с каналом “Обзоры посылок и самоделки от jakson” будем собирать схему.
Автор видео ищет интересные применения микросхеме-таймеру NE 555, на раз это удвоитель напряжения. Это, пожалуй, одна из самых простых, доступных схем без использования трансформаторов, катушек, других деталей, которые порой трудно найти.

Микросхема и другие радиодетали в этом китайском магазине.

Схема может увеличить напряжение постоянного тока с 12 до 24 V, но при этом есть один недостаток, ток не высокий, буквально до 50 мА. Понадобится подобный удвоитель напряжения только для устройств с малым потреблением. Но бывает еще одна его версия с использованием транзисторов, там уже ток будет повыше.

Схема удвоителя напряжения 12-24 вольта

Из деталей, которые понадобятся для сборки и пайки, это таймер NE 555, 2 резистора один на 15К, другой на 27 К, 2 неполярных конденсатора на 0,01 мкФ, 3 полярных конденсатора, 2 из которых имеют емкость 330 мкФ, один на 470 мкФ. Ну, последнее, это 2 диода, указано 1N4001, но на самом деле для сборки этой схемы подойдет, большинство других диодов.

Все детали, которые понадобятся, отставил в сторонку. Будем все собирать на макетной печатной плате. Сначала не совсем уверен в работоспособности, тем более в надежности этой схемы, поскольку брал ее из непроверенного источника. Но на данный момент единственный способ проверить – это ее собрать. Самому интересно будет ли она работать.

Рассмотрим как собирать подобные устройства, поскольку новички часто задают подобный вопрос в личных сообщениях, поэтому решил его разъяснить.

Начнем с того, что собирается все довольно-таки просто и, пожалуй, подобные схемы не намного сложнее каких-нибудь радиоконструкторов.

Все линии, примыкающие к деталям, к выводам, являются проводниками, они всегда параллельны или составляют между собой угол в 90 градусов, иначе быть не может. В местах их соединений используются точки, а там, где соединений нет, точки соответственно тоже не будет, то есть эти 2 проводника между собой не соединяются. Все детали в схеме имеют свое обозначение, отличаются по форме. Перечень всех маркировок вы сможете найти в интернете, они там все будут подписаны. Бывает так, что маркировка одной, той же детали в разных случаях может отличаться, поскольку это зависит от автора, от источника. Например, те же самые резисторы могут отличаться зигзагами, поэтому все детали подписаны, например R1, R2 это резисторы, C1, C2 – конденсаторы, VD1, VD2 – диоды. Указаны номиналы. Так устроены не все схемы. Бывает, что эти номиналы указаны в отдельной таблице. Но в любом случае, каждая будет подписана своей маркировкой, номером. Хотя бывает, что, этого нет. Но, в таком случае, у всех будет подписан номинал.

По поводу номиналов на примере резисторов, конденсаторов.
Начнем с резисторов. Написано 15К. 15К – это 15 Кило, то есть буква «К» в конце обозначает «Килоом», если буквы «К» не будет – это «ом». В общем, все просто. Соответственно, 27К – 27 Килоом. Далее, конденсаторы. Уже немного сложнее. В нашем случае – это микрофарады, поскольку только они указываются с цифрой после запятой. Например, нанофарады, пикофарады так не указываются. Ну, также они обычно указываются буквами nf, pf, то есть нанофарады, пикофарады. Это то, что касается маркировки неполярных конденсаторов. А полярные конденсаторы всегда указываются в микрофарадах. По крайней мере, иного способа указаний ни разу не встречал. Хотя, возможно, в некоторых специфических схемах, используются большие величины. По крайней мере, пикофарады, нанофарады для обозначения полярных конденсаторов не используют.

Далее про полярности деталей. У некоторых она есть, у других нет. Например, у резисторов, неполярных конденсаторов полярности нет, то есть нет разницы – каким образом их устанавливать, куда какой вывод подсоединять, что не скажешь о полярных или как по-другому их называют электролитических конденсаторов, диодов. У этих деталей есть 2 разных вывода, один положительный, другой отрицательный. Например, в этой схеме у конденсаторов положительный вывод отмечен плюсом. Но опять же бывают другие, там маркировка немного отличается. Ну, соответственно другой контакт является отрицательным. А если ориентироваться по детали, например, если это новый конденсатор, то длинная ножка – это плюсовой контакт, короткая – минусовой. Или если деталь не новая, то проще будет ориентироваться по полоске со стороны минусового контакта. Такая белая полоска, ну, соответственно с минусом.

У диодов то же самое, только там положительный, отрицательный вывод называется по-другому – анод, катод. Анод – это положительный контакт, катод – отрицательный. Если ориентироваться по корпусу диода, то со стороны серой полоски находится отрицательный контакт, то есть катод. Действует такая же аналогия, как, с конденсаторами: если деталь новая, то положительный контакт будет длиннее.
Последняя деталь удвоителя напряжения – микросхема. В нашем случае 8-контактная. Каждый ее вывод пронумерован. Зачастую микросхема обозначается прямоугольной фигурой. Также бывают варианты треугольной. Опять же зависит от автора, источника.

Далее с 5 минуты на видео про сборку простого удвоителя напряжения. В представленной модели постоянный ток увеличивается с 12 до 24 вольт.

Удвоитель напряжения означает, что напряжение на его выходе в два раза выше чем на выходе обычного выпрямителя. Удвоители, также как и обычные выпрямители, бывают двух типов: однополупериодные и двухполупериодные. На рисунке справа представлена схема обычного однополупериодного удвоителя с положительным напряжением на выходе. Однополупериодным умножителям напряжения присущи теже недостатки, что и аналогичным выпрямителям. Можно увидеть, что частота заряда конденсатора C1 равна частоте входного напряжения. Т.е. он заряжается один раз за период. Между этими циклами зарядки идёт цикл разрядки такой же длительности. Поэтому в этой схеме необходимо серьёзно отнестись к сглаживанию пульсаций.

Двухполупериодный удвоитель напряжения

Но более распространён двухполупериодный удвоитель напряжения. Сразу надо сказать, что как предыдущая схема, так и эта, может быть подключена к сети переменного напряжения напрямую, минуя трансформатор. Это если требуется напряжение, вдвое превышающее сетевое и не требуется гальваническая развязка с сетью.
В этом случае серьёзно повышаются требования к соблюдению техники безопасности!

Резистор R0, как обычно, установлен для ограничения импульсов тока в диодах. Его значение сопротивления невелико и, как правило не превышает сотен ом. Резисторы R1 и R2 необязательны. Они установлены параллельно конденсаторам C1 и C2 для того, чтобы обеспечить разряд конденсаторов после отключения от сети и от нагрузки. Также, они обеспечивают выравнивание напряжения на C1 и C2.

Работа удвоителя очень похожа на работу обычного двухполупериодного выпрямителя. Разница в том, что здесь выпрямитель в каждом из полупериодов нагружен на свой конденсатор и заряжает его до амплитудного значения переменного напряжения. Удвоенное выходное напряжение получается путём сложения напряжения на конденсаторах.

В тот момент, когда напряжение в точке А относительно точки B положительно, через диод D1 заряжается конденсатор C1. Его напряжение практически равно амплитуде переменного напряжения вторичной обмотки конденсатора. В следующий полупериод напряжение в точке А отрицательно по отношению к точке B. В этом момент ток идёт через диод D2 и заряжает конденсатор C2 до такого же амплитудного значения. Так как конденсаторы соединены последовательно по отношению к нагрузке, то мы получаем сумму напряжений на этих конденсаторах, т.е. удвоенное напряжение.

Конденсаторы C1 и C2 желательно должны иметь одинаковую ёмкость. Напряжение этих электролитических конденсаторов должно превышать амплитудное значение переменного напряжения. Также должны быть равны и номиналы резисторов R1 и R2.

Удвоитель напряжения означает, что напряжение на его выходе в два раза выше чем на выходе обычного выпрямителя. Удвоители, также как и обычные выпрямители, бывают двух типов: однополупериодные и двухполупериодные. На рисунке справа представлена схема обычного однополупериодного удвоителя с положительным напряжением на выходе. Однополупериодным умножителям напряжения присущи теже недостатки, что и аналогичным выпрямителям. Можно увидеть, что частота заряда конденсатора C1 равна частоте входного напряжения. Т.е. он заряжается один раз за период. Между этими циклами зарядки идёт цикл разрядки такой же длительности. Поэтому в этой схеме необходимо серьёзно отнестись к сглаживанию пульсаций.

