Умножитель напряжения на конденсаторе: Умножители напряжения

Умножители напряжения параллельные, последовательные, двухполупериодные, однополупериодные

А не забацать ли нам с утреца электроэффлювиальный излучатель? Наполнить атмосферу лёгким отрицательным аэроионом – чтоб не слабее воздуха гор, соснового леса или морского прибоя.
Что ещё надо человеку, чтобы встретить безмятежную старость?
А надо-то всего ничего – фруктовый кефир и источник напряжения на пару-тройку десятков киловольт.

Трансформатор на такие напряжения – штука нешуточная, специфическая, подвластная не каждому энтузиасту. Значительно более простым решением будет использование умножителей напряжения, находящих место не только в радиолюбительских поделках, но и широко применяющихся в электронных устройствах промышленного производства.
Происходит это благодаря приятным свойствам умножителей – возможности формировать высокое, до нескольких десятков и сотен тысяч вольт, напряжение при малых габаритах, массе и простоте расчёта и изготовления.

Приведём основные типы умножителей напряжения.

Рис.1 Рис.2

Изображённый на Рис.1 умножитель напряжения относится к последовательным несимметричным умножителям (или несимметричным умножителям 2-го рода). Подобные устройства наиболее универсальны, напряжение на диодах и конденсаторах распределены равномерно, можно реализовать большое число ступеней умножения.
В данной схеме все конденсаторы, за исключением С1, заряжаются до удвоенного амплитудного напряжения 2×U, к конденсатору С1 приложено амплитудное напряжение U, таким образом, рабочее напряжение конденсаторов и диодов получается достаточно низким.

Необходимая ёмкость конденсаторов в этой схеме определяется по приближенной формуле:

С = 2,85×N×Iн / (Кп×Uвых) = 2,85×N / (Кп×Rн),  Мкф , где

N—кратность умножения напряжения;

Iн — ток нагрузки, мА;
Кп — допустимый коэффициент пульсаций выходного напряжения, %;
Uвыx—выходное напряжение, В.

Ёмкость конденсатора С1 должна в 4 раза превышать расчётное значение С.
Максимально-допустимый ток через диоды должен как минимум в 2 раза превышать ток нагрузки Iн.

На Рис.2 приведена схема параллельного несимметричного умножителя (или несимметричного умножителя 1-го рода). Для этого вида умножителей требуются меньшие значения ёмкостей конденсаторов по сравнению с последовательными аналогами, однако такой их недостаток, как пропорциональный рост напряжения на конденсаторах с увеличением числа ступеней, ограничивает их применение в устройствах со значительными величинами выходных напряжений.

При одинаковых выходных токах, величины ёмкостей конденсаторов C4 и C6 в параллельном умножителе меньше, чем в последовательном кратно количеству ступеней. Так, если в последовательном ёмкость конденсатора С6 – 100 МкФ, то для трёхступенчатого параллельного умножителя потребуется ёмкость 100 / 3 = 33 МкФ.

Представленная формула расчёта ёмкостей умножителей верна для частоты напряжения сети – 50Гц. Однако, наиболее эффективно использование умножителей напряжения при их питании напряжением высокой частоты от специального преобразователя. В этом случае величины ёмкостей уменьшаются пропорционально кратности увеличения частоты преобразователя.

Приведу для наглядности калькулятор для расчёта элементов умножителей напряжения.
Здесь Rн = Uвых / Iн, либо Rн = Uвых² / Pн.

Количество ступеней умножителя нельзя увеличивать до бесконечности – с ростом числа секций их вклад в увеличение выходного напряжения быстро уменьшается. К тому же представленные несимметричные умножители напряжения являются однополупериодными и не обладают высокой нагрузочной способностью.

В связи с этим, при необходимости дальнейшего наращивания выходного напряжения и мощности, подводимой к нагрузке свыше 50 Вт – прямая дорога у нас лежит к симметричным двухполупериодным умножителям напряжения.
Симметричная схема умножения напряжения получается, если запараллелить входы двух несимметричных схем, рассчитанных в таблице, у одной из которых необходимо сменить полярность подключения электролитических конденсаторов и диодов.
В результате вырисовываются следующие схемы.

Рис.3 Рис.4

На Рис.3 приведена схема последовательного симметричного двухполупериодного умножителя, на Рис.4 – схема параллельного симметричного двухполупериодного умножителя напряжения.

При необходимости поиметь двуполярное питание, точку 0U следует подключить к земляной шине.

 

Умножители напряжения – теория, практика, схемы

При необходимости получения постоянных напряжений, кратных по величине питающему их переменному напряжению питания, во многих областях радиотехники находят применение выпрямители с умножением напряжения (УН). Они подразделяются на однополупериодные и двухполупериодные, последовательного и параллельного типов.

Схема однополупериодного выпрямителя

На рис.1 показана схема однополупериодного выпрямителя с удвоением напряжения. Схема может применяться как самостоятельно, так и в качестве составляющего элемента многозвенных умножителей последовательного типа.

Рис. 1. Схема однополупериодного выпрямителя с удвоением напряжения.

На рис.2 показана параллельная схема двухполупериодного выпрямителя с удвоением напряжения (схема Латура). Данный УН как выпрямитель можно рассматривать как два однополупериодных, включенных (вторичная обмотка трансформатора Т1 – диод VD1 – конденсаторы С1, С3; вторичная обмотка трансформатора – диод VD2 конденсаторы С2, С4) последовательно. Удвоенное напряжение на его выходе получается в результате сложения раздельно выпрямленных разнополярных напряжений.

Рис. 2. Параллельная схема двухполупериодного выпрямителя с удвоением напряжения (схема Латура).

Последовательный многозвенный однополупериодный выпрямитель

Последовательный многозвенный однополупериодный выпрямитель (рис.3) с умножением напряжения чаще всего применяется при малых (до 10…15 мА) токах нагрузки.

Его схема состоит из однополупериодных выпрямителей – звеньев, в следующем алгоритме – одно звено (диод и конденсатор) – просто од-нополупериодный выпрямитель, состоящий из диода и конденсатора (выпрямителя и фильтра), два звена – умножитель напряжения в два раза, три – в три раза и т. д.

Величины емкости каждого звена в большинстве случаев одинаковы и зависят от частоты питающего УН напряжения и тока потребления [9].

Рис. 3. Схема многозвенного однополупериодного умножителя напряжения.

Физические процессы увеличения напряжения в многозвенном однополупериодном (рис.3) УН удобно рассматривать при подаче на него переменного синусоидального напряжения. Работает УН следующим образом.

При положительной полуволне напряжения на нижнем выводе вторичной обмотки Т1 через диод VD1 течет ток, заряжая конденсатор С1 до амплитудного значения.

При положительной полуволне питающего напряжения на нижнем выводе вторичной обмотки Т1 к аноду VD2 прикладываются сумма напряжений на вторичной обмотке и напряжение на конденсаторе С1; в результате чего через VD2 проходит ток, потенциал правой обкладки С2 относительно общего провода увеличивается до удвоенного входного напряжения и т.д. Отсюда следует, что чем больше звеньев, тем большее постоянное напряжение (теоретически) можно получить от УН.

Для правильного понимания образования и распределения потенциалов, возникающих на радиоэлементах при работе УН, предположим, что один входной импульс (ВИ) полностью заряжает конденсатор С1 (рис.3) до напряжения +U.

Представим второй положительный импульс, возникающий на верхнем выводе Т1 и поступающий на левую по схеме рис.3 обкладку С1 так же в виде заряженного до напряжения +U конденсатора (Си).

Их совместное соединение (рис.4) примет вид последовательно соединенных конденсаторов. Потенциал на С1 относительно общего провода увеличится до +2U, VD2 откроется, и до +2U зарядится конденсатор С2.

Рис. 4. Схема умножителя напряжения.

При появлении импульса величиной +U на нижнем выводе Т1 и суммировании его аналогичным образом с напряжением +2U на конденсаторе С2, через открывшийся VD3 на C3 появится напряжение +3U и т.д.

Из приводимых рассуждений можно сделать вывод, что величина напряжения относительно “общего” провода (рис.3) только на С1 будет равна амплитудному значению входного напряжения, т.

е. +U, на всех же остальных конденсаторах умножителя напряжение будет ступенчато увеличиваться с шагом +2U.

Однако для правильного выбора рабочего напряжения используемых в УН конденсаторов имеет значение не напряжение на них относительно “общего” провода, а напряжение, приложенное к их собственным выводам. Это напряжение только на С1 равно +U, а для всех остальных оно независимо от ступени умножения равно +2U.

Теперь представим окончание времени действия импульса ВИ, как замыкание конденсатора Си (рис.4) перемычкой (S1). Очевидно, что в результате замыкания потенциал на аноде VD2 понизится до величины +U, а к катоду будет приложен потенциал 2U. Диод VD2 окажется закрытым обратным напряжением 2U-U=U.

Отсюда можно сделать вывод, что к каждому диоду УН относительно собственных электродов приложено обратное напряжение, не больше амплитудного значения импульса напряжения питания. Для выходного же напряжения УН все диоды включены последовательно.

Практические схемы УН для КВ и УКВ

Радиолюбителям-коротковолновикам, занимающимся самостоятельным изготовлением радиоаппаратуры, знакома проблема изготовления хорошего силового трансформатора для выходного каскада передатчика или трансивера.

Эту проблему поможет решить схема, показанная на рис.2. Достоинством практической реализации является использование готового, не дефицитного в связи с уходом старой техники, силового трансформатора (СТ) от унифицированного лампового телевизора (УЛТ) второго класса, который можно использовать в качестве силового трансформатора для питания усилителя мощности (УМ) радиостанции 3 категории.

Рекомендуемое техническое решение позволяет получить от СТ все необходимые выходные напряжения для УМ без каких либо доработок. СТ выполнен на сердечнике типа ПЛ, все обмотки конструктивно выполнены симметрично и имеют по половине витков на каждой из двух катушек.

Такой СТ удобен как для получения необходимого анодного напряжения, так и напряжения накала, т.к. допускает использование в качестве выходной в УМ как лампы с 6-вольтовым накалом (типа 6П45С), так и лампы (типа ГУ50) с 12-вольтовым накалом, для чего необходимо только соединить обмотки накала параллельно или последовательно. Применение же удвоителя позволит без затруднений получить напряжение 550…600 В при токе нагрузки порядка 150 мА.

Этот режим оптимален [3] для получения линейной характеристики для лампы ГУ50 при работе на SSB. Соединив обмотки накала последовательно (используемые в ТВ для питания накала ламп и кинескопа) и применив [3] УН по схеме рис.3, можно получить источник отрицательного напряжения смещения для управляющих сеток ламп (порядка минус 55.65 В).

В связи с небольшим током потребления по управляющей сетке, в качестве конденсаторов такого УН можно применить неполярные конденсаторы 0,5 мкФ на 100.200 В.