Двухполупериодный удвоитель напряжения

Но более распространён двухполупериодный удвоитель напряжения. Сразу надо сказать, что как предыдущая схема, так и эта, может быть подключена к сети переменного напряжения напрямую, минуя трансформатор. Это если требуется напряжение, вдвое превышающее сетевое и не требуется гальваническая развязка с сетью.
В этом случае серьёзно повышаются требования к соблюдению техники безопасности!

Резистор R0, как обычно, установлен для ограничения импульсов тока в диодах. Его значение сопротивления невелико и, как правило не превышает сотен ом. Резисторы R1 и R2 необязательны. Они установлены параллельно конденсаторам C1 и C2 для того, чтобы обеспечить разряд конденсаторов после отключения от сети и от нагрузки. Также, они обеспечивают выравнивание напряжения на C1 и C2.

Работа удвоителя очень похожа на работу обычного двухполупериодного выпрямителя. Разница в том, что здесь выпрямитель в каждом из полупериодов нагружен на свой конденсатор и заряжает его до амплитудного значения переменного напряжения. Удвоенное выходное напряжение получается путём сложения напряжения на конденсаторах.

В тот момент, когда напряжение в точке А относительно точки B положительно, через диод D1 заряжается конденсатор C1. Его напряжение практически равно амплитуде переменного напряжения вторичной обмотки конденсатора. В следующий полупериод напряжение в точке А отрицательно по отношению к точке B. В этом момент ток идёт через диод D2 и заряжает конденсатор C2 до такого же амплитудного значения. Так как конденсаторы соединены последовательно по отношению к нагрузке, то мы получаем сумму напряжений на этих конденсаторах, т.е. удвоенное напряжение.

Конденсаторы C1 и C2 желательно должны иметь одинаковую ёмкость. Напряжение этих электролитических конденсаторов должно превышать амплитудное значение переменного напряжения. Также должны быть равны и номиналы резисторов R1 и R2.

Умножители напряжения на диодах - схемы включения, варианты подключения, утроители, умножители на 4, 5, 6, 8 | РадиоДом

Умножитель напряжения - схема выпрямителя особого типа, амплитуда напряжение на выходе которой теоретически в целое число раз выше, чем на входе. То есть, с помощью удвоителя напряжения можно получить 200 вольт постоянного тока из 100 вольт переменного тока источника, а с помощью умножителя на восемь — 800 вольт постоянного. Это если не учитывать падение напряжения на диодах (0,7 вольт на каждом).
В практике на схемах любая нагрузка будет немного уменьшенной от полученных расчетов. Умножитель содержит в себе конденсаторы и диоды. Нагрузочная способность умножителя пропорциональна частоте, величине емкости входящих в его состав конденсаторов и обратно пропорциональна количеству звеньев.


1. Удвоитель напряжения Латура-Делона-Гренашера

Примечание: отличная нагрузочная способность.


2. Несимметричный умножитель напряжения (Кокрофта-Уолтона)

Примечание: универсальность.
Генераторы Кокрофта-Уолтона применяются во многих областях техники, в частности, в лазерных системах, в источниках высокого напряжения, в системах рентгеновского излучения, подсветке жидкокристаллических экранов, лампах бегущей волны, ионных насосах, электростатических системах, ионизаторах воздуха, ускорителях частиц, копировальных аппаратах, осциллографах, телевизорах и во многих других устройствах, где необходимо одновременно высокое напряжение и постоянный ток.


3. Утроитель, 1-й вариант


Отличная нагрузочная способность.


4. Утроитель, 2-й вариант

Отличная нагрузочная способность.


5. Утроитель, 3-й вариант

Отличная нагрузочная способность.


6. Умножитель на 4, 1-й вариант

Симметричная схема, хорошая нагрузочная способность.


7. Умножитель на 4, 2-й вариант

Симметричная схема, хорошая нагрузочная способность.


8. Умножитель на 4, 3-й вариант

Симметричная схема, хорошая нагрузочная способность, две полярности относительно общей точки.


9. Умножитель на 5

Отличная нагрузочная способность.


10. Умножитель на 6, вариант первый

отличная  нагрузочная способность.


11. Умножитель на 6, вариант второй

Симметричная схема, отличная нагрузочная способность, две полярности относительно общей точки.


12. Умножитель на 8, первая схема подключения

Симметричная схема, отличная нагрузочная способность.


13. Умножитель на 8, вторая схема подключения

Симметричная схема, отличная нагрузочная способность, две полярности относительно общей точки.


14. Умножитель напряжения Шенкеля – Вилларда

Превосходная нагрузочная способность, ступенчатое увеличение напряжения на каждом звене.


15. Умножитель со ступенчатой нагрузочной способностью

Нагрузочная характеристика имеет две области - область низкой мощности – в диапазоне выходных напряжений от 2U до U и область повышенной мощности – при выходном напряжении ниже U.


16. Выпрямитель с вольт добавкой

Наличие дополнительного маломощного выхода с удвоенным напряжением питания.


17. Умножитель из диодных мостов

Хорошая нагрузочная способность. Одна из классических схем умножения напряжения в высоковольтных источниках питания для физических экспериментов. На рисунке изображен удвоитель напряжения, но число каскадов в умножителе может быть увеличено.

Удвоители напряжения

| Engineering Center

Цепь удвоителя напряжения выдает напряжение постоянного тока, которое в два раза превышает пиковое значение входного переменного напряжения, без использования трансформатора. Существует множество конструктивных электрических ситуаций, когда сигнал переменного напряжения доступен (или может быть создан), но для схемы требуется большее постоянное напряжение. Эти ситуации включают сбор энергии, высоковольтные мигалки или ионные генераторы. Инженеры, сталкивающиеся с необходимостью умножения напряжения, часто в первую очередь думают о трансформаторах, но во многих случаях лучшим решением может быть хорошо спроектированная схема удвоителя напряжения.

Как работает схема удвоителя напряжения?

Самая простая схема удвоителя напряжения - это однополупериодный удвоитель, представляющий собой не что иное, как последовательный конденсатор с диодом, смещенным в обратном направлении на GND. Это также называется схемой Виллара, названной в честь ее изобретателя.

Рисунок 1 : Схема полуволнового удвоителя напряжения (Изображение: Википедия) (https://en.wikipedia.org/wiki/Voltage_doubler)

Конденсатор пропускает через себя переменный ток, а диод пропускает ток только в одном направлении.Это создает пиковое выходное напряжение на диоде 2 * Vpk. Эта чрезвычайно простая схема иллюстрирует концепцию, но она не очень хорошо регулирует выходное напряжение постоянного тока:

Рисунок 2 : Входные и выходные напряжения полуволнового удвоителя напряжения (Изображение: KEMET)

Также следует отметить, что удвоитель напряжения - это форма умножителя напряжения первого порядка. Умножители напряжения можно складывать вместе, чтобы утроить напряжение, в четыре раза увеличить напряжение и т. Д.

Полноволновой удвоитель напряжения

Более распространенной и сложной схемой удвоения напряжения является двухполупериодный удвоитель напряжения, или схема Делона, в которой используются два диода и два конденсатора для обеспечения удвоенного выходного напряжения постоянного тока.

Рисунок 3 : Схема удвоителя напряжения Делона (Изображение: KEMET)

Эта схема, по сути, представляет собой две уложенные друг на друга схемы пикового детектора, каждая из которых заряжает свои соответствующие конденсаторы во время противоположных половин входящего сигнала переменного напряжения.

Рис. 4 : Двухполупериодные удвоители: (a) пара удвоителей, (b) перерисована, (c) используется общая земля, (d) используется один и тот же источник напряжения. (e) переместите точку на земле. (Изображение: Все о схемах) (https://www.allaboutcircuits.com/textbook/semiconductors/chpt-3/voltage-multipliers/)

Выходное напряжение тогда равно напряжению постоянного тока, приблизительно равному размаху входящего напряжения переменного тока, или 2 * Vpk, или 2 * Vin * √2:

Рисунок 5 : Формы сигналов входного / выходного напряжения удвоителя напряжения (Изображение: KEMET)

На этом графике синяя линия - это входящее напряжение переменного тока, черная линия - это выходное заземление (-), а желтая линия - это выходное напряжение Vout (+).В течение самого первого полупериода входящей синусоидальной волны переменного напряжения C1 заряжается от тока, проходящего через D1. В течение следующего полупериода C2 заряжается в обратном направлении, а C1 разряжается. В третьем полупериоде C1 снова заряжается до пикового напряжения, в то время как C2 разряжается, и схема достигла установившегося режима работы.

Пульсации выходного напряжения в первую очередь зависят от характеристик используемых конденсаторов и нагрузки на выходе. Таким образом, выбор конденсатора является наиболее важной задачей при проектировании схем удвоителя напряжения.

Выбор конденсаторов

Выбранные конденсаторы должны иметь хорошую плотность энергии и емкость-напряжение (CV), оставаясь при этом рентабельными. Конденсаторы должны быть выбраны таким образом, чтобы обеспечивать ток, необходимый для нагрузки.

Алюминиевые электролитические конденсаторы - очевидный выбор, поскольку они обеспечивают отличную плотность энергии, постоянную мощность и стоимость. Электролитические материалы, такие как серия KEMET ALC40, имеют длительный срок службы при повышенных температурах, что делает их идеальными для приложений с удвоением напряжения. Тем не менее, существует ряд факторов, которые инженеры должны тщательно учитывать при разработке таких конструкций:

1.Частота, ток и ESR

Идеальный конденсатор обеспечивает нулевое сопротивление в цепи. Однако реальные конденсаторы не идеальны и содержат резистивные компоненты. Наиболее важным из этих эффектов является эквивалентное последовательное сопротивление (ESR). Этот резистивный компонент в первую очередь заставляет конденсатор рассеивать мощность, что создает тепло и сокращает срок его службы.

Рисунок 6 : Идеальный конденсатор (Изображение: All About Circuits) (https: // www.allaboutcircuits.com/textbook/alternating-current/chpt-4/capacitor-quirks/)

Переменный ток через конденсатор преобладает над теплом, выделяемым конденсатором. В случае удвоителя напряжения переменная составляющая напряжения на конденсаторе представляет собой пульсирующее напряжение. Частота сигнала переменного тока - еще один фактор, при котором более высокая частота будет выделять больше тепла. И, наконец, часть тока, который конденсатор передает от накопленной энергии к нагрузке, также теряется на тепло, поэтому приложения с более высокой токовой нагрузкой выделяют больше тепла.

Максимальное значение ESR для алюминиевых электролитических конденсаторов серии ALC40 составляет от 6 мОм до 1000 мОм в зависимости от напряжения, емкости и размера конденсатора. Всегда рекомендуется минимизировать СОЭ до самого низкого значения СОЭ, которое поддерживает проект.

2. Соображения по нагрузке

Нагрузка, обеспечиваемая выходом, является еще одним важным элементом для удвоителя напряжения, потому что выход плохо регулируется. При резистивной нагрузке более высокий ток вызывает больший спад напряжения между пиками напряжения, в результате чего напряжение постоянного тока падает, а пульсирующее напряжение увеличивается.Выходная мощность удвоителя напряжения ограничена входной мощностью и КПД схемы. Таким образом, максимальный теоретический выходной ток удвоителя напряжения составляет половину входного тока. Из-за этого удвоители напряжения не идеальны для приложений с высокой продолжительной мощностью. Скорее они хороши для нагрузок, требующих заряда высокого напряжения, но не большой мощности.

В случае индуктивной нагрузки реактивные характеристики нагрузки могут вызвать обратную связь напряжения смещения с удвоителем напряжения.Алюминиевые электролитические конденсаторы поляризованы и могут потерпеть катастрофический отказ при обратном смещении, что часто вызывает беспокойство, когда они используются для управления индуктивными нагрузками. Большинство электролитических конденсаторов могут выдерживать небольшое обратное напряжение до -1,5 В или -2,0 В в течение короткого периода времени. Например, серия ALC40 от KEMET может выдерживать обратное напряжение смещения -2,0 В до того, как начнется катодное окисление. Схема удвоителя напряжения, представленная здесь, изначально защищена от повреждения конденсатора из-за обратного смещения двумя диодами, которые ограничивают обратное напряжение максимум до двух диодных падений, или приблизительно -1.4В.

3. Расчет срока службы

Когда для хранения и подачи энергии используются алюминиевые электролитические конденсаторы, расчет ожидаемого срока службы имеет решающее значение. Основным фактором при расчете срока службы электролитических конденсаторов является температура, и многие факторы влияют на температуру конденсатора. Важную роль играют рабочая температура, ток пульсаций, постоянное напряжение, ток нагрузки и частота. KEMET предлагает простой онлайн-инструмент под названием «Калькулятор ожидаемого срока службы алюминиевых электролитических конденсаторов», который поможет в этих расчетах.Этот инструмент выполняет расчет срока службы на основе метода рабочей температуры или метода пульсирующего тока, а также рассчитывает температуры и ожидаемый срок службы для конкретных условий.

Рис. 7 : Калькулятор ожидаемого срока службы алюминиевых электролитических конденсаторов KEMET (Изображение: KEMET)

4. Индивидуальные решения

Инженерам не нужно проектировать удвоители напряжения с нуля. У KEMET есть инженеры, готовые разработать индивидуальные решения для любого приложения и помочь с расчетами нагрузки, ожидаемым сроком службы и выбором конденсаторов.Посетите elc.kemet.com для получения дополнительной информации.

Основы схем удвоителя напряжения

Напряжение можно удвоить (и, следовательно, умножить на любую степень двойки с помощью каскадных устройств) чисто электронными средствами без использования трансформатора. Применяются соотношения напряжения и тока, поэтому удвоение - это не вопрос получения бесплатной электроэнергии, которой раньше не было. Удвоение напряжения и, таким образом, уменьшение тока на выходе иногда не очень хорошо, но часто это не проблема.

Элементарный удвоитель напряжения, изобретенный Полем Ульрихом Виллардом (1860-1934).

Существует множество вариантов схем удвоителя, но все удвоители напряжения и умножители имеют схожие принципы работы.

Удвоитель напряжения на переключаемом конденсаторе работает от входа постоянного тока. При параллельном подключении два конденсатора заряжаются до входного напряжения. Затем, когда два переключателя включаются одновременно, они изолируются от входа, подключаются к выходу и включаются последовательно, так что при разряде дважды вход появляется на выходе.Очевидно, что из-за отсутствия демона, который мог бы быстро переключать переключатели, переключатели с ручным управлением нецелесообразны. Было реализовано множество реальных стратегий переключения:
В преобразователях переменного тока в постоянный переменный ток на входе, помимо подачи удвоенного напряжения, также выполняет переключение посредством колебания полярностей.
Внутренняя цепь прерывателя может преобразовывать постоянный ток в переменный перед подачей на секцию удвоителя напряжения.
Внешние часы (часто также выполняющие другие функции на той же печатной плате) могут обеспечивать прерывание и умножение напряжения.
В интегральных схемах полевые МОП-транзисторы часто обеспечивают переключающее действие.

Удвоитель напряжения по Грайнахеру, также известный как полуволновой удвоитель, сохраняет пиковое напряжение на выходе со значительным уменьшением пульсаций.

Утроитель напряжения может быть построен путем объединения удвоителя напряжения, обычно 5-В pp при 1 кГц, и простого полуволнового выпрямителя, состоящего из диода и конденсатора, подключенных от одной входной клеммы к противоположной выходной клемме. Выход удвоителя 10 В, соединенный последовательно с выходом выпрямителя 5 В, обеспечивает 15 В на выходе тройника.Каскадные удвоители и утроители теоретически обеспечивают бесконечное количество целочисленных выходов.

Удвоитель напряжения на мосту Делона, также известный как двухполупериодный удвоитель напряжения, используемый вместе с повышающим трансформатором, способен выдавать напряжения в диапазоне киловольт.

При создании прототипов блоков питания с линейным приводом даже без трансформатора существует потенциальная опасность поражения электрическим током. Помните также, что электролитические конденсаторы взорвутся при изменении полярности. Цепи каскадных умножителей должны быть построены по лестничной схеме, чтобы постепенно увеличивающийся потенциал напряжения не мог образовывать дугу на отдельных участках с более низким потенциалом.Таким образом, вся лестница не будет разрушена одним закороченным диодом или конденсатором. Без лестничной конфигурации одно короткое замыкание могло бы сжечь последовательные соседние компоненты, в конечном итоге оказав перенапряжение на весь умножитель, испытательное оборудование и экспериментатора.

Умножители напряжения могут генерировать миллионы вольт для экспериментов с высокими энергиями. Трансформаторная технология в таких приложениях потребует сложных заполненных жидкостью кожухов и высоковольтной изоляции.