Эти же обмотки можно использовать и для получения напряжения коммутации режима “прием-передача”. При построении выходного каскада с заземленной сеткой управляющая сетка подключается к источнику отрицательного напряжения (УН 55.65 В), катод подключается через дроссель (015 мм, n=24, ПЭВ-1 00,64 мм) к -300 В, а на анод подается +300 В, напряжение возбуждения подается на катод через конденсатор [3].

Можно подключить управляющую сетку непосредственно к -300 В, катод подсоединяется к -300 В через две параллельно соединенных цепочки, каждая из которых состоит из стабилитрона Д815А и 2-ваттного резистора 3,9 Ом [4]. Напряжение возбуждения в этом случае подается на катод через широкополосный трансформатор.

Если выходной каскад УМ выполнен по схеме с общим катодом, то на анод подается +600 В, а на экранную сетку +300 В [6] с точки соединения С1, С2, С3, С4 (выход -300 В соединен с “общим” проводом RXTX), что позволяет избавиться от мощных гасящих резисторов в цепи экранной сетки, на которых бесполезно выделяется большая тепловая мощность. На управляющую сетку подается отрицательное смещение -55.65 В с упомянутого ранее УН.

Для уменьшения уровня пульсаций питающего напряжения в выпрямителе можно также использовать и штатные дроссели (L1, L2, рис.2) фильтра источника питания того же УЛТ типа ДР2ЛМ с индуктивностью первичной обмотки порядка 2 Гн. Намоточные данные СТ и ДР2ЛМ приведены в [5].

Светотехника

Примером использования умножителя напряжения на четыре [1] является схема для бесстартерного запуска ламы дневного света (ЛДС), показанная на рис.5, которая состоит из двух удвоителей напряжения, включенных последовательно по постоянному току и параллельно по переменному.

Рис. 5. Схема умножителя напряжения на четыре для бесстартерного запуска ламы дневного света.

Лампа зажигается без подогрева электродов. Пробой ионизированного промежутка “холодной” ЛДС происходит при достижении напряжения зажигания ЛДС на выходе УН. Поджиг ЛДС происходит практически мгновенно.

Зажженная лампа шунтирует своим низким входным сопротивлением высокое выходное сопротивление УН, конденсаторы которого в связи со своей малой величиной перестают функционировать как источники повышенного напряжения, а диоды начинают работать как обычные вентили.

2-обмоточный дроссель L1 (или два 1 -обмоточных) служит для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения. Падение напряжения питающей сети примерно равномерно распределяется на балластных конденсаторах С1, С2 и ЛДС, которые включены по переменному току последовательно, что соответствует нормальному рабочему режиму ЛДС.

При использовании в этой схеме ЛДС с диаметром цилиндрической части 36 мм зажигаются без каких-либо проблем, ЛДС с диаметром 26 мм зажигаются хуже, поскольку в связи с особенностями их конструкции напряжение зажигания даже новых ламп без подогрева накала может превышать 1200 В.

Телевидение

Известно, что выходной трансформатор строчной развертки (ТВС) является одним из напряженных узлов в телевизоре (ТВ). Как показывает эволюция развития схемотехники этого узла, с переходом от ламповых ТВ к цветным, в связи с увеличением мощности потребления от источника высокого напряжения (ток потребления черно-белого кинескопа с диагональю 61 см по второму аноду порядка 350 мкА, а цветного – уже 1 мА!), конструкторы ТВ постоянно искали пути повышения его надежности.

Схемотехнические решения получения высокого напряжения для питания второго анода кинескопа, которые использовались во всех моделях ламповых ТВ, имели место лишь в первых модификациях УЛПЦТ, а затем вместо повышающей обмотки ТВС (практически равной по числу витков анодной [5]) стали применять УН, которые по своей электрической прочности, а значит, и надежности значительно превышали аналогичные параметры намоточного узла.

Рис. 6. Схема умножителя напряжения с утроением, из телевизора Юность.

УН практически сразу же начали использовать в отечественных черно-белых переносных ТВ. К примеру, в ТВ “Юность 401” [10] применена схема УН с утроением напряжения, показанная на рис.6.

При реализации практических схем УН имеет значение, с какой точкой схемы УН (1 или 2, рис.3) будет соединен “общий” провод схемы, в которой он будет использоваться, т.е. “фазировка” УН. В этом нетрудно убедиться с помощью осциллографа.

При проведении измерений на ненагруженном УН (рис.3) видно, что на нечетных звеньях величина переменной составляющей почти равна питающему напряжению, а на четных она практически отсутствует.

Поэтому при использовании в реальных конструкциях напряжений только с четных или только с нечетных звеньев умножения этот факт следует учитывать, подключая УН к источнику питания соответствующим образом.

Например, если “общий” провод (рис.3) соединен с точкой 2, то рабочие напряжения снимают с четных звеньев, если с точкой 1 – с нечетных.

При использовании одновременно четных и нечетных звеньев одного УН для получения постоянного напряжения от звена, в котором присутствует переменная составляющая, необходимо (особенно при емкостной нагрузке) между звеном умножителя и нагрузкой включить (рис.7) еще одно звено (диод и конденсатор).

Диод (VDd) в этом случае будет предотвращать замыкание через нагрузку переменной составляющей, а конденсатор (Cdf) выполнять функцию фильтра. Естественно, что конденсатор Cdf должен иметь рабочее напряжение, равное полному постоянному выходному напряжению.

Рис. 7. Включение еще одного звена к умножителю напряжения.

Не следует также забывать и об отрицательном влиянии на надежность работы многозвенных УН утечек, которые всегда имеются в радиоэлементах и материалах при их работе под большими напряжениями, что накладывает определенные ограничения на реально достижимую величину выходного напряжения.

Практический вариант схемотехники УН с умножением на три показан на рис. 6; на четыре – на рис.4; на пять – на рис.8, рис.9; на шесть – на рис.10.

Рис. 8. Схема умножителя напряжения с умножением на четыре.

Рис. 9. Схема умножителя напряжения с умножением на пять.

Рис. 10. Схема умножителя напряжения с умножением на шесть.

В данной статье рассмотрена только часть схемотехники УН, применявшейся ранее и используемой в настоящее время в бытовой технике и радиолюбительском конструировании. Некоторые разновидности схемотехники УН, принципы работы которых аналогичны рассмотренным, опубликованы в [9].

В литературе и в общении с радиолюбителями часто приходится встречать путаницу касательно УН в терминах. К примеру, утверждается, что если на УН нанесена маркировка 8.5/25-1,2 или 9/27-1,3, то это утроитель напряжения. По схемотехнике эти УН являются умножителями на пять.

Маркировка несет информацию только о том, что при подаче на вход УН напряжения с амплитудой 8,5 кВ он обеспечивает получение на его выходе среднего значения постоянного (положительного) напряжения 25 кВ (при токе, потребляемом его нагрузкой, порядка 1 мА), т. е. маркировка говорит только о его входных и выходных параметрах.

Для получения высокого напряжения в ТВ используется импульсное напряжение, возникающее во вторичной обмотке ТВС во время обратного хода луча, следующее с частотой 15625 Гц, с длительностью (положительного) импульса около 12 мкс и скважностью около пяти.

При большом коэффициенте умножения значительную величину составляет также падение напряжения в прямом направлении на выпрямительных столбах, каковыми являются выпрямители УН. Например, для столба 5ГЕ600АФ, при работе его в качестве единичного выпрямителя, падение напряжения в прямом направлении составляет 800 В [7]!

Из вышесказанного следует, что элементы УН к тому же служат для питающего импульсного напряжения также и интегрирующей цепью, снижающей относительно входного напряжения величину среднего значения постоянного напряжения (при токе нагрузки 1 мА) до величины приблизительно 5 кВ на одно звено. Именно эти факторы и являются основными, оказывающими влияние на величину выходного напряжения УН, а не примерная арифметика.

Исторически применение в качестве выпрямителей в первых образцах УН для ТВ селеновых диодов было определено достигнутым на тот момент уровнем технологии, их низкой себестоимостью, а также мягкой электрической характеристикой, позволяющей включать последовательно практически неограниченное количество диодов.

Очевидно, что селеновые выпрямители в связи с большим внутренним сопротивлением лучше, чем кремниевые, переносят кратковременные перегрузки. По мере совершенствования технологии изготовления кремниевых диодов в УН ТВ стали применять кремниевые столбы типа КЦ106.

При ремонтах ТВ даже предварительная оценка возможного наличия дефектов в выпрямительных элементах УН авометром невозможна. Физический смысл этого явления заключается в том, что для открывания одного кремниевого диода к нему необходимо приложить в прямом направлении разность потенциалов порядка 0,7 В.

Если, к примеру, вместо столба КЦ106Г использовать эквивалент из отдельно взятых диодов КД105Б (иобр=400 В), то для получения обратного напряжения 10 кВ потребуется цепочка из 25 последовательно включенных диодов, в результате чего необходимое напряжение для их открывания составит 17,5 В, а авометр позволяет приложить только 4,5 В!

Единственное, что можно однозначно констатировать после измерения УН авометром, – при проверке исправного УН стрелка омметра не должна отклоняться при измерении сопротивления между любыми его электродами.

Простое решение для предварительной проверки на работоспособность элементов УН методом вольтметра было предложено в [8]. Суть предложения заключается в использовании для этой цели дополнительного источника (A1) постоянного напряжения (ИПН) 200…300 В и авометра, работающего в режиме вольтметра постоянного тока на пределе 200.300 В. Измерения производят следующим образом.

Авометр включают (рис.11) последовательно с одноименным полюсом ИПН и испытываемым выпрямительным столбом или УН. Алгоритм проверки.

Рис. 11. Схема включения авометра к выпрямительному столбу.

Если при измерении диода в противоположных направлениях показания вольтметра:

• существенно различаются, то он исправен;
• равны максимальному напряжению ИПН, то он пробит;
• малы, то он оборван;
• промежуточные величины говорят о наличии в нем значительных утечек.

Пригодность элементов испытываемого выпрямителя определяются эмпирически для конкретной марки статистическим методом сравнения с величинами падения напряжений, полученных практически при измерениях в прямом и обратном направлении исправного, аналогичного по марке столба или диода УН.

Радиолюбителям, которые занимаются ремонтом телевизионной техники на дому у заказчика, для предварительной проверки на работоспособность элементов УН методом вольтметра удобнее (исходя из массогабаритных размеров) использовать схему, показанную на рис.12 и предложенную в [12], которая питается через токоограничительные конденсаторы от сети 220 В.

Рис. 12. Схема питания с токоограничительными конденсаторами.

Схема хорошо зарекомендовала себя на практике, а по схемотехнике является выпрямителем с удвоением напряжения. Алгоритм измерений тот же. Эту же схему можно использовать и для устранения некоторых типов межэлектродных замыканий (“прострела”) в кинескопе.