Из-за его низкой стоимости и скромных требований к изоляции наиболее широко используемым методом для генерации высоковольтного слаботочного выходного сигнала является многоступенчатый умножитель Кокрофта-Уолтона.Напряжение резко падает при подаче на нагрузку с низким сопротивлением. Он широко использовался в телевизорах с ЭЛТ, где требовалось ускоряющее напряжение на аноде 30 кВ, несмотря на высокую пульсацию. Поскольку ступенчатые напряжения доступны, этот источник использовался в ускорителях частиц и для смещения в фотоэлектронных умножителях. Они используются для питания такого разнообразного оборудования, как ускорители частиц, рентгеновские аппараты, телевизоры с электронно-лучевой трубкой, магнетроны в микроволновых печах, фотокопировальные машины и устройства для уничтожения насекомых.

Многоступенчатые умножители напряжения Кокрофта-Уолтона могут быть сконфигурированы в виде одной лестничной схемы. Этот умножитель напряжения использует на входе пульсирующий постоянный ток низкого напряжения для создания теоретически неограниченного выходного напряжения. При каждом изменении полярности ток протекает через последовательные диоды, заряжая дополнительные конденсаторы до конца. После первоначального включения требуется определенное время для зарядки всей сборки. Каждый конденсатор имеет постоянную времени, и общее время зависит от приложенного напряжения, емкости конденсаторов и длины лестницы.Промежуточные ответвители могут быть установлены для доступа к промежуточным напряжениям.

Умножитель напряжения Кокрофта-Уолтона является одним из многих типов зарядных насосов, названных в честь характерного способа, которым они нагнетают электрический заряд вдоль ряда трубчатых конденсаторов, каждый из которых накапливает заряд до тех пор, пока полярность не изменится на противоположную, после чего они разряжаются. .

В общем, подкачка заряда - это умножитель напряжения, оптимизированный для использования с входом постоянного тока. Вы можете прервать постоянный ток с помощью генератора и подать его на трансформатор, но одно из преимуществ технологии умножения напряжения состоит в том, что тяжелый трансформатор с ним не требует огромного пространства.В наш век мобильных устройств зарядный насос является преимуществом.

Накачка заряда может быть основана на диодах, но обычная конфигурация включает переключаемые полевые МОП-транзисторы с небольшими керамическими конденсаторами. Эффективность зарядного насоса высока, как и требуется в сотовых телефонах. В схемах, использующих дискретные компоненты, предпочтительны диоды Шоттки, образованные соединением полупроводника с металлом, из-за их низкого прямого падения напряжения. В системе накачки заряда, реализованной в виде ИС, часто используются высокоэффективные полевые МОП-транзисторы с низким входным импедансом.

Накачка заряда может также изменять полярность на выходе относительно входа. Помимо повышения напряжения, подкачка заряда может уменьшать вдвое или, в каскадной конфигурации, делить входное значение на любое целое число. Использование высоких тактовых частот позволяет использовать более низкую емкость из-за более коротких постоянных времени. Выходное напряжение регулируется изменением рабочего цикла тактового сигнала. Одним из преимуществ зарядного насоса является то, что он может переключаться между понижающим и повышающим режимами, компенсируя разряд батареи между зарядками.

Там, где требуются несколько выходов постоянного напряжения, зарядный насос намного более компактен и дешевле, чем линейный источник питания, который обременен трансформатором с отводами вторичной обмотки. Конденсаторы могут быть электролитическими или керамическими в зависимости от скорости переключения.

Удвоители напряжения и инверторы

могут быть построены на основе микросхемы таймера 555 с двумя внешними диодами и тремя или четырьмя внешними конденсаторами. Когда для питания операционного усилителя требуются положительные и отрицательные источники питания, накачка заряда может быть сконфигурирована как инвертор напряжения.

Если для ИС требуется несколько напряжений, например, один сильноточный первичный источник и вспомогательные слаботочные источники, то идеальным преобразователем мощности является зарядовый насос. Другие приложения - это EEPROM и флэш-память.
С меньшим количеством компонентов и без индуктора простой насос заряда требует меньше места на печатной плате и более эффективен, чем линейный источник питания.

Недостатки скромные: он ограничен нагрузками с дробным усилением и, как все SMPS, генерирует некоторые электромагнитные помехи и не так эффективен, как аналогичные источники питания, построенные на индукторах, которые могут питать большие нагрузки, но стоят дороже.

Все умножители напряжения используют конфигурацию, состоящую из диодов и конденсаторов для умножения до уровня напряжения, желаемого конечным пользователем, пикового переменного напряжения (полученного в порядке увеличения изменчивости, от электросети, местного резервного питания или местного инвертора) или от аккумуляторной батареи. поставляемый, гидро или дикий постоянный ток от ветряной турбины.

Диоды и конденсаторы используются совместно для формирования умножителей напряжения. Эти схемы способны умножать напряжение в четыре или более раз для получения теоретически любого напряжения, вплоть до киловольтного диапазона.Эта технология эффективно используется в высоковольтных трансконтинентальных системах распределения электроэнергии для переключения напряжения и системы. Но диоды и конденсаторы должны иметь адекватные характеристики обратного пробоя, равные удвоенному пиковому напряжению, из-за высокого напряжения, создаваемого многокаскадным оборудованием.

При разработке и диагностике умножителей напряжения осциллографы смешанных сигналов или связанная с ними аппаратура необходимы для визуализации цифровых сигналов в сопоставлении с аналоговыми сигналами. Например, в небольшом масштабе прерывистая работа источника питания может нарушить поток цифровых данных, и, отображая обе формы сигнала в реальном времени, эти проблемы можно проанализировать.

Конденсатор

- Умножитель напряжения: пошаговое объяснение

Как объяснил Бимпелрекки, существенное ли падение напряжения на диодах зависит от того, с каким напряжением вы работаете.

Так как я играл с этими штуками последние несколько дней, я отправлю несколько диаграмм и измерений, которые я сделал.

Я думаю, что кривые напряжения хорошо объясняют, что происходит с выходом, когда переменный ток не достигает своего пикового значения.

Просто к сведению: напряжение, которое я использую (30 вольт от пика до пика), находится на грани того, что прямое напряжение диодов, которые я использую, не имеет большого значения.Прямое напряжение составляет около 3% от доступного напряжения, поэтому оно заметно, но достаточно мало, чтобы большую часть времени прищуриться и сказать «а, достаточно близко».

Во-первых, полуволновой умножитель Кокрофта-Уолтона, который вы показали, построен из связки удвоителей напряжения Грайнахера. Грейнахер состоит из удвоителя Виллара, за которым следуют выпрямитель и фильтр.

Это дублер Виллара:

Он принимает переменный ток и добавляет половину размахов напряжения к переменному току как постоянный ток.Мой трансформатор выдавал около 30 вольт переменного тока. Схема Вилларда добавила к этому около 14 В. В итоге я получил пиковое напряжение около 30 В. Это не совсем DC. Это «колеблющийся постоянный ток» со всем напряжением выше 0.

Серая линия посередине изображения - 0 вольт. Как видите, переменный ток сместился вверх и в результате получился «постоянный ток». Плоские пятна в нижней части DC исходят от диодов. Прямое напряжение диодов составляет около 1 вольт, поэтому оно отсутствует в нижней части кривой.

А вот схема удвоителя Грайнахера:

.

Эта схема является основой множителя Кокрофта-Уолтона. Посмотрите на диаграмму Кокрофта-Уолтона и наклоните голову набок. Я уверен, что вы узнаете его «клетки» как не что иное, как связку дублеров Грейнахера, соединенных вместе.

Вот так выглядит мощность удвоителя Грайнахера:

Это немного ниже, чем у Villard, но намного ближе к DC.Если бы я использовал конденсаторы большего размера, то он выглядел бы точно так же, как DC.

Теперь, когда вы соединяете связку Greinachers вместе, вы получаете более высокое напряжение. Это было бы очень похоже на последнюю картинку, только с более высоким выходным напряжением.

Я получаю около 24 В от одного Грейнахера. Если я соединю их вместе, чтобы получить множитель Кокрофта-Уолтона, то я получу 24 В на каждую добавляемую к нему ступень.

1 ступень 24 В

2 ступени 48 В

3 ступени 72 В

и так далее.

Вы берете размах напряжения вашего переменного тока (30 В в моем случае), вычитаете прямое напряжение диода, и это примерно то напряжение, которое вы можете ожидать в постоянном токе для одного каскада. Умножьте его на количество ступеней, и вы получите (приблизительное) выходное напряжение постоянного тока.

Следующий трюк - определить размер используемых конденсаторов. Для своих экспериментов я использовал конденсаторы емкостью 100 нФ ( или было слишком мало при работе с 50 герцами). Из-за этого мой удвоитель имеет очень высокое сопротивление.«Нагрузка» в 1 МОм заметно снижает выходное напряжение. Я пытался выяснить, как выразить импеданс умножителя Кокрофта-Уолтона как функцию емкости. Я играю от этого прямо сейчас. Я планировал построить еще пару умножителей с разными конденсаторами и посмотреть, как они реагируют на нагрузку.