Довольно часто спрашивают, можно ли вместо УН8.5/25-1,2 устанавливать УН9/27-1,3? Совет один: можно, но осторожно! Все зависит от остроты возникшей проблемы и модификации телевизора. Для сравнения рассмотрим схемы

УН8.5/25-1,2 (рис.8) и УН9/27-1,3 (рис.9). Из схем УН видно, что в принципе прямая замена возможна, а обратная нет, так как они имеют разное количество входящих радиокомпонентов.

Поэтому при установке УН9/27-1,3 в ТВ УЛПЦТ поступают следующим образом: замыкают между собой выводы входа для импульсного напряжения и вывода “V”; провод от ТВС припаивают к соответствующему входу УН9/27; провод со знаком “земля” подсоединяют по кратчайшему расстоянию ко второму контакту ТВС; провод, идущий к варистору фокусировки, подсоединяют к выводу “+F”, причем штатный конденсатор фильтра фокусировки С23* (согласно заводской схеме на ТВ) можно отключить, поскольку его функцию может выполнить конденсатор С1 (рис.10), который установлен внутри УН. К выводу “+” подсоединяют высоковольтный провод с “присоской” и ограничительным резистором Rф.

Получившееся в результате такой замены некоторое улучшение качества изображения на экране ТВ говорит совсем не о том, что это результат замены!

Причина заключается прежде всего в том, что в УН9/27-1,3 в качестве вентилей использованы кремниевые столбы типа КЦ106Г, падение напряжения на которых в прямом направлении (как упоминалось ранее) существенно меньше, чем на столбах типа 5ГЕ600АФ, которые входят в состав УН 8. 5/25-1,2.

Именно на величину этой разницы и возрастает напряжение на выходе УН, а значит, и на втором аноде кинескопа, что и наблюдается визуально как увеличение яркости!

Кроме того, в ТВ УЛПЦТ при установке УН9/27-1,3 необходимо заменить штатную “присоску” с установленным внутри нее высоковольтным резистором 4,7 кОм Rф) “присоской” от ТВ 3УЦСТ с резистором 100 кОм. Rф выполняет три функции: является частью звена сглаживающего RC-фильтра для цепи высокого напряжения, образованного им и емкостью ак-вадага кинескопа Са (рис.9, 10), а также защитным резистором по постоянному току, ограничивающим его величину в цепи УН при случайных кратковременных межэлектродных пробоях внутри кинескопа (что в старых кинескопах происходит весьма часто и непредсказуемо).

Он же является и “сгорающим предохранителем”, защищающим ТВС при пробое диодов УН, когда переменное напряжение, поступающее от ТВС, практически замыкается на корпус через Са, величина реактивного сопротивления которой для токов строчной частоты достаточно мала.

Поэтому следует иметь в виду, что значительно меньшая величина суммарного внутреннего сопротивления УН9/27-1,3 при малой величине (или отсутствии по тем или иным причинам) Rф в случаях замены УН нежелательна, поскольку может привести при появлении вышеуказанных неисправностей как к выходу из строя ТВС, так и к возгоранию самого ТВ.

Практические рекомендации по “ремонту” УН8/25-1,2 описаны в [8]. Суть “ремонта” заключается в высверливании с помощью сверла диаметром 6 мм вышедшего из строя VD1 (рис.9) и замену его диодом, расположенным снаружи Ун.

Из неработоспособных в ТВ УН при определенном навыке и аккуратности можно “добыть” (если повезет) высоковольтные конденсаторы, которые могут еще послужить для срочного ремонта ТВ модификаций УЛПЦТИ или УПИМЦТ или для экспериментов с другими конструкциями.

Для этого вначале аккуратно разбивают молотком корпус УН и освобождают от компаунда корпуса конденсаторов, а затем отделяют последовательным откалыванием с помощью боко-резов их выводы от взаимных соединений и остатков компаунда. Практические разборки трех экземпляров каждой марки УН показали, что в УН8/25-1,2 конденсаторы имеют на корпусе маркировку К73-13 2200×10 кВ.

В УН9/27-1,3 (рис.10), который по сравнению с УН8/25-1,2 имеет большее число элементов, но меньшие габаритные размеры, использованы конденсаторы (судя по технологии изготовления и материалу, из которого они изготовлены) того же типа (маркировка на корпусах не нанесена), которые конструктивно выполнены в виде трехвыводной (диаметром 16 мм) сборки (С2, С4 – рис.10) из конденсаторов емкостью по 1000 пФ, и четырехвыводной (С1, С3, С5 – рис.10) сборки диаметром 18 мм. Причем С1 имеет емкость 2200 пФ, а С3, С5 – по 1000 пФ. Обе сборки имеют длину 40 мм.

Медицина

Одним из “экзотических” примеров применения УН в медицинской аппаратуре является его использование в конструкции электроэффлювиальной люстры (ЭЛ), которая предназначена для получения потока отрицательных ионов, оказывающих благоприятное воздействие на дыхательные пути человека.

Для получения высокого отрицательного потенциала для излучающей части генератора аэроионов использован УН с отрицательным выходным напряжением. Из-за достаточно большого объема [2, 11] вспомогательной информации рекомендации по конструкции и применению ЭЛ выходят за рамки настоящей статьи, поэтому ЭЛ упомянута только информативно.

Детали к схемам

Спецификация к рисункам:

• к рис.2: С1-С4 – К50-20;
• к рис.6: С1-С2 – КВИ-2;
• к рис.7: С1, С2 – МБГЧ; С3-С5 – КСО-2;
• к рис.10: С1-С6 – К15-4;
• к рис.12: С1, С2 – К42У-2, С3, С4 -К50-20.

С.А. Елкин, г. Житомир, Украина. Электрик-2004-08.

Литература:

1. Елкин С.А. Бесстартерный запуск ламп дневного света//Э-2000-7.
2. Иванов Б. С Электроника в самоделках. М.: ДОСААФ, 1981.
3. Казанский И.В. Усилитель мощности КВ радиостанции//В помощь радиолюбителю. – Выпуск 44. – М.: ДОСААФ, 1974.
4. Костюк А. Усилитель мощности для СВ радиостанции//Радиолюбитель. -1998. – №4. – С.37.
5. Кузинец Л.М. и др. Телевизионные приемники и антенны: Справ. – М.: Связь, 1974.
6. Поляков В.Т. Радиолюбителям о технике прямого преобразования. – М.: Патриот, 1990.
7. Пляц О.М. Справочник по электровакуумным, полупроводниковым приборам и интегральным микросхемам. -Минск: Высшая школа, 1976.
8. Сотников С. Неисправности умножителя напряжения и цепей фокусиров-ки//Радио. – 1983. – №10. – С.37.
9. Садченкова Д Умножители напря-жения//Радіоаматор. – 2000. – №12. -С.35.
10. Фоменков А.П. Радиолюбителю о транзисторных телевизорах. – М.: ДОСААФ, 1978.
11. Штань А.Ю, Штань Ю.А. О некоторых особенностях применения ионизаторов воздуха//Радіоаматор. – 2001. – №1. – С.24.
12. 12. Ященко О. Устройство для проверки и восстановления кинескопов//Радио. – 1991. – №7. – С.43.

Электрик-2004-09.

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.

 

Инверторы и умножители напряжения: схемы, принцип работы, назначение

Инверторы— это устройства, преобразующие постоянный ток в переменный. Изобразим упрощенную схему инвертора на биполярных транзисторах (рис. 2.87), где имеет место соотношение u_c1 = u_c2 = ½ u_вх

В схеме часто используют электролитические конденсаторы (большой емкости). Транзисторы работают в ключевом режиме:

включаются и выключаются поочередно. На выходе схемы возникает переменное напряжение.

Умножители напряжения

Васильев Дмитрий Петрович

Профессор электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Умножители напряжения преобразуют переменное напряжение в постоянное, причем выходное постоянное напряжение значительно превышает амплитуду входного переменного напряжения. Различают симметричные и несимметричные умножители напряжения.

Рассмотрим схему симметричного удвоителя напряжения (схему Латура) (рис. 2.88). Диоды включаются в разные полупериоды входного напряжения. В те полупериоды, когда u_вх< 0, включается диод D₁ и заряжается конденсатор С₁ в другие полупериоды (u_вх< 0), включается диод D₂ и заряжается конденсатор С₂.

Напряжения на конденсаторах при холостом ходе приближаются к амплитудному значению U_вx.m входного напряжения, поэтому u_вых= 2U_вx.m
Схема несимметричного удвоителя напряжения имеет вид, показанный на рис. 2.89.

Абрамян Евгений Павлович

Доцент кафедры электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

В отрицательные полупериоды входного напряжения (uвх 0) через диод D2 под действием суммы напряжений uвхи uc1, действующих согласно, заряжается конденсатор С2 до удвоенного амплитудного значения входного напряжения.

Аналогичным образом строят утроители (рис. 2.90, а), учетверители (рис. 2.90, б) и другие умножители напряжения.
В этих схемах напряжение на конденсаторе С₁ равно амплитудному значению входного напряжения, а на всех остальных конденсаторах — удвоенному амплитудному значению входного напряжения. Входное напряжение на такие умножители поступает обычно с вторичной обмотки трансформатора, и тогда такое устройство называют выпрямителем с умножением напряжения. Обычно они применяются в высоковольтных выпрямителях, потребляющих небольшой ток (единицы миллиампер), например для питания кинескопов телевизоров.

Рассмотренные ранее выпрямители являлись нерегулируемыми, так как величина выходного постоянного напряжения однозначно определялась входным напряжением выпрямителя.

Управляемые выпрямители позволяют регулировать выходное напряжение. Они, как правило, построены на основе однооперационных (обычных, незапираемых) тиристоров.

Для примера рассмотрим схему однофазного двухполупериодного управляемого выпрямителя со средней точкой (рис. 2.91).

Однофазного двухполупериодного управляемого выпрямителя

Если импульсы управления подаются сразу после появления на тиристорах положительных напряжений, то схема будет работать точно так же, как схема на диодах.
Изобразим временную диаграмму выходного напряжения для случая, когда импульсы управления подаются с некоторой задержкой по отношению к указанным моментам времени (рис. 2.92, жирная линия).

Васильев Дмитрий Петрович

Профессор электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Через tвкл обозначена указанная выше задержка. Часто временные диаграммы подобных схем изображают, откладывая по горизонтальной оси не время t, а величину ωt (ω — круговая частота). Тогда указанной задержке соответствует определенный угол αвкл сдвига по фазе между напряжением на тиристоре и импульсами управления, причем αвкл = ω · tвкл

Угол α_вкл называют углом управления. Для рассматриваемой схемы угол управления, как легко заметить, может изменяться в пределах от 0 до π (от 0 до 180 град. ). Чем больше угол управления, тем меньше среднее напряжение на выходе выпрямителя.

Пунктиром изображена временная диаграмма, соответствующая отсутствию задержки.