Силовая электроника - двойной удвоитель напряжения

Вы можете построить такую ​​схему, но для этого потребуется какое-то активное устройство. Вы не можете этого сделать, используя только диоды и конденсаторы.Вот один делитель на восемь, который принимает переменный ток сети в качестве входа и выдает постоянный ток. Его эффективность составляет около 85% при 4 Вт. Его можно улучшить несколькими способами, но на самом деле это довольно просто:

R10 - это нагрузка. В этом примере он потребляет около 4 Вт при входном напряжении 220 В переменного тока (выходное напряжение составляет около 32 В). Вы не сможете рисовать намного больше без резкого падения эффективности.

Вот как это работает: когда входной синусоидальный сигнал переменного тока положительный, PMOS блокируется, и восемь последовательно включенных конденсаторов заряжаются через верхний диод D30 и все последовательно подключенные конденсаторы (PMEG6030) (другие диоды не проводят).Таким образом, каждый конденсатор заряжается до VIN / 8. Когда синус отрицательный, D30 перестает проводить, но PMOS проводит. Это делает все MMDB3004 проводящим, и все восемь конденсаторов включаются параллельно. Затем заряд передается на выходной конденсатор C4.

Фактически, он работает точно так же, как зарядный насос. Вы можете разделить на сколько хотите вместо восьми, настроив количество конденсаторов и диодов. Конечно, если их будет слишком много, это скажется на эффективности.

Эта схема работает на полуволне (половина на зарядку, половина на разряд).Можно было бы заставить его работать на полной волне, но это стало бы намного сложнее.

Также обратите внимание, что выбор компонентов имеет решающее значение. Все диоды, кроме последовательно включенных, должны выдерживать сетевое напряжение. Шоттки и конденсаторы должны выдерживать максимальное выходное напряжение (входное напряжение, деленное на восемь). PMOS должен выдерживать сетевое напряжение и иметь относительно низкое значение RDSon, иначе эффективность сильно упадет. R1 должен быть рассчитан на сетевое напряжение.

Наконец, с точки зрения безопасности, я бы не рекомендовал эту схему, так как в ней нет изоляции. Кроме того, размер каждого компонента делает его не более компактным, чем небольшой трансформатор. Вероятно, также не дешевле, учитывая количество требуемых компонентов (при делении на высокое соотношение) и требуемый МОП-транзистор (хотя можно было бы полностью перевернуть всю схему и использовать более дешевый N-канальный гетеродин). В общем, эта схема определенно не лучший выбор.

Цепи удвоителя напряжения

| Схема каскадного удвоителя напряжения

Цепи удвоителя напряжения:

Как двухполупериодные, так и однополупериодные схемы выпрямителя производят d.c. напряжение меньше переменного тока максимальное напряжение. Когда требуются более высокие напряжения постоянного тока, используются схемы удвоения напряжения или схемы удвоения каскадного выпрямителя. Принципиальная схема удвоителей напряжения представлена ​​на рис. 6.3а и б.

В схемах удвоителя напряжения, показанных на рис. 6.3a, конденсатор C 1 заряжается через выпрямитель R 1 до напряжения + V max с полярностью, как показано на рисунке, во время отрицательного полупериода. Когда напряжение трансформатора повышается до положительного значения V max в течение следующего полупериода, потенциал другой клеммы C 1 повышается до напряжения + 2V max.

Таким образом, конденсатор C 2 в свою очередь заряжается через R 2 до 2V max . Обычно постоянный ток выходное напряжение под нагрузкой будет менее 2В макс , в зависимости от постоянной времени C 2 R L и постоянных времени прямой зарядки. Пульсации напряжения этих цепей будут около 2% для R L / r ≤ 10 и X / r ≤ 0,25, где X и r - реактивное сопротивление и сопротивление входного трансформатора. Выпрямители рассчитаны на пиковое обратное напряжение 2 В макс. , и конденсаторы C 1 и C 2 также должны иметь такой же номинал.

Каскадные удвоители напряжения используются, когда требуется большее выходное напряжение без изменения уровня входного напряжения трансформатора. Типичный удвоитель напряжения показан на рис. 6.3b, а его формы входных и выходных сигналов показаны на рис. 6.3c. Выпрямители R 1 и R 2 с трансформатором T 1 и конденсаторами C 1 и C 2 создают выходное напряжение 2 В аналогично описанному выше. Эта схема дублируется и включается последовательно или каскадно для получения дополнительного удвоения напряжения до 4 В.

T - изолирующий трансформатор, обеспечивающий изоляцию для 2V max , поскольку трансформатор T 2 находится под потенциалом 2V max над землей. Распределение напряжения вдоль линии выпрямителя R 1 , R 2 , R 3 и R 4 делается равномерным за счет наличия конденсаторов C 1 , C 2 , C 3 и C 4 равных ценностей.

Схема может быть расширена до 6 В, 8 В и т. Д. Путем повторения следующих этапов с подходящими изолирующими трансформаторами.Во всех цепях удвоителя напряжения, если используются клапаны, нитьевые трансформаторы должны быть соответствующим образом спроектированы и изолированы, так как все катоды не будут иметь одинаковый потенциал относительно земли. Расположение становится громоздким, если требуется более 4 В с каскадными ступенями.

Что такое удвоитель напряжения? Как работает схема удвоителя напряжения

Общие сведения об удвоителе напряжения

Управление напряжением во время выпрямления переменного тока для D.Требование C чрезвычайно важно. Фактически, контроль и стабилизация напряжения являются неотъемлемой частью любого электрического процесса.

Несколько типов стабилизаторов напряжения используются для поддержания постоянного напряжения в процессе преобразования переменного тока в постоянный. Например, если система получает питание от набора батарей, напряжение будет снижаться при разрядке батарей, и, следовательно, для этого должна быть предусмотрена система резервных батарей. Величина напряжения, требуемого во время фазы низкого напряжения, зависит от мощности оборудования.Есть вероятность, что напряжение, необходимое для конкретного приложения, выше, чем подаваемое напряжение. Для таких случаев используется удвоитель напряжения. Также следует отметить, что для всего электрического оборудования требуется уровень напряжения немного выше нормального. Это помогает поддерживать эффективность и стабильность оборудования.

Удвоитель напряжения является неотъемлемой частью процесса выпрямления переменного тока и помогает увеличить напряжение в системе. Как следует из названия, он выдает напряжение, которое почти вдвое превышает входное.Это означает, что напряжение, создаваемое удвоителем, в два раза превышает пиковое значение переменного входного тока. Однако учтите, что это возможно только в том случае, если ток нагрузки очень мал.

Конструкция и работа

Удвоитель напряжения представляет собой схему, состоящую из двух полупроводниковых PN-диодов (выпрямителей) и двух конденсаторов, расположенных в виде мостовой конструкции. Конденсаторы и выпрямители расположены, как показано на рисунке.

Два конденсатора C1 и C2 соединены последовательно друг с другом, а также с нагрузкой.В схеме удвоителя напряжения переменный ток сначала будет течь по часовой стрелке, а затем против часовой стрелки (обозначено стрелками на схеме). Когда ток течет по часовой стрелке, выпрямитель R1 заряжает конденсатор C1 до тех пор, пока напряжение не достигнет пика положительной волны напряжения. Аналогичным образом, ток течет против часовой стрелки, выпрямитель R2 заряжает конденсатор C2, пока напряжение не достигнет пика волны отрицательного напряжения.

Поскольку оба конденсатора включены последовательно друг с другом и с нагрузкой, противоположные напряжения, генерируемые в обоих из них, складываются и разряжаются в нагрузке. Таким образом, будет получен эффект удвоения, обеспечивающий напряжение, вдвое превышающее входное. Однако следует отметить, что система будет работать, только если нагрузка очень мала. В случае увеличения нагрузки эффект удвоения не возникает.

Подобные схемы используются для увеличения напряжения почти в четыре раза по сравнению с входным напряжением, но только если ток нагрузки очень мал.Во многих приложениях также используются трансформаторы. Однако они дорогие и не обеспечивают должного качества тока.

Приложение

Удвоители напряжения широко используются в телевизионном и радиолокационном оборудовании в качестве альтернативы более тяжелым, большим и дорогим трансформаторам и выпрямителям, которые также выполняют ту же функцию, что и удвоители напряжения.

Ссылки и изображения

Судовое электрическое оборудование и практика, H.D McGeorge

Цепи преобразователя напряжения постоянного тока | Журнал Nuts & Volts


ВВЕДЕНИЕ

Во многих современных электронных схемах с батарейным питанием требуется источник постоянного тока, который имеет либо большее значение напряжения, чем напряжение основной батареи, либо имеет обратную полярность; схема, которая питается от шестивольтовой батареи, может, например, включать в себя один каскад операционного усилителя, которому требуются линии питания +12 В и -6 В.В таких случаях требуемые напряжения могут генерироваться через одну или несколько специальных схем преобразователя постоянного напряжения.

Большинство электронных преобразователей напряжения постоянного тока работают по тому или иному из четырех основных способов и используют генератор с питанием от постоянного тока для управления либо простой схемой «умножитель напряжения» на основе диода-конденсатора, либо сетью повышающего трансформатора и выпрямителя, либо «летающей». конденсаторный преобразователь напряжения или диодно-управляемый зарядный насос, который производит желаемое конечное выходное напряжение постоянного тока или напряжения.

В этой статье объясняются принципы работы и приводятся практические примеры каждого из этих четырех основных типов схем.

ЦЕПИ МНОЖИТЕЛЯ НАПРЯЖЕНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА

ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ
Обычные типы схем преобразователя напряжения постоянного тока с «умножителями напряжения» основаны на простой двухсекционной выпрямительной сети типа диод-конденсатор, которая была первоначально разработана еще в 1930-х годах для использования в дорогостоящих цепях переменного тока. -Приложения преобразования напряжения постоянного тока, которые до сих пор широко используются.

Чтобы понять основную работу и терминологию этой схемы (которая иногда может сбивать с толку), необходимо начать с рассмотрения простой схемы преобразования мощности переменного тока в постоянный, а именно:

Самая простая схема преобразования мощности переменного тока в постоянный - это основной тип однополупериодного выпрямления, показанный на рис. , рис. 1 , который изображает схему, в которой используется трансформатор со значением вторичного напряжения 250 В (среднеквадратичное).

РИСУНОК 1. Основные детали простого блока питания постоянного тока с однополупериодным выпрямлением на 250 В.


Здесь напряжение переменного тока, приложенное к входу выпрямителя D1, попеременно колеблется выше и ниже значения 0 В, повышаясь до положительного значения V пик (Vpk) + 353 В в положительном полупериоде и снижаясь до отрицательного значения V пик значение -353В в отрицательном полупериоде.

D1 смещен в прямом направлении в течение каждого положительного полупериода и, таким образом, заряжает конденсатор C1 до пикового значения (без учета прямого падения напряжения D1) + 353 В, но смещается в обратном направлении в течение каждого отрицательного полупериода, что, таким образом, не имеет практического эффекта. на цепи.

Эта схема вырабатывает положительное выходное напряжение, но ее можно заставить генерировать отрицательное выходное напряжение, просто поменяв полярность D1 и C1 на обратную.

Действительно важно отметить в схеме полуволнового выпрямителя Рисунок 1 то, что D1 и C1 действуют вместе как детектор пикового напряжения, который заставляет схему выдавать выходной сигнал, равный положительному значению пика вторичного напряжения T1. .

То же самое основное действие происходит во всех обычных двухполупериодных выпрямительных схемах, которые также дают выходной сигнал, равный пиковому значению вторичного напряжения трансформатора.

В начале 1930-х инженеры нуждались в дешевом, надежном и безопасном способе генерации дорогостоящего маломощного постоянного напряжения из недорогих нелетальных трансформаторов, и для этого разработали простую двухсекционную схему «умножителя напряжения». работа. На рисунке 2 показана такая схема, управляемая от вторичной обмотки трансформатора на 250 В.

РИСУНОК 2. Основные детали схемы умножителя напряжения с «удвоением напряжения» с приводом от трансформатора.


Здесь секция C1-D1 действует как диодный фиксатор, который при питании от нормального входа переменного тока, который колеблется симметрично относительно значения 0 В, формирует выходной сигнал идентичной формы, но его пиковая отрицательная точка привязана к «Опорное» значение 0 В, как показано на диаграмме.

Пиковое выходное значение этой формы сигнала равно размаху (V pp ) входного напряжения переменного тока и подается непосредственно на вход простой секции детектора пикового напряжения D2-C2, которая, таким образом, производит Выходное напряжение постоянного тока равно значению V pp (а не пиковому значению) входного переменного напряжения.

Таким образом, эта схема дает вдвое большее выходное напряжение, чем обычная полуволновая или двухполупериодная схема выпрямителя, и поэтому известна как умножитель напряжения с «удвоением напряжения».

Схема может быть создана для генерирования отрицательного (а не положительного) выходного напряжения путем простого изменения полярности C1-D1 и D2-C2.

Один очень важный момент, на который следует обратить внимание в отношении базовой схемы , рис. 2 , заключается в том, что ее выходное напряжение фактически равно V pp плюс общее «опорное» напряжение (V ref ) D1-C2, которое в данном конкретном примере 0V. Таким образом, если эта схема модифицируется так, что V ref каким-то образом повышается до (скажем) + 1000 В, выход 706 В C2 будет добавлен к выходу V ref , чтобы получить окончательное выходное напряжение 1706 В, и поэтому на.

Сердцем схемы Figure 2 является фактическая сеть удвоителя напряжения C1-D1-D2-C2. Рисунок 3 (a) показывает обычную схему этой сети, а Рисунок 3 (b) показывает ее перерисовку как «стандартную» секцию умножителя напряжения с удвоением напряжения.

РИСУНОК 3. (a) Схема обычного удвоителя напряжения и (b) схема, перерисованная в «стандартной» форме.


Основной особенностью удвоителя напряжения является то, что несколько «удвоителей» могут быть легко соединены между собой для получения различных значений умножения напряжения, и такие схемы лучше всего рисовать с использованием стандартного представления , рис. 3 (b), .

На рис. 4 , например, показаны три из этих «удвоителей» каскадов, соединенных между собой для обеспечения секвенсора напряжения, при котором конечное выходное напряжение в шесть раз превышает пиковое значение исходного входного напряжения 250 В (действующее значение).

РИСУНОК 4. Три «удвоителя» соединены между собой, чтобы обеспечить умножение напряжения в 6 раз.


Здесь каждая секция удвоителя генерирует отдельный выход (через свой конденсатор C2, C4 или C6) 706 В, но выход первого удвоителя действует как точка V ref второго удвоителя, а выход второго удвоителя действует как точка V ref третьего удвоителя, в результате чего три отдельных выходных напряжения складываются вместе, давая окончательный выход постоянного тока + 2118 В от входа 250 В переменного тока.

Обратите внимание на схему , рис. 4 , что входной конденсатор каждой секции питается непосредственно от входного переменного напряжения и требует абсолютного минимального номинального напряжения, равного выходному напряжению этой секции относительно земли, например, для C5 требуется минимальный номинал. 2118В.

В середине 1930-х годов была разработана модифицированная версия умножителя напряжения для преодоления этого препятствия. Известный как умножитель напряжения Кокрофта-Уолтона, он использует стандартные каскады удвоителя напряжения, соединенные между собой так, как показано на рис. 5 .

РИСУНОК 5. Эта трехступенчатая схема Кокрофта-Уолтона дает умножение напряжения в 6 раз.


Эта схема аналогична схеме , рис. 4 , за исключением того, что на вход каждого удвоителя (кроме первого) подается напряжение от «фиксированной» точки переменного напряжения предыдущего удвоителя.

Следовательно, требование «минимального номинального напряжения» каждого компонента, используемого в каждой ступени удвоения, равно размаху исходного входного напряжения переменного тока.

Недостатком умножителя напряжения Кокрофта-Уолтона является то, что его выходной импеданс довольно высок (он пропорционален сумме импедансов различных входных конденсаторов), и поэтому он может обеспечивать только небольшие выходные токи.

На практике этот тип умножителя напряжения был первоначально разработан просто для генерации очень высокого (примерно до 30 кВ) напряжения ускорителя на конечном аноде электронно-лучевых трубок, что требует очень небольшого тока возбуждения.

Обратите внимание, что 10-ступенчатая схема этого типа - при возбуждении от входа 500 В переменного тока - генерирует выход постоянного тока более 14 кВ, но компоненты, используемые на каждой ступени, имеют минимальные требования к номинальному напряжению менее 1,5 кВ.

ПРАКТИЧЕСКИЕ ЦЕПИ
Напряжение постоянного тока можно легко преобразовать в одно из более высоких значений или обратной полярности, используя источник постоянного тока для питания автономного генератора прямоугольных импульсов от 1 кГц до 30 кГц, выход которого подается на умножитель напряжения одного из уже описаны основные типы, которые, таким образом, обеспечивают желаемое «преобразованное» выходное напряжение постоянного тока. На рисунке 6 показана практическая демонстрационная схема этого типа.