мир электроники – Умножитель напряжения

Электронные устройства

  материалы в категории

Ну многие, наверняка, слышали такое слово: умножитель. Некоторые даже знают как он выглядел в старых телевизорах… Да чего там знают: даже и меняли сами когда-то…

А вот как работает умножитель напряжения сейчас мы и разберемся.

---

Ну в общем-то по самому названию “умножитель напряжения” и так понятно что так  называют устройство, на выходе которого можно получить напряжение, в любое число раз превышающее напряжение на его входе.

Кстати: выпускаемые промышленность умножители так и маркировались: указывался  коэффициент умножения и выходное напряжение. Например УН9/27 обозначает: умножение в 9 раз, на выходе 27 кВольт.

Еще один момент: умножить можно лишь переменное напряжение, но на выходе мы получим уже постоянное. Другими словами, умножитель – это устройство, преобразующее переменное напряжение в постоянное, превышающее амплитуду входного переменного напряжения. К числу достоинств можно отнести небольшие габариты и массу, стабильность работы. К недостаткам же относятся низкий ток нагрузки, небольшой КПД и, как следствие, небольшая мощность. Умножители напряжения чаще применяют в устройствах, где не требуется значительный ток в нагрузке, но важно высокое напряжение. Самый яркий пример- применение умножителя в кинескопных телевизорах: с его помощью получают напряжение для аквадага кинескопа (25 кВ) и напряжение для фокусировки кинескопа (около 8 кВ).

Итак, начнем с простого: удвоитель напряжения. Схема на рисунке ниже:

В отрицательный полупериод входного напряжения конденсатор С1 заряжается до амплитудного значения входного напряжения – U_m.
Во время положительного полупериода начинает заряжаться С2 до значения U_C2 = U_m + U_C1 = 2U_m, т. е. на выходе получается удвоенное значение амплитуды входного напряжения. Все очень просто.

Если прилепить еще один диод с конденсатором, то получится утроитель напряжения:

В положительный полупериод С1 заряжается через VD1 до значения U_m. В следующий полупериод С2 заряжается через VD2 до значения, равного сумме напряжений на конденсаторе С1 и U_m, т. е. U_C2 = U_C1 + U_m = 2U_m.
В следующий (третий) положительный полупериод, когда прошла повторная зарядка С1 через диод VD1, диод VD2 закрывается, кондер С2 разряжается через диод VD3 на С3, зарядив последний до 2U_m, т. е. до удвоенного амплитудного значения. По окончанию заряда С1 нагрузка окажется под суммарным напряжением кондеров С1 и С3.
Поскольку на С3 удвоенное значение напряжения, на нагрузке выделяется напряжение U_вых = U_C1 + U_C3 = 3U_m.

Ну и так далее: добавляя по диоду с конденсатором получаем следующий коэффициент умножения.

Внимание: до амплитудного значения напряжения заряжается только первый конденсатор.
На каждом последующем напряжение больше на величину входного. Другими словами, необходимо обеспечить защиту схемы от электрического пробоя, т. е. использовать диоды и конденсаторы на соответствующее напряжение.

Об Умножителях Напряжения | PRACTICAL ELECTRONICS

Сегодняшняя статья посвящена рассмотрению основных схем умножителей напряжения, для самых различных электронных устройств и приведены их расчетные соотношения. Думаю, материал будет интересен тем радиолюбителям, которые занимаются разработкой приборов с применением умножителей напряжения.

В электронных схемах умножители напряжения нашли самое широкое применение, благодаря главным свойствам умножителей – возможности формировать высокое, до нескольких десятков и сотен тысяч вольт, напряжение при малых габаритах и массе. Еще одно их важное преимущество – простота расчета и изготовления.

Умножитель напряжения состоит из включенных определенным образом диодов и конденсаторов и представляет собой преобразователь напряжения переменного тока низковольтного источника в высокое напряжение постоянного тока.

Рассмотрим принцип его работы по рисунку ниже, на котором приведена схема однополупериодного умножителя.

Во время действия отрицательного полупериода напряжения конденсатор С1 заряжается через открытый диод VD1 до амплитудного значения приложенного напряжения Ua. Когда ко входу умножителя приложено напряжение положительного полупериода, конденсатор С2 через открытый диод VD2 заряжается до напряжения 2Ua. Во время следующего этапа – отрицательного полупериода – через диод VD3 до напряжения 2Ua заряжается конденсатор С3. И наконец, при очередном положительном полупериоде до напряжения 2Ua, заряжается конденсатор С4.

Очевидно, что запуск умножителя происходит за несколько периодов переменного напряжения. Постоян­ное выходное напряжение складывается из напряжений на последовательно включенных и постоянно подзаряжаемых конденсаторах С2 и С4 и составляет 4Ua.

Рассмотренный умножитель относится к последовательным умножителям. Существуют также параллельные умножители напряжения, для которых требуется меньшая емкость конденсатора на ступень умножения. На рисунке ниже приведена схема такого однополупериодного умножителя.

Наиболее часто применяют последовательные умножители. Они более универсальны, напряжение на диодах и конденсаторах распределены равномерно, можно реализовать большее число ступеней умножения Имеют свои достоинства и параллельные умножители. Однако такой их недостаток, как увеличение напряжения на конденсаторах с увеличением числа ступеней умножения, ограничивает их применение до выходного напряжения примерно 20 кВ.

Ниже на рисунках приведены схемы двухполупериодных умножителей. К достоинствам первого следует отнести следующие: к конденсаторам С1, СЗ приложено только амплитудное напряжение, нагрузка на диоды равномерна, достигается хорошая стабильность выходного напряжения. Второй умножитель отличают такие качества, как возможность обеспечения высокой мощности, простота в изготовлении, равномерное распределение нагрузки между компонентами и большое число ступеней умножения.

В таблице приведены типовые значения параметров и область применения умножителей напряжения.

При расчете умножителя следует задать его основные параметры: выходное напряжение, выходную мощность, входное переменное напряжение, требуемые габариты, условия работы (температура, влажность).

Кроме того, необходимо учесть некоторые ограничения: входное напряжение может быть не более 15 кВ, частота переменного напряжения ограничена в пределах 5…100 кГц, выходное напряжение – не более 150 кВ, интервал рабочей температуры от -55 до +125 С, а влажности – 0…100 %. На практике разрабатывают и приме­няют умножители с выходной мощностью до 50 Вт, хотя реально достижимы значения и в 200 Вт.

Выходное напряжение умножителя зависит от тока нагрузки. При условии, что входное напряжение и частота постоянны, оно определяется формулой:

Где I – ток нагрузки, А; N – число ступеней умножителя; F – частота входного напряжения, Гц; C – ёмкость конденсатора ступени, Ф. Задавая выходное напряжение, ток, частоту и число ступеней, из нее вычисляют требуемую емкость конденсатора ступени.

Эта формула приведена для расчета последовательного умножителя. В параллельном для получения того же выходного тока необходимая емкость меньше. Так, если в последовательном емкость конденсатора 1000 пФ, то для трехступенчатого параллельного умножителя потребуется емкость 1000 пФ / 3 = 333 пФ. В каждой последующей ступени такого умножителя следует применять конденсаторы с большим номинальным напряжением.

Обратное напряжение на диодах и рабочее напряжение конденсаторов в последовательном умножителе равно полному размаху входного напряжения.

При практической реализации умножителя следует уделить особое внимание выбору его элементов, их размещению и изоляционным материалам. Конструкция должна обеспечивать надежную изоляцию во избежание возникновения коронного разряда, который снижает надежность умножителя, приводит к выходу его из строя.

Если требуется изменить полярность выходного напряжения, то полярность включения диодов следует из­менить на обратную.

Умножители напряжения схема | Техника и Программы

До недавнего времени умножители напряжения недооценивали. Многие разработчики рассматривают эти схемы с точки зрения ламповой техно­логии, и поэтому упускают некоторые прекрасные возможности. Хоро­шо известно, каким удачным решением стало применение утроителей и учетверителей напряжения в телевизорах. К счастью, нам не надо ре­шать задачи, касающиеся рентгеновского излучения в ИИП, но схема умножения напряжения часто может быть полезна для дальнейшего со­кращения габаритов после того, как достигнут очевидный предел обыч­ными методами, использующими высокочастотную коммутацию и удале­ны трансформаторы, работающие с частотой 60 Гц. В других случаях умножители напряжения могут обеспечить изящный способ получения дополнительного выходного напряжения, используя одну вторичную об­мотку трансформатора.

Многие учебники подробно останавливаются на недостатках умножи­телей напряжения. Утверждается, что у них плохая стабильность напряже­ния и они слишком сложны. Констатация этих недостатков имеет под со­бой почву, но основана она на опыте применения ламповых схем, которые всегда работали с синусоидальными напряжениями с частотой 60 Гц. Свой­ства умножителей напряжения значительно улучшаются, когда они рабо­тают с прямоугольными, а не с синусоидальными напряжениями, и осо­бенно при работе с высокими частотами. При частоте переключения 1 кГц, и тем более при 20 кГц, умножитель напряжения заслуживает переоценки его возможностей. Учитывая, что для прямоугольного колебания пиковое и среднее квадратичное значение равны, конденсаторы в схеме умножите­ля имеют намного большее время накопления заряда, по сравнению со случаем синусоидальных колебаний. Это проявляется в повышении ста­бильности напряжения и улучшении фильтрации. Известно, что очень хо­рошая стабильность возможна и при синусоидальном напряжении, но толь­ко за счет конденсаторов большой емкости. Некоторые полезные схемы умножителей напряжения показаны на рис. 16.4. Два различных изображе­ния одной и той же схемы на рис. (А) показывает, что способ начертания схемы может иногда вводить в заблуждение.

Хотя стабильность теперь не является большой проблемой в умно­жителях напряжения, очень хорошая стабильность вовсе не обязательна в системе, где об окончательной стабилизации выходного постоянного напряжения позаботятся один или несколько контуров обратной связи. В частности, некоторые умножители напряжения очень хорошо работа­ют при 50-процентном рабочем цикле инвертора. Соответствующие ум­ножители напряжения рекомендуются в качестве нестабилизированного источника питания, обычно предшествующего схеме стабилизации с пет­лей обратной связи. Как правило, такое использование связано с преоб­разователем постоянного напряжения в постоянное. Например, напря­жение сети с частотой 60 Гц можно выпрямить и удвоить. Затем это постоянное напряжение используется в мощном преобразователе посто­янного напряжения в постоянное, который можно выполнить в виде импульсного стабилизатора. Заметьте, что этот метод дает возможность получить высокое выходное напряжение без трансформатора, работаю­щего на частоте 60 Гц.