РИСУНОК 6. Базовая демонстрационная схема «удвоителя напряжения».


Схема Figure 6 использует «таймер» IC типа 555 (который может обеспечивать довольно высокие выходные токи) в качестве автономного генератора прямоугольных импульсов, который работает на частоте около 3 кГц (определяется значениями R1-R2-C2) и напрямую управляет каскадом «удвоителя» C3-D1-D2-C4, который (в идеале) производит выход постоянного тока, равный размаху выходного сигнала прямоугольной формы, который (в идеале) равен значению Vcc.

На практике величина размаха прямоугольной волны немного меньше Vcc, и «удвоитель» теряет еще 1,2 В при падении напряжения в D1 и D2, в результате чего фактический выход (при очень небольшой нагрузке) примерно на 1,6 В меньше, чем Vcc, например, 8,4 В при питании 10 В. Схема может использовать любой источник питания в диапазоне от 5 до 15 В.

Рисунок 7 показывает гораздо более полезную версию базовой схемы Figure 6 «удвоитель напряжения».

РИСУНОК 7. Схема удвоения постоянного напряжения.


В этой версии «удвоитель» C3-D1-D2-C4 подключен к положительной (а не 0 В) линии питания, и его выходное напряжение, таким образом, добавляется к выходному напряжению линии питания, что дает выходное напряжение постоянного тока. (при небольшой нагрузке) почти в два раза больше Vcc.

На практике схема прототипа дает выходной сигнал почти 19 В при использовании источника питания 10 В.

Рисунок 8 показывает схему Рисунок 7 , модифицированную для использования с каскадной парой каскадов «удвоителя», в конфигурации, которая известна (поскольку она генерирует выход постоянного тока в четыре раза больше, чем базовое пиковое входное напряжение переменного тока) как учетверитель напряжения.’

РИСУНОК 8. Каскадная схема «удвоителя напряжения».


Здесь выход нового каскада «удвоителя» C5-D3-D4-C6 (который на пару вольт меньше Vcc) добавляется к выходному сигналу базовой схемы , рис. 7, , что дает выходное напряжение постоянного тока. (при небольшой нагрузке) почти в три раза больше Vcc.

На практике схема прототипа дает выходной сигнал 27 В при использовании источника питания 10 В.

Рисунок 9 показывает особенно полезный тип схемы умножителя напряжения, который генерирует отрицательное выходное напряжение, которое (в идеале) почти равно по амплитуде, но противоположно полярности полярности линии питания ИС, таким образом обеспечивая выход с раздельным питанием от несимметричный вход.

РИСУНОК 9. Генератор отрицательного напряжения постоянного тока.


Схема аналогична схеме , рис. 6 , но имеет обратную полярность «удвоителя» D1-D2-C4, так что его выходное напряжение является отрицательным по отношению к линии 0 В.

На практике схема прототипа дает выходной сигнал -8,4 В при использовании источника питания 10 В. (Примечание: два из этих «удвоителей» каскадных соединений дают выходное напряжение -17,5 В при использовании источника питания 10 В.)

ЦЕПЬ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ГЕНЕРАТОРА

Метод «умножителя напряжения» для получения увеличенных значений выходного напряжения постоянного тока обычно рентабелен только тогда, когда требуются коэффициенты умножения менее шести.

В случаях, когда требуются очень большие коэффициенты повышения (например, когда сотни вольт должны генерироваться через источник питания от 6 до 12 В), часто лучше использовать выход низковольтного генератора или генератора прямоугольных импульсов. для управления повышающим трансформатором напряжения, который затем обеспечивает необходимое высокое напряжение (в форме переменного тока) на его вторичной (выходной) обмотке; это переменное напряжение может быть легко преобразовано обратно в постоянное через простую сеть выпрямитель-фильтр. На рисунке 10 показана практическая схема маломощного генератора высокого напряжения этого типа.

РИСУНОК 10. Преобразователь постоянного тока от 9 до 300 В.


Схема Figure 10 действует как преобразователь постоянного тока в постоянный, который генерирует выходное напряжение 300 В постоянного тока от источника питания 9 В постоянного тока.

Здесь Q1 и связанная с ним схема действуют как LC-генератор Хартли, с низковольтной первичной обмоткой сетевого трансформатора T1 от 9В-0-9В до 250В (или трансформатора с аналогичным соотношением витков), образующей L-часть. генератора, который настраивается через C2.

Напряжение питания повышается примерно до 350 В пикового значения на вторичной обмотке T1, выпрямляется полуволной и сглаживается через D1-C3. Без постоянной нагрузки на C3 конденсатор может создать мощный, но нелетальный «пояс».

При постоянной нагрузке на выходе выход падает примерно до 300 В при токе нагрузки в несколько миллиампер.

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА «ЛЕТУЩИЙ КОНДЕНСАТОР»

Одним из очень эффективных способов получения хорошего преобразования низкого напряжения в отрицательное является использование так называемого метода «летающего конденсатора», который используется в популярной специальной микросхеме преобразователя напряжения ICL7660 (и ее SI7660, LMC7660 и т. Д.)., эквиваленты) и несколькими аналогичными устройствами.

ICL7660 размещен в восьмиконтактном корпусе DIL, как показано на Рис. 11 (a) , и предназначен для питания от несимметричного источника постоянного тока, который подключается между контактами 8 (V +) и 3 (GND или 0 В), и для генерации отрицательного выходного сигнала с равным значением на выводе 5 (-Vout), т. Е. При питании от источника питания + 5 В он генерирует выходной сигнал -5 В на выводе 5, таким образом удваивая напряжение питания (т. Е. 10 В ) доступен между контактами 8 и 5.

РИСУНОК 11. (a) Схема и обозначения контактов и (b) упрощенная базовая схема использования ИС преобразователя напряжения ICL7660.


Таким образом, ИС можно использовать как генератор отрицательного напряжения или как удвоитель напряжения.

ICL7660 может использоваться с любым источником питания от + 1,5 В до 10 В постоянного тока, потребляет типичный ток покоя 170 мкА при 10 В и имеет типичную эффективность преобразования напряжения + ve в отрицательное значение 99,9%, когда его вывод 5 не нагружен.

Когда выход ИС загружен, он действует (при 10 В) как источник напряжения с выходным сопротивлением около 70R и может обеспечивать максимальные выходные токи около 40 мА; выходной импеданс обратно пропорционален напряжению питания и обычно составляет около 330R при 2.5В.

ICL7660 использует метод «летающего конденсатора» для преобразования напряжения, который проиллюстрирован на рис. 11 (b) . В ИС находится КМОП-генератор прямоугольных сигналов, который работает на базовой частоте около 10 кГц и имеет симметричный выход половинной частоты (доступный на выводе 2), который многократно переключает встроенный двухполюсный переключатель КМОП S1, который подключен к «летающий» внешний конденсатор С1.

Действие схемы таково, что при переключении S1 на высокий уровень C1 подключается непосредственно между землей и линиями V + (как показано на схеме) и, таким образом, заряжается до полного положительного значения напряжения питания.

Однако в следующем тактовом цикле S1 переключается на низкий уровень, и при этом условии C1 подключен - с обратной полярностью - непосредственно через внешний выходной конденсатор C2, таким образом генерируя выходное напряжение V- на C2. Эта последовательность переключения повторяется непрерывно на половине частоты тактового генератора.

Обратите внимание, что, поскольку ICL7660 использует CMOS, а не биполярные полупроводниковые переключатели в своей схеме «преобразования», IC работает с очень высокой эффективностью преобразования.

ICL7660 - простое в использовании устройство, но ни одна из его клемм никогда не должна быть подключена к напряжению выше V + или ниже GND (0 В).

Если ИС должна использоваться с источниками питания в диапазоне от 1,5 В до 3,5 В, вывод 6 «LV» (который управляет внутренним регулятором напряжения) должен быть заземлен; при значениях напряжения питания более 3,5 В контакт 6 должен оставаться разомкнутым. При значениях напряжения питания более 6,5 В защитный диод должен быть подключен последовательно с выходным контактом 5.

Схемы Рисунки 12 с по 20 показывают выбор практических конструкций, в которых применяются эти правила.

ЦЕПИ

ICL7660

Основное применение ICL7660 - это простой генератор отрицательного напряжения или удвоитель напряжения, а На рисунках 12 с по 14 показаны три простые схемы этого типа; в каждом случае C1 - «летающий» конденсатор, а C2 - сглаживающий / накопительный конденсатор, и каждый имеет значение 10 мкФ.