Умножитель напряжения облегчает создание хорошего инвертора. Трансформатор инвертора лучше всего работает с коэффициентом трансформации около единицы. Значительные отклонения от этой вели­чины, особенно при повышении напряжения, часто приводят к появле­нию достаточно большой индуктивности рассеяния в обмотках транс­форматора, что вызывает неустойчивую работу инвертора. Так, те, кто экспериментировали с инверторами и преобразователями хорошо знают, что наиболее вероятным сбоем в работе даже простой схемы являются колебания, частота которых отличается от расчетной. А индуктивность рассеяния может легко привести к разрушению переключающих транзи­сторов. Этой проблемы можно избежать, применяя умножитель напря­жения, чтобы использовать трансформатор с коэффициентом трансфор­мации около единицы.

Рис. 16.4. Схемы умножителей напряжения. Обе схемы на рис. (А) электрически идентичны. Обратите внимание на допустимые и запре­щенные варианты заземления различных цепей – в некоторых случаях генератор и нагрузка не могут использовать одну и ту же точку зазем­ления.

Когда мы имеем дело с напряжениями синусоидальной формы, сле­дует помнить, что умножители напряжения оперируют с пиковым значе­нием напряжения. Таким образом, так называемый удвоитель напряжения, работающий с входным напряжением, имеющим эффективное значение 100 В, даст на выходе напряжение холостого хода 2 х 1,41 х 100 = 282 В. Таким образом, если емкость конденсаторов велика, а нагрузка относи­тельно небольшая, то результат больше похож на утроение входного эф­фективного значения напряжения. Подобное рассуждение справедливо и для других умножителей.

Если принять равными емкости всех конденсаторов и синусоидаль­ное напряжение на входе, то умножители напряжения должны иметь ве­личину (ocr не менее 100, где (0=2К /, рабочая частота выражена в гер­цах, емкость в фарадах, а – эффективное сопротивление в омах, соответствующее самой низкоомной нагрузке, которая может быть под­ключена. В этом случае выходное напряжение составит не менее 90% от максимально достижимого постоянного напряжения и будет относитель­но слабо изменяться. Для напряжения прямоугольной формы величина cocr может быть значительно меньше 100.

При выборе схемы умножения напряжения следует уделить внима­ние заземлению. На рис. 16.4, символ генератора обычно представляет вторичную обмотку трансформатора. Заметьте, что если один из выво­дов нагрузки должен быть заземлен, то в однополупериодных схемах возможно заземление одного вывода трансформатора, а в двухполупери­одных вариантах нет. Двухполупериодные схемы удобны для получения источников с двуполярным выходом, у которых один выход имеет поло­жительный потенциал относительно земли, а другой – отрицательный, и на каждом выходе имеется половина полного выходного напряжения.

Схемы, показанные на рис. 16.4(A), идентичны и являются двухполу­периодными выпрямителя с удвоением напряжения. Схема на рис. В представляет собой однополупериодный выпрямитель с удвоением на­пряжения. Схема рис. С работает как однополупериодный утроитель. Двухполупериодный учетверитель показан на рис. D, а однополупериод­ный учетверитель на рис. Е. Подобные умножители напряжения, нахо­дят широкое применение в телевизионных источниках питания обратно­го хода, обеспечивающих кинескопы высоким напряжением. Они используются также в счетчиках Гейгера, лазерах, электростатических сепараторах и т.д.

Хотя двухполупериодные умножители напряжения имеют лучшую стабильность и меньшие пульсации, чем однополупериодные, практи­чески различия становятся небольшими, если используются прямоу­гольные колебания высокой частоты. Используя конденсаторы большой емкости, всегда можно улучшить стабильность напряжения и уменьшить пульсации. Вообще, при частоте 20 кГц и выше, наличие у однополупе­риодных умножителей общей точки заземления оказывает определяю­щее влияние на выбор конструктора.

Соединяя большое число элементарных каскадов, можно получать очень высокие постоянные напряжения. Хотя этот способ не нов, ре­ально осуществить его, используя полупроводниковые диоды, оказалось проще, чем с прежними ламповыми выпрямителями, которые осложня­ли задачи изоляции и стоимости из-за цепей накала. Два примера много­каскадных умножителей напряжения показаны на рис. 16.5. Они умно­жают амплитудное значение входного переменного напряжения в восемь раз. В схеме на рис. 16.5А, ни на одном конденсаторе напряжение не превышает величины 2К Отличительной особенностью схемы, изобра­женной на рис. 16.5В является общая точка земли для входа и выхода. Однако номинальные напряжения конденсаторов должны постепенно повышаться по мере того, как они приближаются к выходу схемы. Хотя при частоте 60 Гц это приводит к увеличению габаритов и стоимость, но при высоких частотах эти недостатки менее чувствительны. Диоды в обе­их схемах должны выдержать пиковое входное напряжение Е, но для на­дежности следует применять диоды с номинальным напряжением, по крайней мере, в несколько раз выше, чем Е, В этих схемах обычно ис­пользуются конденсаторы, имеющие одинаковые емкости. Чем больше емкость конденсаторов, тем лучше стабильность и меньше пульсации. Однако конденсаторы большой емкости накладывают повышенные тре­бования к диодам в отношении максимальных значений токов.

Схема, показанная на рис. 16.6, оказалась очень полезной для при­менения в электронике. Заметьте, что она работает от однополярной последовательности импульсов. Это схема умножителя напряжения Кок-рофта-Уолтона, которая часто встречается в литературе. Хотя все кон­денсаторы могут иметь одну и ту же емкость и одно и то же номиналь­ное напряжение Е, но лучше воспользоваться следующим подходом:

Сначала рассчитываем емкость выходного конденсатора

где /q — выходной ток в амперах, а / – длительность однополярного им­пульса в микросекундах. Пусть в качестве примера = 40 мА. Если Вы принимаете, что частота равна 20 кГц, то t составляет половину величи­ны обратной 20 кГц, или

В качестве напряжения V принимается максимальная величина пульсаций. Разумной можно считать величину 100 мВ, тогда

Рис. 16.5. Два варианта многокаскадного умножителя напряжения. (А) В этой схеме ни на одном конденсаторе нет напряжения выше 2Е. (В) Особенностью этой схемы является общая точка заземления для входа и выхода. , следующие: 2/2-2, 2/2-4, 2/2-6, 2/2-8 и, наконец, для правого замыкающего конденсатора 2/2-10.

Рис. 16.6. Умножитель напряжения на шесть, работающий от источ­ника однополярных импульсов. Назначение чисел рядом с конденса­торами объяснено в тексте.

То, что конденсаторы около входа имеют большую емкость, чем те, ко­торые ближе к выходу, связано, с перекачкой заряда, который естественно должен быть достаточно большим на входе. В течение одного цикла про­исходит 2/2—1 переносов заряда. При каждом из таких переносов, происхо­дит естественная потеря энергии. Эти потери энергии минимальны, если емкости конденсаторов рассчитаны так, как было сказано выше.

Первое испытание любого умножителя напряжения должно прово­диться с переменным автотрансформатором или с каким-нибудь другим устройством, позволяющим плавно повышать входное напряжение. В противном случае скачком тока могут быть разрушены диоды. Строгость соблюдения этого правила зависит от таких факторов, как емкость кон­денсаторов, уровень мощности, частота, ESR конденсаторов и, конечно, номинальный пиковый ток диодов. Возможно, на входе умножителя не­обходимо поместить терморезистор, или резистор, включаемый с помо­щью реле. С другой стороны, во многих случаях можно обойтись вообще без защиты, потому что вполне доступны диоды, работающие с большими пиковыми токами. Иногда, защита «невидима», например, трансформатор на входе просто не может обеспечить большой скачок тока.

При работе с высокими напряжениями величина прямого падения напряжения на диодах не существенна. При низком напряжении накап­ливающееся падение напряжения на диодах может помешать достиже­нию требуемого выходного напряжения и существенно понизить к.п.д. умножителя напряжения. Следует убедиться, что время обратного вос­становления диодов совместимо с частотой входного напряжения. Ина­че, рассчитанный коэффициент умножения напряжения будет «загадоч­но» отсутствовать.

Как работает умножитель напряжения?

Если вам нужно высокое напряжение, умножитель напряжения – один из самых простых способов его получить. Умножитель напряжения – это специальный тип выпрямительной схемы, которая преобразует переменное напряжение в более высокое постоянное напряжение. Изобретенные Генрихом Грайнахером в 1919 году, они использовались в конструкции ускорителя элементарных частиц, который произвел первый искусственный ядерный распад, так что вы знаете, что они имеют в виду бизнес.

Теоретически выходной сигнал умножителя представляет собой целое число, умноженное на пиковое входное напряжение переменного тока, и, хотя они могут работать с любым входным напряжением, в основном умножители напряжения используются при очень высоких напряжениях порядка десятков тысяч или даже миллионов вольт, необходимы.Их преимущество в том, что они относительно просты в сборке и дешевле, чем эквивалентный трансформатор высокого напряжения с той же выходной мощностью. Если вам нужны искры для безумной науки, возможно, умножитель напряжения сможет их вам предоставить.

Как это работает?

Для работы схемы умножителя требуется источник питания переменного тока. Для простоты предположим, что одна сторона источника питания заземлена и остается под нулевым потенциалом, а другая имеет значение между плюсом и минусом U (в примере 100 В).Вот что происходит:

1. Конденсатор C ₁ заряжается через диод D ₁ при напряжении U (100 В) источника питания, которое находится на его отрицательном пике. Обратите внимание, что это приводит к тому, что конденсатор будет положительным с правой стороны и отрицательным с левой стороны. Желтая линия указывает направление тока
2. Теперь у нас есть +100 В на верхней стороне источника питания, и это напряжение добавляется к напряжению C ₁ , которое было заряжено на предыдущем шаге. Следовательно, конденсатор C2 заряжается через D ₂ до 200 В или 2U (100 В от источника питания плюс 100 В от C2).
3. Заряд, хранящийся в C ₁ , использовался в предыдущем цикле для зарядки C ₂ , поэтому теперь C ₁ заряжается через D ₁ , как на этапе 1. Также конденсатор C ₃ заряжается через D ₃ по 2U. Почему 2U? Поскольку, поскольку C ₁ разряжен, точка «a» на схеме имеет нулевой потенциал, а C ₃ видит 200 В C2.
4. Источник питания снова находится на положительном пике, и теперь C2 заряжается, как на шаге 2.В то же время конденсатор C ₄ заряжается до 200 В, потому что это разность потенциалов, которую он видит: 400 В на его положительной стороне (100 В источника питания плюс 100 В конденсатора C ₁ плюс 200 В конденсатора C ₃ ) и 200 В на его отрицательной стороне, что составляет потенциал C ₂ .

Как мы видим, мы закончим с 400 В между землей и выходом (точки a и b на последнем рисунке), эффективно увеличивая напряжение питания в четыре раза.

Это идеализированное объяснение, и, как вы можете догадаться, реальность всегда сложнее.Например, конденсаторы не заряжаются мгновенно, поэтому они не достигают полного напряжения до тех пор, пока не пройдут несколько циклов, в зависимости от зарядного тока, который может обеспечить источник питания.

Множитель, который мы только что обсудили, состоит из двух этапов. Каждый каскад образован двумя конденсаторами и двумя диодами, и каждый из них добавляет двойное напряжение источника питания, так, например, пятиступенчатый умножитель будет иметь выходное напряжение в десять раз больше входного напряжения. Обратите внимание, что каждый компонент в цепи видит максимум вдвое больше пикового входного напряжения, обеспечиваемого источником, поэтому вы можете использовать компоненты с низким напряжением и много каскадов для получения очень высокого выходного напряжения.

Однако выходное напряжение упадет, как только вы подключите нагрузку к цепи в соответствии с этой формулой. Здесь мы видим, что нам нужна высокая частота и большая емкость, чтобы минимизировать падение напряжения, и что это падение увеличивается с током, а также очень быстро с количеством ступеней. Фактически, поскольку это зависит от куба числа ступеней, умножитель с десятью ступенями имеет падение напряжения в 1000 раз больше, чем умножитель с одной ступенью.

Другая ситуация, которая возникает при наличии очень высоких напряжений, – это коронный разряд, который представляет собой электрический разряд, возникающий, когда напряженность электрического поля вокруг проводника достаточно высока.Корона действует как нежелательная нагрузка на умножитель, уменьшая выходную мощность. Один из способов минимизировать коронный разряд – уменьшить кривизну проводов, избегая острых углов, выступающих точек и проводов малого диаметра. По этой причине используются наконечники и проводники большого диаметра. Это, конечно, усложняет конструкцию умножителей очень высокого напряжения, но в то же время объясняет их впечатляющий внешний вид, как на изображении.

Самодельный умножитель напряжения от [rmcybernetics] Изготовление умножителя напряжения для получения высокого напряжения – популярный проект, который довольно прост, если напряжение не слишком высокое, чтобы корона могла создавать проблемы.Все, что вам нужно, помимо источника питания переменного тока, такого как неоновый трансформатор, – это высоковольтные диоды и конденсаторы. Практическое применение, среди прочего, включает рентгеновские аппараты, копировальные аппараты, ионизаторы воздуха и микроволновые печи. В верхней части спектра находятся множители, используемые для исследований в ускорителях частиц высотой несколько метров, которые могут достигать миллионов вольт.

Высоковольтный умножитель имеет давнюю историю в ускорителях элементарных частиц, и даже Нобелевская премия по физике была присуждена за исследования, которые стали возможными благодаря ему.Однако с появлением новых технологий, в частности радиочастотных квадрупольных систем, эти великолепные умножители были выведены из употребления. Нам их будет не хватать, и, конечно же, это не помешает вам создавать свои собственные.

Самодельный умножитель напряжения

Сделай сам – RMCybernetics

Использование умножителя напряжения – отличный способ сделать источник постоянного тока высокого напряжения. Очень легко генерировать высокое напряжение из легко доступных компонентов.

На этой странице содержится информация о том, где купить компоненты и как их подключить.Он также дает подробную информацию об источниках мини-источников питания высокого напряжения (инверторах), которые работают от батарей.

ВНИМАНИЕ: Устройство с очень высоким напряжением!

Вы можете увидеть, что статическое электричество высокого напряжения от этого устройства делает с куском односторонней оконной пленки в разделе экспериментов с сильным разрядом. Есть микроскопические изображения последствий и видеоклип взрывного действия!

Для повышения эффективности умножитель напряжения должен питаться от источника, уже имеющего относительно высокое напряжение.Доступны различные источники питания высокого напряжения с питанием от небольших батарей. Многие осветительные устройства содержат инверторы для питания электронных ламп, таких как люминесцентные лампы, лампы с холодным катодом и плазменные шары. Эти типы устройств обычно работают от 12 В постоянного тока и могут выдавать напряжение до 20 кВ переменного тока.

Источник питания с миниатюрной лампой с холодным катодом – ~ 1кВ

БП Plasma Globe – ~ 15кВ

Конденсаторы и диоды, необходимые для умножителя, можно приобрести в нашем магазине.

Конденсаторы и диоды могут быть расположены по-разному. Полуволновой метод является самым простым, поскольку требует меньшего количества компонентов, но двухполупериодная схема будет работать лучше. Если вы просто хотите, чтобы он заработал как можно скорее, вам подойдет полуволновой метод. На схемах ниже показано, как должны быть расположены компоненты.

На приведенной выше схеме выводится положительное напряжение постоянного тока относительно земли (GND). Если требуется отрицательный выход, полярность диодов должна быть обратной.вы можете узнать больше о том, как работает умножитель напряжения, посетив страницу умножителя напряжения.

Для безопасности и повышения производительности умножитель напряжения должен быть помещен в защитный кожух, например, в трубу из ПВХ, заполненную маслом. На изображении слева показаны два выступающих винта, используемых для подключения входа переменного тока, а на другом изображении показана полированная монета, используемая для выхода высокого напряжения. Используя полиморф для герметизации концов трубы, ее можно заполнить маслом, чтобы предотвратить утечку коронным разрядом из внутренних соединений.Более надежным методом было бы заполнение трубы эпоксидной смолой, но это может оказаться трудным при компактном расположении компонентов.

Примеры экспериментов
Самодельный умножитель напряжения идеально подходит для питания двигателя EHD (он же подъемник). EHDT может быть изготовлен только из алюминиевой фольги, палочек и тонкой проволоки. Чтобы узнать, как это сделать, см. Страницу «Электрогидродинамическое подруливающее устройство».

Используя спрей для морозильной камеры (используется водопроводчиками), вы можете выращивать кристаллы льда на выходе HV с интересными результатами.

Более простые эксперименты со статическим электричеством см. В разделе «Эксперименты»

.

Введение в умножитель напряжения – инженерные знания

Здравствуйте, ребята, надеюсь, у вас все хорошо. В сегодняшнем руководстве мы рассмотрим Введение в умножитель напряжения . Умножитель напряжения также называется схемами преобразователя переменного тока в постоянный и преобразует меньшее значение входного сигнала в выходной сигнал постоянного тока высокого значения. Основными элементами схем умножителей напряжения являются диоды и конденсаторы.Эти схемы не новы для электронной промышленности, но используются уже много лет. В 1932 году Уолтон и Кокрофт создали первый умножитель напряжения, рассчитанный на восемьсот киловольт. Благодаря этому изобретению умножители напряжения стали очень важными для таких приложений, где требуются высокое напряжение и малый ток. Применение этих умножителей в наших схемах упрощается, так как сокращается использование трансформатора.

Поскольку эти схемы построены с диодом и конденсаторами, и эти компоненты соединены по-разному.Из-за такой схемы подключения умножители подразделяются на разные типы, такие как удвоитель, умножитель и умножитель напряжения. В сегодняшнем посте мы подробно рассмотрим его работу, схему и практическое применение. Итак, давайте начнем с Introduction to Voltage Multiplier.

Введение в умножитель напряжения

• Умножитель напряжения представляет собой схему выпрямителя, которая увеличивает амплитуду входного сигнала на выходных клеммах по сравнению с входным сигналом.
• Используя схемы усилителя, мы можем генерировать меньшее напряжение до более высокого значения для различных целей тестирования приборов.

Типы умножителей напряжения

• Перечислены 4 основных типа умножителей напряжения.
• Полупериодный удвоитель напряжения
• Двухполупериодный удвоитель напряжения
• Утроитель напряжения
• Учетверенный регулятор напряжения

Давайте обсудим их подробнее.

Полупериодный удвоитель напряжения

• Из названия этого умножителя видно, что выход этой схемы в два раза превышает амплитуду входного сигнала.
• Эта схема состоит из 2 диодов, 2 конденсаторов и источника переменного тока.
• Давайте обсудим эту схему для обеих половин входного сигнала.

Для положительного полупериода:

• Схема полуволнового удвоителя напряжения показана ниже.Когда положительная половина входного сигнала проходит через схему, диод D1 находится в состоянии прямого смещения, и через него течет ток.
• За счет этого тока диода D1 конденсатор С1 заряжается до пикового значения входного сигнала, которое составляет V _м.
• Пока диод D2 находится в состоянии обратного смещения, поэтому ток не будет проходить через конденсатор C2.

• Таким образом, когда положительная половина попадает в схему, заряжается только конденсатор C1, в то время как C2 остается незаряженным.

Для отрицательного полупериода:

• Когда отрицательная половина входного сигнала попадает на схему, тогда диод D1 находится в состоянии обратного смещения.
• Из-за обратного смещения диода D2 ток не будет проходить через конденсатор C2 и он не будет заряжаться.
• Пока заряд, накопленный в конденсаторе C1 во время положительного цикла, будет высвобожден.
• Но диод D2 находится в состоянии прямого смещения в течение отрицательного полупериода.Из-за прямого смещения диода D ₂ через него протекает ток и конденсатор C2 заряжается за счет тока диода D2.
• Заряд, накопленный на конденсаторе C2, будет равен 2V _m , потому что заряд на диоде C2 является суммой входного напряжения питания V _m и напряжения конденсатора C1.
• Итак, во время отрицательного полупериода напряжение на конденсаторе C2 возникает из-за входного источника и конденсатора C1, которое составляет 2 В _м .
• Если мы подключим нагрузку к схеме, то заряд, накопленный на конденсаторе C2, будет использоваться нагрузкой, а конденсатор C2 будет разряжаться.
• Когда следующий положительный полупериод проходит через диод D1 схемы, снова в условиях прямого смещения через него протекает ток, который будет накапливать заряд на конденсаторе C1, а C2 останется неизменным.
• Но заряд, накопленный (2V _m ) в конденсаторе во время первого цикла, был использован на выходной нагрузке.
• Итак, мы пришли к выводу, что напряжение, обеспечиваемое полуволновым удвоителем, составляет (2 В _м ), что означает, что вдвое больше входного напряжения.
• Итак, мы можем отметить, что конденсаторы C1 и C2 заряжаются и разряжаются в схеме полуволнового удвоителя для чередования полупериодов.

Двухполупериодный удвоитель напряжения

• Схема двухполупериодного удвоителя напряжения включает входной источник переменного тока, 2 диода и 2 конденсатора.

• На рисунке ниже показана схема двухполупериодного удвоителя.

Для положительного полупериода:

• Для положительного полупериода входного сигнала диод D1 находится в состоянии прямого смещения. Из-за прямого смещения через диод D1 будет протекать ток, который заряжает конденсатор C1 до пикового значения входного сигнала V _m .
• Пока диод D2 находится в состоянии обратного смещения для положительного полупериода сигнала.
• Из-за обратного смещения ток не будет протекать через диод D2 и конденсатор C2 останется незаряженным.

Для отрицательного полупериода:

Voltage Tripler

• Если мы подключим еще один конденсатор и диод в цепи полуволнового удвоителя, то у нас будет схема тройника напряжения.

Для первого положительного полупериода:

• Для первого положительного полупериода входного переменного сигнала диод D1 находится в состоянии прямого смещения, в то время как другие два диода D2 и D3 находятся в состоянии обратного смещения.
• Из-за диода D1 через схему протекает ток, который заряжает конденсатор C1 до значения Vm.

Для отрицательного полупериода:

• Для отрицательного полупериода диод D2 находится в состоянии прямого смещения, а диоды D1 и D3 находятся в состоянии обратного смещения.
• Ток D2 будет заряжать конденсатор C2 до значения напряжения, удвоенного входного напряжения (2V _m ).

• Пока заряд, накопленный в конденсаторе C1, разряжен.Напряжение конденсатора C1 и напряжение входного сигнала Vm отображаются на конденсаторе C2.

C _V1 + входное напряжение = (V _м + V _м = 2V _м)

для 2 ^nd положительный полупериод:

• для 2 Положительный полупериод ^и сигнального диода D3 находится в состоянии прямого смещения, в то время как другие диоды D1 и D2 находятся в состоянии обратного смещения.
• D1 находится в состоянии обратного смещения, поскольку напряжение в точке «X» является отрицательным из-за напряжения Vm на конденсаторе C1, а D2 находится в состоянии обратного смещения из-за его расположения по направлению.
• Из-за этого напряжение (2В _м ) около конденсатора С2 выйдет из строя. Из-за заряда, высвобождаемого конденсатором C2, C3 будет заряжен со значением напряжения около 2V _м.
• На приведенном выше рисунке вы можете видеть, что конденсаторы C1 и C3 соединены последовательно, и выход может достигать этих конденсаторов.
• Значение напряжения на конденсаторе C1 составляет Vm, а напряжение на C3 – (2Vm), поэтому общее напряжение на выходных клеммах будет равно сумме напряжений обоих конденсаторов.

(C ₁ + C ₃ = V _m + 2V _m = 3V _m)

• Из приведенного выше уравнения можно сделать вывод, что выходное напряжение для этой схемы равно 3V. _м , что является трехкратным входным сигналом.

Счетверитель напряжения

• Если мы включим одну пару диода и конденсатора в схему тройника, то мы получим учетверение напряжения.

Для I ^st положительный полупериод:

• Для I ^st положительный полупериод входного переменного тока, диод D1 находится в состоянии прямого смещения, в то время как другие три диода D2, D3 и D4 находятся в состоянии обратного смещения.
• Таким образом, ток будет течь через диод D1, и этот ток будет заряжать конденсатор C1 до пикового значения входного сигнала Vm.

Для I ^st отрицательный полупериод:

• Для I ^st отрицательный полупериод D2 находится в состоянии обратного смещения, а другие диоды D1, D3 и D4 находятся в состоянии обратного смещения.
• Ток будет течь из-за диода D2, и конденсатор будет заряжаться из-за этого тока.

• Значение напряжения на конденсаторе C2 будет вдвое больше входного сигнала (2 В _м ).
• Напряжение (2 Вм) на C2 связано с разрядкой конденсатора C1 и входным напряжением Vm.

Напряжение C1 + входное напряжение = (В _м + В _м = 2 В _м)

Для 2 ^nd положительный полупериод:

• Для 2 ^nd положительный полупериод диоды входного сигнала D1, D2 и D4 находятся в состоянии обратного смещения. Пока диод D3 находится в состоянии прямого смещения.
• Из-за отрицательного значения напряжения в точке «X» D1 находится в состоянии обратного смещения, но D2 и D4 находятся в режиме обратного смещения из-за их схем подключения.
• Значит, конденсатор C2 высвободит заряд, равный 2 Вм. Этот высвободившийся заряд хранится на пластинах C3, и напряжение на C3 будет 2 В _м .

Для 2 ^{-го отрицательного полупериода} :

• Для 2-го отрицательного полупериода ^-го диодов входного сигнала, D2 и D4 находятся в условиях прямого смещения, в то время как D1 и D3 находятся в режиме обратного смещения.
• Из-за этого C3 освобождается, его заряд, и этот заряд будет накапливаться на C4, напряжение на C4 будет 2 Вм.
• В цепи вы можете видеть, что C2 и C4 соединены последовательно, и выход также проходит через эти конденсаторы.
• Поскольку напряжение на конденсаторе C2 составляет (2 Вм), а на C4 также 2 Вм, то чистый выходной сигнал будет равен сумме напряжений на этих двух конденсаторах.

(C ₂ + C ₄ = 2V _m + 2V _m = 4V _m)

Итак, друзья, это подробный пост о множителе напряжения. Я старался изо всех сил, чтобы упростить для вас, если у вас есть дополнительные вопросы о множителе напряжения, спрашивайте в комментариях.Спасибо за прочтение. Хорошего дня.

Автор: Генри

http://www.theengineeringknowledge.com

Я профессиональный инженер и закончил известный инженерный университет, а также имею опыт работы инженером в различных известных отраслях. Я также пишу технический контент, мое хобби – изучать новые вещи и делиться ими с миром. Через эту платформу я также делюсь своими профессиональными и техническими знаниями со студентами инженерных специальностей.

конденсатор – не работает умножитель напряжения

Как говорит Энди aka, ваши конденсаторы слишком малы.2 – n) – 2nV_ {f} $$

Дано:

• \ $ E_ {pk} \ $ пиковое напряжение на входе переменного тока ( не пиковое напряжение, а простое пиковое напряжение).
• \ $ I_ {load} \ $ – ток нагрузки.
• \ $ f \ $ – частота переменного тока на входе
• \ $ C \ $ – емкость ваших отдельных конденсаторов (в фарадах).
• \ $ n \ $ – количество ступеней в вашем множителе.
• \ $ V_ {f} \ $ – прямое напряжение ваших диодов.

Теоретическое выходное напряжение без нагрузки четырехкаскадного умножителя будет около 2900 В с учетом пикового напряжения на входе 365 В (пиковое) (230 В переменного тока.)

Любая нагрузка вызовет падение выходного напряжения и увеличит пульсации напряжения на выходе.

Вам нужно выяснить, будут ли дополнительные 300 вольт проблемой. Вам также необходимо выяснить, какой ток вы будете получать от своего высоковольтного выхода – это определит размер конденсаторов, которые вам понадобятся.

---

Я позаимствовал приведенное выше уравнение и описание из своего блога. Там больше о различных типах умножителей напряжения.

Я провел много своих экспериментов с конденсаторами емкостью 100 нФ при 50 Гц.Я обнаружил, что выход начинает сильно «проседать» всего за 3 этапа. Напряжение при использовании только «нагрузки» моего осциллографа (1МОм) было заметно ниже, чем при измерении выходного напряжения с помощью вольтметра (10МОм.)

Чтобы получить полезный умножитель напряжения на частоте 50 Гц, вы, вероятно, захотите использовать конденсаторы емкостью 1 мкФ. Альтернативой является использование более высокой частоты.

---

Я рекомендую вам подключить , а не , прямо к электросети. При любой емкости конденсатора, достаточно большой, чтобы быть полезным, прикосновение к любой части цепи было бы равносильно прямому прикосновению к сети.

Используйте как минимум изолирующий трансформатор. Если это невозможно, поместите все оголенные провода в коробку, чтобы вы не могли к ним прикоснуться.

Я проводил свои эксперименты при низком напряжении, используя трансформатор с 230 В на 9 В переменного тока. Вы можете выполнить любую настройку или тестирование при низком напряжении, а затем переключиться на высокое напряжение, когда сам умножитель будет работать правильно.

Основы схем удвоителя напряжения

Напряжение можно удвоить (и, следовательно, умножить на любую степень двойки с помощью каскадных устройств) с помощью чисто электронных средств 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 схемы удвоителя, но все удвоители напряжения и умножители имеют схожие принципы работы.

Удвоитель напряжения на коммутируемом 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 непрактичны. 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 одного входного терминала к противоположному выходному контакту.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 моста 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 схемы 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 используется в ускорителях частиц и для смещения в фотоумножителях. 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 – это один из многих типов зарядных насосов, названный в честь характерного способа, которым они нагнетают электрический заряд вдоль ряда трубчатых конденсаторов, каждый из которых сохраняет заряд до тех пор, пока не изменится полярность, 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 – это актив.

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 изменениями 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 требуется несколько выходов постоянного напряжения, зарядный насос намного компактнее и дешевле, чем линейный источник питания, который ограничен 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 зарядовая накачка.Другие приложения – это EEPROM и флеш-память.
Простая накачка заряда с меньшим количеством компонентов и без индуктора требует меньше места на печатной плате и более эффективна, 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 напряжения переменного тока (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 создания 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, возникающего в многоступенчатом оборудовании.

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.

Умножители напряжения

– Классификация и пояснение к блочной диаграмме

Что такое умножители напряжения?

Умножитель напряжения относится к электрической цепи, состоящей из диодов и конденсаторов, которая умножает или увеличивает напряжение, а также преобразует переменный ток в постоянный, умножение напряжения и выпрямление тока выполняется с помощью умножителя напряжения.Выпрямление тока из переменного в постоянный достигается с помощью диода, а увеличение напряжения достигается за счет ускорения частиц за счет продвижения высокого потенциала, создаваемого конденсаторами.

Умножитель напряжения

Комбинация диода и конденсатора составляет базовую схему умножителя напряжения; Вход переменного тока подается в схему от источника питания, где выпрямление тока и ускорение частиц конденсатором дает повышенное выходное напряжение постоянного тока. Выходное напряжение может во много раз превышать входное, поэтому цепь нагрузки должна иметь высокое сопротивление.

В этой схеме удвоителя напряжения первый диод корректирует сигнал, и его выход эквивалентен пиковому напряжению от трансформатора, выпрямленного как полуволновой выпрямитель. Знак переменного тока посредством конденсатора дополнительно обеспечивает получение второго диода, а с точки зрения постоянного тока, обеспечиваемого конденсатором, это заставляет выходной сигнал второго диода располагаться поверх первого. Таким образом, выходное напряжение схемы в два раза превышает пиковое напряжение трансформатора, за исключением падения напряжения на диоде.

Доступны различные схемы и идеи для создания умножителя напряжения практически любой переменной. Применение того же правила установки одного выпрямителя поверх другого и использования емкостной связи позволяет продвинуть ступенчатую систему вперед.

Классификация умножителя напряжения:

Классификация умножителя напряжения основана на соотношении входного напряжения к выходному, соответственно имена также даны как

• Удвоители напряжения
• Удвоители напряжения
• Счетверенные напряжения

Удвоители напряжения:

Цепь удвоителя напряжения состоит из двух диодов и двух конденсаторов, где каждая комбинация цепи диод-конденсатор имеет положительное и отрицательное изменение, а также соединение двух конденсаторов приводит к удвоению выходного напряжения для данного входного напряжения.

Удвоитель напряжения

Аналогично, каждое увеличение в комбинации диод-конденсатор умножает входное напряжение, где утроение напряжения дает Vout = 3 Vin, а учетверенное напряжение дает Vout = 4 Vin.

Расчет выходного напряжения

Для умножителя напряжения расчет выходного напряжения важен с учетом регулирования напряжения и важности процентной пульсации.

Vout = (sqrt 2 x Vin x N)

Где

Vout = выходное напряжение умножителя напряжения N ступени

N = no.ступеней (это количество конденсаторов, деленное на 2).

Применение выходного напряжения

• Катодно-лучевые трубки
• Рентгеновская система, лазеры
• Ионные насосы
• Электростатическая система
• Лампа бегущей волны

Пример

Рассмотрим сценарий, в котором выходное напряжение 2,5 кВ составляет требуется с входом 230 В, в этом случае требуется многоступенчатый умножитель напряжения, в котором D1-D8 дает диоды, и необходимо подключить 16 конденсаторов 100 мкФ / 400 В, чтобы получить 2.Выход 5 кВ.

По формуле

Vout = sqrt 2 x 230 x 16/2

= sqrt 2 x 230 x 8

= 2,5 кВ (приблизительно)

В приведенном выше уравнении 16/2 означает отсутствие конденсаторов / 2 дает количество ступеней.

2 Практические примеры

1. Рабочий пример схемы умножителя напряжения для получения высокого напряжения постоянного тока из сигнала переменного тока.

Блок-схема, показывающая схему умножителя напряжения

Система состоит из 8-ступенчатого умножителя напряжения.Конденсаторы используются для хранения заряда, а диоды – для выпрямления. Когда подается сигнал переменного тока, мы получаем напряжение на каждом конденсаторе, которое примерно удваивается с каждым каскадом. Таким образом, измеряя напряжение на ступени удвоителя напряжения 1 ^st и последней ступени, мы получаем необходимое высокое напряжение. Поскольку на выходе получается очень высокое напряжение, его невозможно измерить простым мультиметром. По этой причине используется схема делителя напряжения. Делитель напряжения состоит из 10 последовательно включенных резисторов.Выходной сигнал берется через два последних резистора. Таким образом, полученный результат умножается на 10, чтобы получить фактический результат.

2. Генератор Маркса

С развитием твердотельной электроники твердотельные устройства становятся все более подходящими для импульсных систем питания. Они могут обеспечить импульсным системам питания компактность, надежность, высокую частоту повторения и длительный срок службы. Развитие импульсных генераторов энергии с использованием твердотельных устройств устраняет ограничения обычных компонентов и обещает широкое использование импульсной технологии в коммерческих приложениях.Однако доступные сейчас твердотельные переключающие устройства, такие как MOSFET или биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT), рассчитаны только на несколько киловольт.

Для большинства импульсных систем питания требуется гораздо более высокое номинальное напряжение. Модулятор Маркса – это уникальная схема, предназначенная для умножения напряжения, как показано ниже. Традиционно искровые разрядники использовались в качестве переключателей, а резисторы – в качестве изоляторов. Следовательно, он имел недостатки в низкой частоте повторения, коротком сроке службы и неэффективности. В этой статье генератор Маркса, использующий твердотельные устройства, предлагается объединить достоинства как силовых полупроводниковых переключателей, так и схем Маркса.Он разработан для ионной имплантации источника плазмы (PSII) [1] и отвечает следующим требованиям:

Современный генератор Маркса с использованием полевого МОП-транзистора

Для считывания напряжения и периода времени, пожалуйста, обратитесь к сортировке экрана CRO.

• Из показанного выше низковольтного демонстрационного блока мы находим входное напряжение 15 вольт, 50% рабочий цикл в точке A идет (–Ve) также по отношению к земле. Следовательно, для высокого напряжения необходимо использовать высоковольтный транзистор. В ТЕЧЕНИЕ ЭТОГО ВРЕМЯ ВСЕ КОНДЕНСАТОРЫ C1, C2, C4, C5 ЗАРЯДАЮТСЯ, как показано на C, до 12 вольт каждый.
• Затем через соответствующий цикл переключения C1, C2, C4, C5 последовательно соединяются через полевые МОП-транзисторы.
• Таким образом, мы получаем (-Ve) импульсное напряжение 12 + 12 + 12 + 12 = 48 вольт в точке D

Применение генераторов Маркса – постоянный ток высокого напряжения по принципу генератора Маркса

Как мы знаем, с помощью генератора Маркса В принципе, конденсаторы располагаются параллельно для зарядки, а затем подключаются последовательно для выработки высокого напряжения.

Система состоит из таймера 555, работающего в нестабильном режиме, который выдает выходной импульс с коэффициентом заполнения 50%.Система состоит из 4 ступеней умножения, каждая из которых состоит из конденсатора, 2 диодов и полевого МОП-транзистора в качестве переключателя. Диоды используются для зарядки конденсатора. Высокий импульс от таймера 555 приводит в действие диоды, а также оптоизоляторы, которые, в свою очередь, подают запускающие импульсы на каждый полевой МОП-транзистор. Таким образом, конденсаторы подключаются параллельно по мере заряда до напряжения питания. Низкий логический импульс от таймера приводит к тому, что переключатели MOSFET находятся в выключенном состоянии, и, таким образом, конденсаторы подключаются последовательно.Конденсаторы начинают разряжаться, и напряжение на каждом конденсаторе складывается, создавая напряжение, которое в 4 раза превышает входное напряжение постоянного тока.

Центр творческой науки – доктор Джонатан П. Хэйр

Центр творческой науки – доктор Джонатан П. Хэйр

Эти схемы можно использовать для умножения и выпрямления переменного напряжения. Например, мы можем использовать их для увеличения напряжения от shake-a-gen, чтобы более эффективно зажечь светодиод.Чтобы светодиод загорелся, ему необходимо напряжение выше порогового значения (около 2 В). Мы можем использовать эти маленькие схемы для повышения напряжения, чтобы превысить этот порог, чтобы получить более яркий свет от светодиода. Это значительно увеличит светоотдачу светодиодов от источника напряжения, выходная мощность которого (например, shake-a-gen) в большинстве случаев немного ниже этого значения.

Показаны четыре схемы: две дают умножение x 2, x 3 и x 4 (и выпрямление постоянного тока) входного переменного напряжения.

Конечно, они не умножают напряжение магическим образом, это происходит за счет тока, который может подаваться на выходе, который соответственно падает.Итак, для заданной входной мощности P = V x I, P = мощность (ватты), V = напряжение (вольт) и I = ток (амперы), когда мы умножаем напряжение на x3, чтобы получить, скажем, 3V, тогда ток падает на треть. до I / 3 (без учета потерь и т. д.). Примечание: если вы потребляете только очень небольшой ток (скажем, от измерителя), вы можете очень эффективно умножить напряжение, но если вы пытаетесь запитать схему, которая потребляет гораздо больший ток, тогда вы можете быть ограничены в токе еще до того, как вы начнете. начните умножать напряжение – в этом случае эксперименты не удастся и видимого увеличения напряжения не будет.

Если вы используете эти схемы от источника высокочастотного напряжения (кГц – 100 кГц), тогда малосигнальные диоды 1N4148 будут работать лучше, чем более медленные кремниевые выпрямительные диоды (например, как 1N4002, предположительно, из-за их относительно высокой емкости перехода). Для цепей высокого напряжения, но низкой частоты (50 или 60 Гц) серия IN400X работает хорошо.

Примечание: НИКОГДА не используйте эти лестничные цепи непосредственно от сети 240 В.

Примечание: последняя цифра кода / маркировки кремниевого диода – это PIV (пиковое обратное напряжение), которое представляет собой напряжение торможения, на которое рассчитан диод (где X – PIV, деленное на 50, т.е.е. 1N4001 – это 50 В PIV диод, 1N4004 – 200 В PIV и т. Д.).

Для экспериментов с низким напряжением, таких как shake-a-gen, вы не хотите использовать обычные кремниевые диоды, поскольку 0,6 В будет потеряно из-за падения напряжения на каждом диоде. В этих экспериментах могут использоваться германиевые диоды (например, OA91 и т. Д.) Или, что еще лучше, диоды Шоттки – оба имеют очень небольшие прямые падения напряжения (и, следовательно, меньшие потери в цепи низкого напряжения). Примечание: германиевые диоды подходят только для низких напряжений и не могут пропускать большой ток (ок.только мА, но, вероятно, подходит для питания светодиода).

КАК ОНИ РАБОТАЮТ – первая схема на примере
Что-то вроде этого ….. в первой цепи (удвоитель напряжения), когда вход переменного тока отрицательный, тогда D1 включен, и первый конденсатор C1 заряжается с указанной полярностью (-V). Когда вход переменного тока становится положительным, D1 выключается, а D2 включает зарядку C2 последовательной суммой напряжения на C1 (V) и входного напряжения (также V). Это дает C2 напряжение V + V = 2V.D2 блокирует напряжение в отрицательном цикле и просто заряжает первый конденсатор C1. Напряжение на C2 также является выходной схемой, поэтому напряжение на выходе составляет 2 В, мы удвоили входное напряжение, на выходе теперь 2 В постоянного тока.

Типичные начальные значения будут зависеть от частоты переменного напряжения. Для shake-a-gen (очень низкие частоты) попробуйте использовать электролитические конденсаторы 10 В, 220 мкФ (следите за полярностью конденсатора, как показано на принципиальных схемах) и диоды Шоттки 1N5819.Типичной нагрузкой может быть мультиметр и / или слаботочный светодиод высокой яркости и большой последовательный резистор (скажем, 1,5 кОм) для ограничения тока. Вы можете весело провести время, экспериментируя!

Спасибо Джону Вагнеру из Хьюстона за обнаружение ошибки на схеме x4.

Схема для умножителя x2
Альтернативный множитель x2
Схема для умножителя x3
Схема для умножителя x4 Четыре схемы, выполненные на печатной плате в качестве испытательного стенда.Я использовал гнезда для наушников, чтобы устройство shake-a-gen (снабженное кабелем и штекером) можно было легко подключить и попробовать от одного умножителя к другому. В качестве нагрузки использовались слаботочный светодиод и последовательный резистор (1,5 кОм), их можно увидеть внизу каждой цепи. Контакты печатной платы на выходе также позволяют мультиметру измерять выходное напряжение умножителя.

Артикул:
их много, но карманный справочник Newnes Radio and Electronics Engineers, Keith Brindley, является полезным источником информации.

---

ЦЕНТР ТВОРЧЕСКОЙ НАУКИ

---

Д-р Джонатан Хэйр, Университет Сассекса,
Брайтон, Восточный Суссекс. BN1 9QJ

домой | дневник | что на | Резюме CSC | последние новости

---

.