Преобразователь напряжения Figure 12 предназначен для использования с источниками питания от 1,5 В до 3,5 В и требует использования только двух внешних компонентов.

РИСУНОК 12. Генератор отрицательного напряжения постоянного тока или удвоитель напряжения с питанием от 1,5 до 3,5 В.


Схема Рис. 13 аналогична, но предназначена для использования с источниками питания в диапазоне от 3,5 до 6,5 В и поэтому имеет заземленный контакт 6.

РИСУНОК 13. Генератор отрицательного напряжения постоянного тока или удвоитель напряжения с питанием от 3,5 до 6,5 В.


Наконец, схема Figure 14 предназначена для использования с источниками питания в диапазоне 6.От 5 до 10 В, и, следовательно, диод D1 подключен последовательно с выходным контактом 5, чтобы защитить его от чрезмерного обратного смещения от C2 при отключении источников питания.

РИСУНОК 14. Генератор отрицательного напряжения постоянного тока или удвоитель напряжения с питанием от 6,5 до 10 В.


Наличие этого диода снижает доступное выходное напряжение на Vdf, прямое падение напряжения на диоде; чтобы это падение напряжения не превышало минимальных значений, D1 должен быть германиевым или шоттки.

Полезной особенностью ICL7660 является то, что количество этих микросхем (до 10) можно каскадировать, чтобы получить коэффициенты преобразования напряжения больше единицы. Таким образом, если три каскада соединены каскадом, они дают окончательное отрицательное выходное напряжение -3 В постоянного тока и т. Д. На рисунке 15 показаны соединения для каскадного включения двух из этих каскадов; любые дополнительные каскады должны быть подключены так же, как правая ИС на этой схеме.

РИСУНОК 15. Каскадные ИС для повышенного отрицательного выходного напряжения.


Уже отмечалось, что одиночная микросхема ICL7660 может использоваться как высокоэффективный удвоитель напряжения, который может, например, генерировать выход 10 В с центральным отводом при питании от несимметричного входа 5 В.

Рисунок 16 показывает, как две из этих микросхем могут быть подключены каскадом для генерации выходного сигнала 12 В с центральным отводом, когда схема питается от несимметричного источника 3 В (например, от двух последовательно соединенных ячеек 1,5 В).

РИСУНОК 16. Каскадные ИС, обеспечивающие выходное напряжение 12 В с центральным отводом от источника питания 3 В.


Здесь IC1 используется как основной удвоитель напряжения, питаемый от источника 3 В, подключенного между контактами 3 и 8, а его выход 6 В (между контактами 5 и 8) используется для питания IC2 через контакты 3 и 8, а также IC2. таким образом генерирует выход (между контактами 5 и 8) 12 В при очень небольшой нагрузке. Этот выход 12 В имеет импеданс источника около 500R и падает примерно на 0,5 В при увеличении тока нагрузки на мА (большая часть этого падения напряжения отражается от выхода -ve IC1, который работает при уровне тока, в два раза превышающем Выход IC2, как описано ниже).

Важно отметить, что ток источника питания (батареи), потребляемый любой схемой умножителя напряжения, неизбежно по крайней мере в n раз больше, чем выходной ток под нагрузкой схемы, где n - значение «умножителя» схемы. Таким образом, если удвоитель напряжения питается от источника питания 5 В и генерирует выходной сигнал 10 В x 10 мА (= 100 мВт), из этого следует, что ток питания должен быть не менее 20 мА (= 100 мВт / 5 В).

Выходной импеданс схемы также пропорционален значению n .

В некоторых приложениях пользователь может захотеть уменьшить частоту генератора ICL7660 IC; один из способов сделать это - подключить конденсатор Cx между контактами 7 и 8, как на Рисунок 17 ; Рисунок 18 показывает взаимосвязь между значениями Cx и частоты; таким образом, значение Cx, равное 100 пФ, снижает частоту в 10 раз, с 10 кГц до 1 кГц; Чтобы компенсировать это снижение частоты 10: 1 и сохранить эффективность схемы, значения C1 и C2 должны быть увеличены в аналогичном коэффициенте (примерно до 100 мкФ каждое).

РИСУНОК 17. Метод понижения частоты генератора.


РИСУНОК 18. График зависимости Cx от частоты генератора.


Другой способ уменьшить частоту генератора - использовать вывод 7 для перегрузки генератора через внешние часы, как показано на Рис. 19 .

РИСУНОК 19. Внешняя синхронизация ICL7660.


Тактовый сигнал должен подаваться на контакт 7 через резистор серии 1K0 (R1) и должен полностью переключаться между двумя значениями шины питания; На схеме КМОП-затвор подключен как инвертирующий буферный каскад, чтобы обеспечить такое переключение.

ЦЕПИ НАСОСА С ДИОДНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ

До сих пор в этой статье были описаны три из четырех наиболее широко используемых типов схем преобразования постоянного напряжения.

Четвертый тип преобразователя иногда называют схемой «диодно-управляемой накачки заряда», а Рисунок 20 показывает пример одного из этих «насосов», используемых вместе с ICL7660 IC для создания преобразователя, дающего положительный ток. выходное напряжение почти вдвое превышает исходное значение напряжения питания.

РИСУНОК 20. Удвоитель напряжения типа диодной накачки.


Насос состоит из D1-C1-D2-C2 и приводится в действие прямоугольным выходом с низким импедансом на выводе 2 ИС. Действие схемы очень простое, а именно:

Когда вывод 2 на выходе ICL7660 переключается на низкий уровень, он подключает нижний конец C1 к линии 0 В, поэтому C1 заряжается почти до полного значения Vcc через диод D1 с прямым смещением. Когда вывод 2 снова переключается на высокий уровень, он подтягивает нижний конец C1 до Vcc, таким образом увеличивая верхний конец C1 до почти удвоенного значения Vcc, таким образом, смещая D1 в обратном направлении и D2 в прямом направлении, и заставляя C1 перейти в сбросить свой избыточный заряд в C2, который, таким образом, заряжается почти вдвое по сравнению с величиной Vcc.

Этот процесс повторяется непрерывно, при этом C1 автоматически заменяет любые токи заряда, которые отводятся от C2 внешней схемой нагрузки. На практике диоды D1 и D2 уменьшают доступное выходное напряжение на величину, равную их совокупному прямому падению напряжения, поэтому в идеале они должны быть германиевыми с низкими потерями или диодами Шоттки.

Этот тип схемы «подкачки заряда» намного более мощный, чем обычная схема конденсаторно-диодного удвоителя напряжения, и может легко обеспечивать выходной ток в 10 миллиампер.

Наконец, чтобы завершить этот взгляд на схемы преобразователя постоянного напряжения, на рисунках , с по 23 показаны три полезных варианта базовой схемы «накачки заряда».

Рисунок 21 показывает, как схема накачки заряда Рисунок 20 может быть объединена со стандартной схемой генератора отрицательного напряжения ICL7660 из Рисунок 13 или 14 для создания комбинированного умножителя положительного напряжения и преобразователя отрицательного напряжения, который двойные шины выходного напряжения от несимметричного входного источника.

РИСУНОК 21. Комбинированный удвоитель напряжения + ve и преобразователь напряжения + ve.


Рисунок 22 показывает, как два из диодно-управляемых насосов заряда типа Рисунок 20 могут быть включены в каскад для повышения напряжения, что дает положительное выходное напряжение, значение без нагрузки которого равно трехкратному напряжению Vcc, минус напряжение величина последовательно включенного диода падает. Обычно схема дает на выходе около 27 В при питании от источника 10 В.

РИСУНОК 22. Зарядный насос типа повышения напряжения.


Дополнительные каскады D3-C3-D4-C4 можно подключать каскадом, подключив нижний конец каждого конденсатора с нечетным номером к контакту 2 ИС, а нижний конец каждого конденсатора с четным номером - к линии 0 В; каждая новая ступень увеличивает доступное выходное напряжение на Vcc минус два падения напряжения на диоде.

Наконец, На рисунке 23 показана схема генератора отрицательного напряжения с диодной накачкой заряда, в которой полярности диодов и конденсаторов просто меняются местами и привязаны к линии 0 В.

РИСУНОК 23. Генератор отрицательного напряжения с диодной накачкой заряда.


Эта схема (при использовании обычных кремниевых диодов) дает типичное выходное напряжение без нагрузки всего -8,8 В при питании от источника 10 В, но дает гораздо лучшее регулирование напряжения, чем обычная схема генератора отрицательного напряжения ICL7660.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *