Умножитель напряжения схема: Умножители напряжения

Умножитель напряжения, схемы умножителей напряжения

Умножитель напряжения будет проще понять, если начать с обычного однополупериодного выпрямителя. В этом выпрямителе, как обычно, напряжение на выходе больше действующего значения переменного напряжения на входе (выходе вторичной обмотки трансформатора) в √2 раз.

Выходное напряжение, как правило, уменьшается с ростом тока нагрузки. Для объяснения этого факта лучше всего воспользоваться понятием “постоянной времени”, которое описывает скорость заряда и разряда конденсатора C. Постоянная времени заряда невелика, ибо конденсатор заряжается в цепи, в которой ток течёт последовательно через вторичную обмотку трансформатора, резистор R и диод D. (Резистор R установлен для ограничения импульсного тока через диод. Общее сопротивление всех перечисленных элементов мало: сопротивление резистора не более 100 Ом, а диод в момент заряда конденсатора пропускает прямой ток, ибо включен в прямом направлении.

Разряд конденсатора осуществляется через нагрузку. Её общее сопротивление в сотни раз выше сопротивления зарядной цепи конденсатора. С уменьшением сопротивления разрядной цепи законно увеличивается ток разряда конденсатора и, соответственно, уменьшается выходное напряжение выпрямителя.

Описанный выше конденсаторный накопитель энергии используется в выпрямителях с умножением напряжения для увеличения выходного напряжения. Чем больше таких накопителей энергии конденсаторного типа используется в умножителях, тем в большее число раз выходное напряжение умножителя выше выходного амплитудного напряжения вторичной обмотки трансформатора.

Существуют различные схемы умножителей. Удвоитель напряжения, утроитель, учетверитель напряжения. Далее мы рассмотрим умножитель напряжения на четыре. Как понятно из определения, это устройство выдаёт на выходе напряжение, в 4 (почти) раза превышающее амплитудное напряжение на входе.

 

Схема умножителя напряжения

Можно заметить, что данный умножитель составлен из двух однополупериодных удвоителей напряжения путём их соединения между собой выводами, противоположными по полярности. На рисунке это явно выделено. Элементы обеих частей имеют одинаковое обозначение и отличаются только наличием штриха в обозначении. Для начала объяснения работы схемы установим, что при включении входное напряжение в точке А имеет отрицательную полярность. Конденсатор С1 при этом через диод D1 заряжается до амплитудного значения переменного напряжения. Следующий полупериод – напряжение меняет свою полярность и в точке А будет положительный потенциал по отношению к другому выводу вторичной обмотки трансформатора. Здесь произойдёт два момента. Конденсатор С2 будет заряжаться от вторичной обмотки через диод D2 и конденсатор С1. При этом он зарядится соответственно двойным напряжением. Ибо С1 последовательно соединён с обмоткой трансформатора. Второй момент – откроется диод D1′ и через него до амплитудного значения напряжения вторичной обмотки зарядится конденсатор С1′. Следующая отрицательная полуволна будет заряжать С2′ от вторичной обмотки через открытый в этот момент диод D2′ и конденсатор С1′.

Напряжение на выводах С2′, также как и на С2, составит двойное значение входного амплитудного. Всё, с этого момента схема “насытилась” и далее будут чередоваться, если можно так выразиться, два двойных момента.

В полупериод, когда открыт диод D2, напряжение конденсатора С1 складывается с напряжением с трансформатора и заряжает С2 до удвоенного напряжения. И тогда же открытый диод D1′ заряжает С1′. Когда полярность меняется, через диод D2′ до двойного напряжения (С1′ и обмотка тр-ра) заряжается C2′ и тогда же через диод D1 заряжается конденсатор С1.

Выходное напряжение всего устройства равно сумме напряжений конденсаторов С2 и C2′, каждый из которых заряжен до удвоенного амплитудного значения переменного напряжения вторичной обмотки трансформатора. (Резисторы R1 и R1′ имеют сопротивление десятки Ком и в основном служат для разряда конденсаторов после отключения нагрузки от работающего умножителя.

Такое устройство часто встречается в высоковольтных бестрансформаторных блоках питания ламповых радиопередатчиков. В них умножается непосредственно напряжение электросети.

 

Умножители напряжения из старых деталей

Статьи

В настоящее время многие популярные радиолюбительские устройства содержат в своем составе умножитель напряжения, преобразующий напряжение электрической сети 220 В в высокое напряжение 2000…4000 В. Это могут быть устройства, предназначенные для борьбы с тараканами, устройства для ионизации воздуха. Схемы таких устройств неоднократно были опубликованы в радиолюбительской литературе, например, в [1, 2].

В устройствах из [1, 2] для изготовления высоковольтного умножителя, который является основной частью этих конструкций, используют современные малогабаритные детали, поэтому габариты этих устройств незначительны. Однако следует отметить, что практически все малогабаритные высоковольтные детали, входящие в состав высоковольтного умножителя, являются достаточно дорогостоящими.

 

Часто нет необходимости в изготовлении малогабаритной версии этих устройств. В этом случае для изготовления умножителя напряжения можно использовать старые радиодетали, имеющие высокое рабочее напряжение – 600, 1000, 2000 В, но и большие габариты. Это могут быть старые конденсаторы типа МБГ, старые высоковольтные диодные столбы типа D1004-D1010 и им подобные радиодетали прошлого века, которые сейчас не используют в современной технике и продают на радиорынках по низким ценам. Стоимость устройств, выполненных с применением старых радиодеталей, тоже будет невысокой.

В простых умножителях высокого напряжения начальное напряжение для последующего умножения берется прямо из электрической сети 220 В. Однако в случае использования высоковольтных деталей для построения умножителей напряжения целесообразно использовать начальное напряжение умножения не из бытовой электрической сети, а повышенное в несколько раз, во столько, сколько смогут выдержать используемые высоковольтные детали. Использование повышенного входного напряжения на входе умножителя позволит сократить количество каскадов умножения и тем самым уменьшит количество используемых деталей для построения умножителя напряжения.

В простых умножителях высокого напряжения начальное напряжение для последующего умножения берется прямо из электрической сети 220 В. Однако в случае использования высоковольтных деталей для построения умножителей напряжения целесообразно использовать начальное напряжение умножения не из бытовой электрической сети, а повышенное в несколько раз, во столько, сколько смогут выдержать используемые высоковольтные детали. Использование повышенного входного напряжения на входе умножителя позволит сократить количество каскадов умножения и тем самым уменьшит количество используемых деталей для построения умножителя напряжения.

Наиболее просто первоначально “умножить” напряжение сети можно, используя резонансный метод, как это показано на рис.1. Как видно из этого рисунка, резонансный умножитель напряжения представляет собой последовательный контур, имеющий резонанс в области частот 50 Гц.

Следовательно, на элементах этого контура, на катушке или конденсаторе, будет повышенное напряжение. Оно будет тем выше, чем резонанс цепи будет ближе к частоте 50 Гц, которая используется в электрической сети. Однако необходимо избегать равенства частот резонанса сети и контура, так как в этом случае на элементах контура L1 и С1 будет чрезвычайно высокое напряжение, которое может привести к выходу этих элементов из строя.

В качестве катушки индуктивности L1 используют дроссель фильтра лампового телевизора или приемника. Дроссели фильтра сейчас практически нигде не применяют, и их стоимость на рынках низка. Вполне можно использовать в качестве L1 первичную обмотку малогабаритного сетевого трансформатора или анодную обмотку старого “звукового” трансформатора от лампового приемника или телевизора, или первичную обмотку ТВК. Емкость конденсатора С1 зависит от величины индуктивности L1 и желаемого первоначального напряжения на входе умножителя напряжения. Емкость конденсатора целесообразно подбирать экспериментально, начиная с небольших значений, например с 0,1 мкФ.

Резонансную частоту контура необходимо установить выше частоты электрической сети 50 Гц. Это скажется благоприятно на условиях работы катушки L1. Для большинства дросселей фильтра, используемых в старой аппаратуре для получения резонансного напряжения в пределах 600… 1000 В, емкость конденсатора С1 может находиться в пределах 0,25…2 мкФ. Конденсатор С1 должен иметь как можно большее рабочее напряжение, во всяком случае оно должно быть не менее, чем напряжение, существующее на конденсаторе во время резонанса.

Наибольшее напряжение будет на одном из элементов цепи, показанной на рис.1, причем на том элементе, который имеет более высокое сопротивление переменному току 50 Гц. В нашем случае, когда резонансная частота контура выше частоты сети, это будет конденсатор. На конденсаторе будет более высокое напряжение, чем на катушке индуктивности -это важное условие для надежной и долговременной работы этого элемента.

Как уже отмечалось, вполне реально получение напряжения на конденсаторе С1 в пределах 600. .. 1000 В. Это позволит в схеме из [1] использовать не учетвери-тель, а удвоитель напряжения. Простой удвоитель напряжения показан на рис.2. В схеме из [2] вместо умножения сетевого напряжения на 8 можно использовать утроение напряжения, существующего на конденсаторе С1 (см рис.1). Простой ут-роитель напряжения показан на рис.З. В некоторых случаях целесообразно использовать схему учетверения напряжения, которая показана на рис.4. Естественно, при конструировании подобных умножителей нельзя забывать, что они должны быть подключены к источнику высокого напряжения через токоограничивающие резисторы сопротивлением не менее 1 МОм. Это условие необходимо соблюдать для безопасности работы с высоковольтными источниками напряжения.

Но не всегда умножение напряжения сети на элементах резонансной цепи является оптимальным решением Иногда ситуация бывает иная. В распоряжении радиолюбителя есть много диодов и конденсаторов, которые имеют сравнительно низкое рабочее напряжение 200…300 В. В этом случае умножитель напряжения, собранный с их использованием, нельзя напрямую подключить к электрической сети 220 В. Ведь переменное напряжение электрической сети 220 В в пике при этом будет достигать 310 В! А это уже приведет к выходу из строя радиодеталей, используемых в этом умножителе напряжения!

В данном случае рационально использовать другой вариант: снизить напряжение на входе умножителя, но при этом увеличив количество умножающих цепочек. Напряжение на входе умножителя можно понизить, подключив этот умножитель напряжения к электрической сети через конденсаторный делитель напряжения, как это показано на рис.5. При этом соотношения емкостей, следовательно, и их реактивного сопротивления будут определять выходное напряжение на выходе делителя. Конечно, при увеличении числа умножающих цепочек габариты устройства возрастут. Но это может быть оправдано дешевизной используемых компонентов.

При построении умножителей напряжения следует помнить, что не рекомендуется соединять последовательно диоды и конденсаторы для увеличения их рабочего напряжения, поскольку надежность такой цепочки будет невелика. Надежнее для конструкции умножителя напряжения пойти по пути наращивания каскадов умножения.

Литература

1.    Таракан; таракан, тараканище//Левша. – 1991. – №9. – С.20.

2.    Белецкий. П. Умножитель – ионизатор воздуха//Радиолюбитель. – 1995. -№10. -С. 17.

И.Григорьев, Белгород

Умножитель напряжения

Устройство, в котором амплитуда напряжения на выходе теоретически в целое число раз выше, чем на входе. Схемы умножителей напряжения разделяются на симметричные и несимметричные.

01.09.2013

Электрошокер 50000В

Представлена схема мощного простого шокера. Я решил пойти самым простым путём и использовал мультивибратор, 2 транзистора, 2 резистора. Надёжно и просто…

Автор: dokichan

19 4.5

_[1]

---

Похожие статьи: 09. 10.2014

Соединение строчных трансформаторов

В данной статье я постараюсь описать способ создания устройства для получения сверхвысокого напряжения за счет практически одних только отечественных комплектующих, которые можно приобрести на любом рынке за гроши. Выходное напряжение выходит около сотни киловольт, которое является однозначно смертельным, но думаю мне не стоит рассказывать штатные меры предосторожности.

Автор: Nosferag

17 0

_[0]

---

Похожие статьи: 14.04.2015

Блок питания люстры Чижевского

Универсальный блок преобразования постоянного напряжения в переменное с регулируемой частотой и скважностью. Разрабатывался под люстру Чижевского, подходит и под индукционный нагрев, и под трансформатор Тесла. Таймер на включение/выключение питания. Схема умножителя напряжения.

Автор: Exxus

4 5

_[1]

---

Похожие статьи: 04.07.2018

Портативный генератор Маркса

Портативный 9-ти ступенчатый генератор Маркса-Аркадьева, питаемый от 1-й батарейки типа ААА(“Мизинчиковая”). Выходное напряжение – до 30 кВ.

Автор: Глеб2003

12 0

_[0]

---

Похожие статьи: Весь список тегов

Умножитель напряжения

Простой умножитель напряжения из доступных деталей можно собрать самостоятельно буквально за один вечер.  Эта совершенно необходимое устройство в любой радиолюбительской мастерской. Можно проверять не только материалы на пробой, но и проводить различного рода опыты и демонстрации. Помимо этого с помощью умножителя можно создавать электреты, а так же использовать умножитель в качестве источника питания для люстры Чижевского и ионолета. Не лишним стоит отметить опасность поражения электрическим током, разряды умножителя крайне опасны и в некоторых случаях смертельны. Соблюдайте требования техники безопасности при работе с источниками высокого напряжения. Схема умножителя представлена на рисунке 1.

Рис. 1 Принципиальная схема умножителя напряжения.

Это простая схема для преобразования низкого переменного  напряжения в высоковольтное постоянное напряжение. В отдельных каскадах переменное напряжение выпрямляется, а выпрямленные напряжения включаются последовательно и суммируются. Связь каскадов с источниками питания осуществляется через ёмкости или посредством взаимной индукции.  Умножитель строится из лестницы конденсаторов и диодов. В отличие от трансформатора такой метод не требует тяжёлого сердечника и усиленной изоляции, так как напряжения на всех ступенях равны. Используя только конденсаторы и диоды, генераторы такого типа могут преобразовывать относительно низкое напряжение в очень высокое, при этом оказываясь много легче и дешевле по сравнению с трансформаторами. Ещё одним преимуществом является возможность снять напряжение с любой ступени схемы, так же как в многоотводном трансформаторе.

Рис. 2 Умножитель перед заливкой во временном корпусе.

К конденсаторам и диодам особых требований нет и их характеристики могут быть в принципе любыми. Что касается радиолюбительских конструкций, не требующих особой точности. Следует отметить, что номиналы всех деталей должны быть одинаковыми, как и их характеристики. Так же компоненты должны выдерживать напряжение не менее 15кВ. Детали можно либо заказать в интернете, либо взять их высоковольтных блоков питания старых телевизоров, лазерных принтеров и различной техники, где используется высокое напряжение.

Рис. 3  Модель умножителя. 

  Для обеспечения надежной изоляции я применяю заливку эпоксидной смолой. Вначале собираем схему. Все соединения выполняются пайкой. Обратите внимание на то, чтобы все узлы пайки были гладкими, без острых концов олова. Именно в таких местах возможен риск пробоя и образования разряда. Очень важно сформировать выводы умножителя. Я использовал заводские проходные изоляторы из керамики. Вы можете использовать отрезки толстого провода или специальные терминалы. Это необходимо для экспериментальных устройств, когда требуется часто присоединять или отсоединять соединительные провода. После сборки – испытываем умножитель пониженным напряжением на предмет правильной сборки и работы умножителя.  Временный корпус для заливки склеиваем из листового пластика. Внутреннюю поверхность покрываем тонким слоем любой смазки. Это поможет легко разобрать временный корпус после отвердевания смолы. В дальнейшем я планировал использовать этот умножитель в сборке высоковольтного прибора, поэтому я заранее предусмотрел места крепления к корпусу. Для этого в определенных местах сверлим отверстие в дне временного корпуса, вкручиваем винты М3 и сверху затягиваем их гайками, либо как в моем случае, латунными стойками для радиоаппаратуры.  Укладываем на дно временного корпуса небольшие стойки, чтобы устройство не лежало на дне и после заливки его элементы не оказались оголенными. После проведения всех подготовительных манипуляций начнем заливку. Эпоксидную смолу следует подогреть для лучей текучести. В таком случае риск образования полостей воздуха гораздо меньше.

Рис. 4 После заливки эпоксидной смолой. 

После заливки следует убрать пузырьки воздуха. Для этого можно воспользоваться тонкой палочкой. В верхнем слое смолы пузырьки можно убрать кратковременным воздействием открытого огня.

Рис. 5  Пузырьки воздуха на поверхности заливки. 

После заливки следует оставить заготовку на сушку и отвердевание в сухом и теплом помещении не менее суток.

Умножитель – напряжение – Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 4

Умножитель – напряжение

Cтраница 4

В кодоупначляемом масштабном преобразователе необходима реализация зависимости ( Увых Um; поскольку JV1, то при UBUX – L / vxN получаем кодоуправляемый умножитель напряжения, а при вых UKX.  [46]

Выходной каскад строчной развертки отличается в основном тем, что напряжение для питания второго анода кинескопа создается в блоке БР-2 при помощи умножителя напряжения УН8 5 / 25 – 1 2, состоящего из пяти селеновых выпрямителей и четырех конденсаторов, заключенных внутри блока, и конденсатора ЗС23 на входе блока.  [47]

Если для получения постоянного тока высокого напряжения эксперимента тор не имеет подходящего трансформатора и высоковольтного кенотрона, то при наличии обычных кенотронов и высоковольтных конденсаторов можно осуществить схемы так называемых умножителей напряжения.  [49]

Такие схемы требуют применения сглаживающих фильтров, если необходимо получить источник постоянного тока с постоянным значением напряжения на выходе. Умножитель напряжения Кокроф-та – Уолтона, как это видно из главы 11, фиг.  [50]

Умножитель напряжения в 4 раза показан на рис. 10.17. Принцип работы схемы сходен с работой выпрямителя со средней точкой. Одновременно с этим, поскольку диод D не проводит ток, во втором полупериоде напряжение и2 суммируется с напряжением на конденсаторе С1; поэтому конденсатор С2 заряжается через диод D2 почти до удвоенного напряжения.  [52]

Отклоняющие токи строчной и кадровой частоты формируемые в блоке разверток A3, поступают через соединитель XI ( A3) на отклоняющую систему, а через Х4 ( Л / 3) – на блок сведения. С умножителя напряжения УН8 5 / 25 – 1 2А, установленного на блоке разверток, по высоковольтному кабелю поступает напряжение на анод кинескопа, а через соединитель Х7, закрепленный непосредственно на регуляторе фокусировки, напряжение подается на контакт 9 панели кинескопа.  [54]

Применение конденсаторов, способных накапливать и в течение некоторого времени сохранять электрический заряд, позволяет создавать схемы выпрямителей с умножением напряжения – схемы, выходное напряжение холостого хода которых в 2 раза и более превышает амплитудное значение напряжения на вторичноД обмотке трансформатора. С помощью умножителей напряжения дожно получить на выходе любое напряжение при использовании малогабаритных и недорогих приборов и деталей с низкими номинальными напряжениями. Такие схемы используются, например, для питания анодных цепей ЭЛТ, где требуется получить напряжение порядка нескольких десятков киловольт и токов порядка нескольких микроампер.  [56]

Так как надежность и долговечность умножителя напряжения выше, чем у кенотронов, то эксплуатационные характеристики телевизоров после такой модернизации оказываются более высокими. После подключения умножителя напряжения распределенная емкость, подключенная к анодной обмотке, и длительность обратного хода строчной развертки изменяются. При этом существовавшее в телевизоре соотношение между этой длительностью, высоким напряжением для кинескопа и амплитудой строчных отклоняющих токов тоже изменяется. Изменившийся из-за этого размер изображения необходимо скорректировать имеющимися в телевизоре регуляторами размера изображения по горизонтали и вертикали.  [57]

СЗ были не ниже 35 В, но конденсатор С1 может быть рассчитан на 16 В. Однако в схемах умножителей напряжения целесообразнее всего применять одинаковые конденсаторы и преимущественно такие, которые выпускаются одним и тем же предприятием-изготовителем.  [58]

Благодаря небольшому внутреннему сопротивлению умножителя напряжения УН8 5 / 25 – 1 2А схема стабилизации динамического режима с варистором R48 выполняет роль и стабилизатора высокого напряжения.  [59]

Страницы:      1    2    3    4

Умножитель напряжения

                                     

1. Устройство

Умножитель напряжения преобразует переменное, пульсирующее напряжение в высокое постоянное напряжение. Умножитель строится из лестницы конденсаторов и диодов. В отличие от трансформатора такой метод не требует тяжёлого сердечника и усиленной изоляции, так как напряжения на всех ступенях равны.

Используя только конденсаторы и диоды, генераторы такого типа могут преобразовывать относительно низкое напряжение в очень высокое, при этом оказываясь много легче и дешевле по сравнению с трансформаторами. Ещё одним преимуществом является возможность снять напряжение с любой ступени схемы, так же как в многоотводном трансформаторе.

В отсутствии нагрузки, на выходе n секционного несимметричного умножителя создаётся напряжение: U вых = 2 U вх n где

• U вых – выходящее постоянное напряжение.
• U вх – амплитуда входящего переменного напряжения,
• n – число каскадов

При подключении нагрузки, конденсаторы будут периодически разряжаться и заряжаться. В результате, напряжение на выходе схемы окажется несколько ниже, чем 2 n U вх и не будет оставаться постоянным.

В общем случае соблюдается соотношение:

U Bых = 2 n U B X − I H ω C ⋅ 2 3 n 3 + 1 4 n 2 − 1 6 n {\displaystyle 2n\ U_{BX}-{\frac {I_{H}}{\omega C}}\cdot {\frac {2}{3}}n^{3}+{\frac {1}{4}}n^{2}-{\frac {1}{6}}n}

где

ω {\displaystyle \omega } – частота входного напряжения, I H {\displaystyle I_{H}} – ток через нагрузку, C {\displaystyle C} – емкость конденсатора.

Можно заметить, что при малых значениях n {\displaystyle n} выходное напряжение растет почти пропорционально числу каскадов. При увеличении n {\displaystyle n} этот рост замедляется и затем вообще прекращается. Очевидно, что делать умножители с числом каскадов большим, чем то, при котором достигается максимум умножения, не имеет смысла.

Несмотря на свои теоретические недостатки и ограничения, умножитель напряжения стал такой же классикой в электронной схемотехнике для получения высокого постоянного напряжения как и двухполупериодный выпрямитель диодный мост для получения постоянного тока из переменного. На принципиальных электрических схемах его даже не рисуют подробно, а изображают в виде специального значка. Промышленность выпускает очень широкий ассортимент модульных “умножителей напряжения” с заранее заданными параметрами, без которых не обходятся большинство устройств с ЭЛТ, появившихся до изобретения ТДКС: монитор, телевизор, индикатор радара или осциллографа.

Умножители напряжения. (Лекция 3) – презентация онлайн

1. УМНОЖИТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЯ

Электропитание систем связи
Лекция 3
Нетикова Л.И.
УМНОЖИТЕЛИ
НАПРЯЖЕНИЯ
ХНУРЭ факультет ТКВТ кафедра ТКС
Тема: Умножители напряжения
Цель лекции – изучить основные схемы умножителей, применяемые для
источников электрического питания (ИЭП) устройств электросвязи
Содержание:
• Классификация умножителей напряжения
•Симметричный умножитель – схема Латура
•Несимметричный умножитель 1-го рода (НУН-1)
•Несимметричный умножитель 2-го рода (НУН-2) схема 1
•Несимметричный умножитель 2-го рода (НУН-2) схема 2
Умножителем
напряжения
называется
выпрямительное
устройство, в котором с помощью диодно–емкостных ячеек формируется
постоянное напряжение
U 0 n U 2max
Umax 2 U2
Умножители напряжения
1 Симметричные (Схема Латура)
2 Несимметричные:
– несимметричные умножители 1-го рода (параллельные умножители НУН-1)
– несимметричные умножители 2-го рода (последовательные умножители НУН-2)
3 Сверхвысоковольтные генераторы (генераторы Маркса)
Электролитический конденсатор
Конденса́тор — двухполюсник с определённым значением ёмкости
и малой омической проводимостью; устройство для накопления энергии
электрического поля
Конденсатор в цепи постоянного тока может проводить ток в
момент включения его в цепь (происходит заряд или перезаряд
конденсатора), по окончании переходного процесса ток через конденсатор
не течёт, так как его обкладки разделены диэлектриком. В цепи же
переменного тока он проводит колебания переменного тока посредством
циклической перезарядки конденсатора, замыкаясь так называемым током
смещения.
Umax 2 U2
Схема Латура
VD1=VD2
C1=C2
C1=U2m
Umax 2 U2
fп = 2fc
Параллельные умножители напряжения, для которых требуется
меньшая емкость конденсатора на ступень умножения.
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.
Несимметричный умножитель 1го рода (НУН-1)
C1=U2m
C2=2U2m
C3=3U2m
C4=4U2m
U L 10 U 2max
fп = fc
Во время действия отрицательного полупериода напряжения
конденсатор С1 заряжается через открытый диод VD1 до амплитудного
значения приложенного напряжения Uа. Когда к входу умножителя приложено
напряжение положительного полупериода, конденсатор С2 через открытый
диод VD2 заряжается до напряжения 2Uа. Во время следующего этапа отрицательного полупериода – через диод VD3 до напряжения 2Uа заряжается
конденсатор С3. И, наконец, при очередном положительном полупериоде до
напряжения 2Uа 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 4Uа. Изображенный на рисунке умножитель относится к
последовательным умножителям.
Несимметричный умножитель 2-го
рода (НУН-2) схема 1
C1=U2m
C2=C3=…=Cn =
fп = f c
2 U 2max
Несимметричный умножитель 2-го
рода (НУН-2) схема 2
C1=U2m C2, C3=2U2m
fп = f c
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, полярность включения диодов следует изменить на
обратную.
Выводы
В умножителях напряжения с чётным числом диодно-емкостных ячеек
отсутствует подмагничивание сердечника силового трансформатора, поэтому их
можно включать в сеть без трансформатора.
Во всех схемах умножителей напряжения обратное напряжение на вентилях
диодно-емкостных ячеек равно двойному значению амплитуды входного
переменного напряжения.
С помощью диодно-емкостных ячеек возможно умножение напряжения путём
передачи запасённой конденсатором энергии от ячейки к ячейке с
наращиванием потенциала либо путём заряда последовательно включённых
конденсаторов до двойного напряжения.
Контрольные вопросы
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Способы получения повышенного напряжения.
Классификация умножителей напряжения.
Схема Латура. Особенности работы схемы.
Причины, которые могут привести к появлению в схеме Латура пульсаций,
равных частоте сети.
Схемы НУН-1, НУН-2. Особенности работы схем.
Чему равна частота пульсаций на нагрузке несимметричных схем
умножения напряжения?
Чему равно обратное напряжение на вентилях в несимметричном
умножителе напряжения первого рода?
Можно ли несимметричные умножители напряжения включать в сеть без
силового трансформатора?
Какие требования предъявляют к конденсаторам несимметричных
умножителей напряжения?
Подмагничивание сердечника силового трансформатора
Подмагничивание происходит ПОСТОЯННОЙ составляющей во вторичной
обмотке, т.е к переменному току добавляют (а в случае с первичной обмоткой
вычитают) постоянный ток.
Принцип трансформации основан на переменном магнитном поле, сцепленном
с витками катушки. Сердечник трансформатора – металл ферромагнетик
служит проводником магнитного потока. Все ферромагнетики имеют доменную
структуру, домен – маленький “магнитик” в составе кристаллической решетки
металла. Домен имеет южный и северный магнитные полюса и выстраивается
в металле по внешнему магнитному полю.
В переменном магнитном потоке (симметричном, синусоидальном) домены
вращаются с частотой тока в намагничивающей обмотке, грубо говоря сначала
все разворачиваются “на юг” (при положительно полуволне в обмотке), а потом
“на север” (при отрицательной полуволне).
При появлении постоянной составляющей, домены перестают до конца
поворачиваться на север (или на юг в зависимости от знака тока). Получается,
что амплитуда колебаний магнитного потока падает (домены вращаются не на
180 градусов, а на меньший угол), трансформатор входит в насыщение.
ЭДС генерируемая во вторичной обмотке: E = 4,44FwФ,
где F – частота в Гц, w – число витков в катушке вторичной обмотки, а Ф магнитный поток в сердечнике.
Т.е. при снижении потока падает и ЭДС, а для обеспечения повышенного
потока следует увеличить ток в намагничивающей обмотке.
В схемах выпрямления с чётным значением коэффициента фазности
m2 отсутствует подмагничивание сердечника силового трансформатора, так
как в фазных обмотках выпрямленные токи текут в противоположных
направлениях.
Усилитель / умножитель напряжения постоянного тока

– Codrey Electronics

Вам нравится идея высоковольтных электронных устройств искрообразования, но у вас нет времени или терпения, чтобы изучить сложную теорию? Вот простое руководство, которое поможет вам легко и дешево выполнить множество высоковольтных проектов. Поскольку концепция требует слаботочного источника высокого напряжения постоянного тока, прежде всего позвольте мне представить вам усилители / умножители постоянного напряжения.

Усилитель / умножитель напряжения

Традиционные и все еще широко используемые усилители / умножители постоянного напряжения основаны на простой двухчастной диодно-конденсаторной выпрямительной сети.Чтобы понять его основную работу, мы можем начать со следующей базовой схемы:

В приведенной выше схеме источника питания постоянного тока полуволнового выпрямителя (слева) на вход подается 230 В переменного тока, и схема выдает положительное выходное напряжение 325 В, что просто равно пиковому положительному значению вторичного напряжения трансформатора. На следующем рисунке (справа) вы можете увидеть традиционную схему умножителя напряжения, состоящую из двух частей, которая дает положительное выходное напряжение 650 В от входа переменного тока 230 В, обеспечиваемого вторичной обмоткой трансформатора.Обратите внимание, что здесь пиковое выходное значение формы сигнала равно размаху входного напряжения переменного тока, а конечное выходное напряжение постоянного тока равно размаху размаха (а не пиковому значению) входного переменного тока. напряжение (фактически сумма размаха и общего опорного напряжения).

Хотя мы можем улучшить эту идею, чтобы получить более высокий выход, повысив уровень опорного напряжения, есть серьезный недостаток. Когда мы соединяем несколько базовых схем, чтобы получить различные значения выходного напряжения, каждая секция генерирует отдельный выходной сигнал, в то время как выход первой секции действует как эталонное напряжение второй секции и так далее.Это создает заминку, поскольку нам нужны дорогостоящие конденсаторы с абсолютным минимальным номинальным напряжением, соответствующим напряжению на выходе и шинах заземления занятой секции. Это довольно умозрительно и непрактично!

Простое решение – попробовать это с веселой схемой умножителя напряжения «Кокрофта-Уолтона» (см. Следующий рисунок). Обратите внимание, что 10-ступенчатая версия этой модели при питании от входа 230 В переменного тока даст выход постоянного тока более 6000 В (6 кВ), но для компонентов, используемых на каждой ступени, требуется минимальное номинальное напряжение менее 1000 В (1 кВ). .

Схема умножителя напряжения «Кокрофта-Уолтона»

DIY просмотров

Ниже показан быстрый и простой способ построить схему генератора высокого напряжения, чтобы получить некоторый опыт. Он основан на значениях компонентов на основе того, что у меня было в наличии, и есть много возможностей для дальнейших испытаний (количество используемых секций будет определять окончательное выходное напряжение). Однако убедитесь, что компоненты могут безопасно работать с необходимыми уровнями напряжения. Конденсаторы в идеале должны быть керамического типа на 2 кВ (обычные значения – 1 нФ, 10 нФ и 100 нФ), и каждый диод должен иметь напряжение значительно ниже рекомендованного номинала.

Верхняя часть рисунка представляет собой принципиальную схему блока умножителя напряжения Кокрофта-Уолтона (CW), а нижняя часть изображает цепь источника переменного напряжения. В этом разделе силовой МОП-транзистор (T1) используется для управления повышающим трансформатором (X1), но для него требуется импульсный вход (~ 500 Гц) от внешнего источника. Любой микроконтроллер или уважаемая микросхема таймера 555 может быть сконфигурирована для работы в качестве генератора импульсов для управления мощным МОП-транзистором. Попробуйте…

Уловка, используемая здесь, состоит в том, чтобы управлять повышающим трансформатором с выхода низковольтного генератора (генератор прямоугольных импульсов с автономным режимом работы), который может обеспечить необходимое высокое напряжение переменного тока на своей выходной обмотке.Результирующее переменное напряжение затем можно легко умножить с помощью механизма умножения напряжения Кокрофта-Уолтона. Имейте в виду, что выходной импеданс умножителя напряжения Кокрофта-Уолтона довольно высок, и, следовательно, он может воспроизводить только небольшие выходные токи. Ниже вы можете увидеть схему генератора импульсов, использованную для моего испытания прототипа.

Схема генератора импульсов

Посмотрите откровенный снимок с моего рабочего места, пока я тестировал прототип макета,

и наращивание удвоителя напряжения (с конденсаторами <1 нФ)

Предупреждение: Хотя эксперименты, представленные здесь, в моей лаборатории прошли безупречно, я не могу нести ответственность за какие-либо ошибки, которые могут произойти с вами или вашими приборами при чтении этой статьи.Будьте готовы к опасным последствиям и чрезвычайным ситуациям!

Сравнительное исследование симметричных умножителей напряжения Кокрофта-Уолтона

Спустя десятилетия после изобретения умножителя напряжения Кокрофта-Уолтона он по-прежнему используется в широком диапазоне приложений высокого напряжения и переменного тока в постоянный. Высокий коэффициент напряжения, низкое напряжение на компонентах, компактность и высокий КПД – вот его основные характеристики. Из-за проблем с исходной схемой, снижение пульсаций на выходе и увеличение доступного уровня напряжения были мотивацией для ученых предложить новые топологии.В этой статье было представлено сравнительное исследование этих умножителей напряжения. С помощью моделирования и экспериментальных прототипов сравнивались характеристики топологий. В дополнение к характеристикам, количество компонентов, напряжение на компоненты, а также сложность и стоимость конструкции – это другие факторы, которые учитывались при этом сравнении. Была разработана простая в использовании таблица, в которой обобщены характеристики виртуальных машин, которые можно использовать в качестве средства принятия решения для выбора топологии на основе требований.Показано, что из-за приложения иногда простая и не очень известная топология оказывается эффективнее известной.

1. Введение

Высоковольтные источники питания постоянного тока широко используются для многих приложений, таких как ускорители частиц, рентгеновские системы, электронные микроскопы, фотонные умножители, электростатические системы, лазерные системы и электростатические покрытия [1–5]. Существует несколько подходов к производству высоковольтных источников постоянного тока в зависимости от желаемых уровней напряжения и тока.Более распространенным выбором, когда требуется источник питания с высоким напряжением и низким током, является умножитель напряжения Кокрофта-Уолтона (CWVM). Высокое отношение напряжений, низкое напряжение на диодах и конденсаторах, компактность и высокий КПД являются основными причинами этого выбора [3, 5, 6]. Кроме того, он может использоваться в приложениях среднего напряжения, когда ток низкий и простая схема – дело, например, портативные импульсные силовые установки и портативные устройства [7–9]. CWVM обладает уникальной характеристикой, заключающейся в наложении одинаковых напряжений на каждую ступень.Его конструкция также проста и удобна в реализации [10]. Обычно в современных типах умножителей напряжения есть три ступени; высокочастотный инвертор, который производит быстрый динамический источник напряжения с регулируемым рабочим циклом для управления током и уровнем напряжения, трансформатор и умножитель непрерывного напряжения [11]. В данной статье исследуются только топологии ВМ, независимо от конструкции инвертора.

Исторически первоначальная идея была предложена Грайнахером в 1921 году. Однако долгое время она не привлекала внимания, пока Кокрофт и Уолтон не выполнили свой эксперимент с использованием этой схемы в 1932 году [12].Большие пульсации выходного напряжения и падение выходного напряжения были основными проблемами оригинального полуволнового умножителя напряжения. Следовательно, чтобы преодолеть эти проблемы, Хейлперн в 1954 году разработал симметричный умножитель напряжения (SVM) путем добавления дополнительного колеблющегося столбца конденсаторов и блока выпрямителей [1, 13], поскольку пульсации напряжения в полуволновом выпрямителе из-за Заряд и разряд конденсаторов имеют почти треугольную форму, при использовании двух источников напряжения с разностью фаз 180 ° общая величина пульсаций напряжения может быть значительно уменьшена.Если бы пульсация представляла собой форму волны в форме равнобедренного треугольника, противоположная фаза могла бы точно нейтрализовать пики напряжения, так что пульсации напряжения исчезли бы в выходном напряжении. Однако это не так, поэтому пульсация не будет устранена полностью, и в результате будет только уменьшение амплитуды пульсации. Это главная особенность симметричного умножителя напряжения. На основе этой идеи недавно был предложен трехфазный симметричный умножитель напряжения с шестью колеблющимися столбцами и одним сглаживающим столбцом [2, 14].Кроме того, существуют другие топологии, которые основаны на этой идее, имеют более низкие пульсации напряжения по сравнению с традиционной топологией, которые будут изучены в этой статье. Недавно были разработаны другие типы умножителей напряжения на основе CWVM, которые питаются от матричного преобразователя [6]. Матричный преобразователь генерирует ток с регулируемой частотой и регулируемой амплитудой, который подается в CWVM для регулирования выходного напряжения постоянного тока и сглаживания его пульсаций. Однако в этой статье речь идет о CWVM, независимо от того, как он может быть загружен.

Сравнение этих виртуальных машин важно, поскольку выбор топологии для приложения из-за множества факторов – непростая задача. Диапазон уровня выходного напряжения, необходимые коэффициенты безопасности, выход с заземлением или биполярный выход, скорость реакции и т. Д. Являются основными факторами, которые следует учитывать при таком выборе. Насколько известно автору, до сих пор такое сравнение не проводилось.

Эта статья организована следующим образом. Математическая модель CWVM рассмотрена в разделе 2.Симметричные умножители напряжения представлены в разделе 3. Сравнение симметричных виртуальных машин с помощью моделирования представлено в разделе 4. В разделе 5 построены экспериментальные прототипы низкого напряжения для подтверждения результатов моделирования. Окончательный вывод дается в разделе 6.

2. Базовый умножитель напряжения

На рисунке 1 показана базовая 4-ступенчатая схема умножителя напряжения Кокрофта-Уолтона. Он состоит из двух колонок конденсаторов: осциллирующей и сглаживающей.Конденсаторы колеблющегося столбца “ и заряжаются за полупериод с помощью диодов с нечетными номерами вверх (,,, и, соответственно), а в следующем полупериоде конденсаторы сглаживающих столбцов (“, и) заряжаются дидоами с четными номерами вниз (,, , а также ). В установившемся режиме, без нагрузки, каждый конденсатор в сглаживающем столбце заряжен, то есть в два раза больше максимального входного напряжения. Следовательно, максимальное значение выходного напряжения равно количеству ступеней умножителя (здесь).

Однако это не так при наличии нагрузки, при которой существует пульсация выходного напряжения и происходит падение напряжения из-за тока нагрузки. Для ясности, на рисунке 2 представлен результат моделирования основной полуволновой схемы умножителя напряжения Кокрофта-Уолтона с помощью программного обеспечения Sabre Synopsys. На рисунке показаны основные параметры: это падение напряжения по сравнению с идеальным случаем, и это размах пульсаций выходного напряжения из-за тока нагрузки. Чтобы рассчитать пульсации напряжения, мы должны учитывать пульсации напряжения на каждом конденсаторе в сглаживающем столбце из-за тока нагрузки.Пусть будет заряд, передаваемый от нагрузки за цикл с пульсациями напряжения на конденсаторе [15–17]: одновременно передает заряд на нагрузку и на. Таким образом, пульсация напряжения на конденсаторе интуитивно равна

Поскольку пульсации на всех сглаживающих конденсаторах синфазны, общую пульсацию напряжения на нагрузке можно рассчитать путем суммирования всех значений пульсаций; то есть конденсаторы равной величины приводят к тому, что – ток нагрузки, а – частота входного напряжения. Помимо пульсаций напряжения, наблюдается падение напряжения по сравнению с состоянием холостого хода, которое является следствием незавершенного процесса зарядки конденсаторов.Из (3) можно понять, что теряет заряд во время каждого цикла, поэтому конденсатор должен его восполнять. Поэтому и заряжают до и вместо и соответственно. Таким же образом можно было рассчитать падение напряжения на всех сглаживающих конденсаторах. В общем, у нас будет [15] Суммирование всех падений напряжения дает общее падение напряжения на нагрузке:

Недавно при более подробном анализе было показано, что приведенная выше формула нуждается в небольшой корректировке [18]. Однако для практического использования разница имеет второстепенное значение, поскольку не касается ведущего порядка в.Из (7) и (5) ясно, что для данного значения при увеличении тока нагрузки падение напряжения и пульсации напряжения увеличиваются пропорционально. Чтобы компенсировать этот эффект, следует увеличить значение. Обычно увеличение частоты имеет меньшие затраты по сравнению с увеличением номиналов конденсаторов. Более того, из этих соотношений также ясно, что увеличение количества каскадов приведет к увеличению этого падения напряжения и амплитуды пульсаций. Следовательно, существует оптимальное значение для n , которое дает максимально доступное выходное напряжение, когда другие параметры фиксированы.Это оптимальное значение имеет следующий вид [13]: Следовательно, максимально доступное напряжение следующее.

Чтобы превысить ограничение (9), а также уменьшить значение пульсаций выходного напряжения, было предложено несколько конфигураций, которые являются предметом следующего раздела. Стоит отметить, что правильный выбор конденсаторов разной емкости приведет к лучшему отклику по сравнению с классическим случаем [19]. Результат можно распространить на симметричные случаи с небольшими изменениями.

3.Симметричные версии умножителя напряжения

3.1. Обычный симметричный умножитель напряжения

Как упоминалось в предыдущем разделе, при увеличении количества ступеней амплитуда пульсаций и падение напряжения значительно увеличиваются, что делает умножитель напряжения неэффективным. Для решения этой проблемы в 1954 г. компанией Heilpern был разработан симметричный умножитель напряжения (SVM) путем добавления дополнительного колебательного столбца конденсаторов и блока выпрямителей [1, 13]. Как видно на рисунке 2, пульсация в полуволновом CWVM является периодической с почти симметричной формой относительно горизонтальной линии; то есть пик и впадина почти равны при разности фаз 180 °.В SVM выходное напряжение представляет собой сумму двух сигналов с разностью фаз 180 °. Если бы форма пульсации представляла собой равнобедренный треугольник или любую симметричную форму волны, суммирование двух противоположных фаз могло бы точно компенсировать пик и впадину пульсации. Однако на практике форма волны пульсаций немного искажается из-за характера разряда или нелинейности, и ее периодическая переходная форма формируется в зависимости от постоянной времени схемы [20]. Следовательно, рябь все еще существует; однако его величина сильно уменьшается.Это основная причина более низкого уровня пульсаций во всех симметричных и многофазных версиях умножителей напряжения. На рисунке 3 представлена ​​принципиальная схема симметричного умножителя напряжения. Фактически, в SVM и имеют одинаковую величину без разности фаз, поэтому имеет фазовый сдвиг на 180 °, связанный с. На рисунке 4 показаны пульсации выходного напряжения для двух различных условий. Как можно видеть, когда и имеют разность фаз 180 °, то есть синфазны, амплитуда пульсаций ниже, чем в случае, когда и являются синфазными.

Показано, что пульсация в симметричном случае по сравнению с исходной виртуальной машиной может быть уменьшена приблизительно по следующей формуле [20]: в которой пульсация симметричной виртуальной машины и – пульсация обычной виртуальной машины.

На практике любая асимметрия может привести к более высокому значению пульсации. Известно, что асимметрия как входных напряжений, так и элементов схемы может вызывать пульсации [21]. Также асимметрия схемы вызывает нечетные гармоники, в то время как асимметрия в процессе заряда-разряда конденсаторов, которая может возникать из-за асимметрии на выходах трансформатора, вызывает четные гармоники [5].Для симметричной непрерывной цепи основная гармоника из-за асимметрии управляющего напряжения неизбежна из-за трудности полного устранения отклонения симметрии [22].

3.2. Гибридный симметричный умножитель напряжения

Недавно был предложен новый симметричный умножитель напряжения [1]. На рисунке 5 показана принципиальная схема 4 ступеней, называемых гибридным симметричным умножителем напряжения, HSVM. Он состоит из мостового выпрямителя с конденсатором и трехступенчатого SVM. Поскольку предложенная топология представляет собой комбинацию диодно-мостового выпрямителя и SVM, она получила название HSVM.Первая ступень предложенной топологии не имеет конденсаторов связи; следовательно, экономится два высоковольтных конденсатора. Это главное преимущество данной топологии по сравнению с обычной SVM. Кроме того, согласно заявлению изобретателя, его другим преимуществом является более быстрый переходный отклик при запуске по сравнению с обычным SVM [1]. Однако его основная проблема, делающая его менее эффективным, – это отсутствие заземления трансформатора. Как видно на Рисунке 5, оба терминала и являются горячими и поэтому не могут быть заземлены.В SVM центральный отвод трансформатора заземлен; однако для HSVM это не так. Автор не обсуждал этот вопрос [1]. Из-за этой проблемы в приложениях с очень высоким напряжением HSVM не может использоваться в целях безопасности. В ненагруженном состоянии у нас есть. Таким образом, чтобы иметь одинаковый уровень масштабирования напряжения, амплитуда входного напряжения, которое обычно является вторичной обмоткой трансформатора, должна быть вдвое больше, чем в обычном умножителе напряжения. Это означает, что для данного трансформатора с одинаковым уровнем выходного напряжения количество элементов примерно в два раза больше, чем у обычного CWVM.Более подробно этот вопрос будет рассмотрен в следующих разделах.

3.3. Умножитель напряжения с последовательным соединением

Как упоминалось ранее, основными характеристиками симметричного умножителя напряжения являются более низкие пульсации напряжения и более высокий уровень напряжения из-за дополнительного действия каждой половинной части умножителя. Это означает, что каждая полусекция компенсирует пульсации другой половины из-за разницы фаз 180 ° между результирующими пульсациями напряжения. Такое состояние возможно при двух последовательно включенных умножителях напряжения.На рисунке 6 показана принципиальная схема такого последовательно включенного умножителя напряжения (SCVM). и обычно представляют собой вторичные обмотки трансформатора высокого напряжения. При противоположном знаке источников напряжения показана разность фаз между источниками 180 °. По сравнению с обычным (рис. 1) он имеет два источника напряжения (две вторичные обмотки) и такое же количество конденсаторов и диодов. Однако, исходя из ранее упомянутого симметричного поведения, он имеет более низкие значения пульсации и падения напряжения. Хотя следует отметить, что разность напряжений между двумя вторичными обмотками (и на рисунке 6) равна половине выходного напряжения, и поэтому, когда выходное напряжение высокое, этот вопрос следует учитывать для изоляторов в конструкции трансформатора.Это основная проблема данной топологии, которая делает ее неэффективной, особенно при очень высоком напряжении.

На основе этой идеи можно построить трехфазную (или даже более высокую) виртуальную машину с каскадом трех (или более) виртуальных машин, источники питания которых имеют разность фаз 120 ° (360 ° / количество фаз) с каждой. Другие. Пульсация такой трехфазной ВМ будет ниже, чем у двухфазных симметричных ВМ. Однако необходимы три отдельных трансформатора и несколько компонентов, что делает схему более дорогостоящей и громоздкой [2, 14].

3.4. Умножитель положительно-отрицательного напряжения с последовательным соединением (SPNVM)

Когда мы каскадируем два обычных умножителя напряжения с источниками напряжения, не совпадающими по фазе на 180 °, как показано на рисунке 6, необходимость высоковольтной изоляции между обмотками становится проблемой. Кроме того, по сравнению с обычным VM необходимы две вторичные обмотки с одинаковой амплитудой напряжения. Эту проблему можно решить с помощью другой топологии, показанной на рисунке 7 [23]. Как показано, два умножителя положительного и отрицательного напряжения с противоположным направлением были соединены последовательно, чтобы создать виртуальную машину с более высоким выходным напряжением и уменьшенным значением пульсации.В этой схеме нужен только один источник (одна вторичная обмотка), и из-за противоположного направления заряда и разряда в положительной и отрицательной частях пульсации выходного напряжения каждой части компенсируют пульсации другого. Таким образом, результирующая пульсация меньше, чем у обычной виртуальной машины. По сравнению с SVM, эта топология имеет меньшее количество компонентов и проблемы асимметрии трансформатора не существует; следовательно, результирующие гармоники, как обсуждалось ранее [21, 22], имеют меньшую амплитуду.

На рисунке 7 состоит из положительной части и состоит из отрицательной части SPNVM. Если в этой конфигурации мы заземлим отрицательную сторону нагрузки, это создаст высокое значение постоянного напряжения на источнике, которым обычно является трансформатор. Чтобы этого не произошло, трансформатор лучше заземлить. Следовательно, в этой ВМ выход не заземлен. Этот вопрос ограничивает данную топологию случаями, когда требуется биполярное выходное напряжение, а не напряжение с заземлением.Поэтому эту топологию можно использовать в портативных и портативных устройствах и приложениях с умеренным выходным напряжением, где заземление нагрузки не требуется [7, 8].

4. Результаты моделирования

В этом разделе с помощью программного обеспечения Sabre Synopsys сравниваются результаты моделирования ранее обсужденных виртуальных машин. Входное напряжение и количество ступеней выбраны так, чтобы получить почти одинаковое выходное напряжение от всех виртуальных машин. Поэтому сравнение выполняется с учетом количества устройств и выходных характеристик умножителей напряжения.Неидеальность компонентов, которые учитываются при моделировании, – это ESR конденсаторов, прямое падение напряжения на диодах (0,7 В), входное сопротивление источников напряжения и индуктивность трансформатора. Чтобы сократить статью, результаты моделирования приведены только для случая, когда параметры совпадают с параметрами экспериментальной работы. Понятно, что работа ВМ зависит от номинала конденсаторов, частоты работы, количества ступеней и резистора нагрузки. Таким образом, несмотря на сложности и стоимость прототипов высокого напряжения, при сравнении производительности нет разницы между несколькими киловольтами или несколькими вольт виртуальными машинами.

Структура преобразователей виртуальных машин – это вопрос, который следует обсудить более подробно. В некоторых ВМ используются трансформаторы с двумя вторичными обмотками, например SCVM и SVM. Если мы хотим использовать один и тот же трансформатор для всех виртуальных машин, чтобы иметь одинаковые условия для сравнения, следует использовать трансформатор с двумя вторичными обмотками. Затем в топологиях, использующих один источник напряжения, можно использовать последовательное соединение вторичных обмоток. Следовательно, для тех топологий, где требуется одна вторичная обмотка, напряжение будет вдвое больше, чем с двумя вторичными обмотками.Однако в этом случае нагрузка на компоненты в SVM и SCVM равна половине нагрузки для других топологий, и количество каскадов должно быть удвоено, чтобы иметь аналогичное значение выходного напряжения. HSVM также имеет такое же условие, и поэтому для уменьшения количества ступеней можно использовать трансформатор, вторичное напряжение которого вдвое больше, чем для BVM и SPNVM. Это означает, что есть два варианта: во-первых, использовать один и тот же трансформатор для всех виртуальных машин, а во-вторых, учитывать одинаковую нагрузку на компоненты. При моделировании было обнаружено, что ответ SCVM почти аналогичен ответу SVM.Кроме того, у его трансформатора есть упомянутая проблема повышенного напряжения между обмотками. Поэтому при моделировании и экспериментах SCVM не использовался.

При моделировании и экспериментах, основанных на вышеупомянутом вопросе о трансформаторе, рассматриваются две версии HSVM и SVM. HSVM1 – восьмиступенчатая виртуальная машина с входом 10 В. HSVM2 – четырехступенчатая виртуальная машина с входом 20 В. SVM1 – восьмиступенчатая виртуальная машина с двумя входами 5 В. А SVM2 – четырехступенчатая виртуальная машина с двумя входами 10 В. SPNVM и BVM – это четыре ступени с входом 10 В.Следует подчеркнуть, что нагрузка на компоненты в топологиях зависит от напряжения трансформатора. То есть величина напряжения напряжения на компонентах HSVM1 и SVM1 вдвое меньше, чем у других. Так что при подсчете компонентов мы должны учитывать этот вопрос. Мы знаем, что конденсатор с номиналом и напряжением пробоя может быть построен из четырех конденсаторов номиналом C и напряжением пробоя, то есть параллельным соединением двух последовательно соединенных. Кроме того, два диода с напряжением пробоя могут образовывать диод с напряжением пробоя.Следовательно, если нагрузка на компоненты VM ₁ в два раза больше, чем у VM ₂ , при подсчете компонентов мы можем рассматривать конденсаторы и диоды VM ₂ как базовые компоненты и умножать количество конденсаторов VM ₁ на четыре и его диодов на два, чтобы найти эквивалентное количество подобных компонентов. С помощью этого метода мы можем правильно сравнить количество комплектующих, то есть стоимость строительства. Этот вопрос рассматривается при сравнении виртуальных машин. Обсуждаемый в этом абзаце вопрос следует понимать внимательно, чтобы знать, почему предлагаемое сравнение в этой статье является справедливым.

Частота источников напряжения (выход трансформаторов) составляет 2 кГц, конденсаторы во всех VM – 1,6 Ф, а нагрузка – резистор 51 кОм. На рисунке 8 приведены переходные характеристики и максимальное значение виртуальных машин. Время нарастания ВМ измерялось программно по 10–90% выходного напряжения. Мы знаем, что скорость виртуальных машин особенно важна, когда виртуальную машину нужно использовать в импульсном режиме. Максимально достижимая частота работы явно зависит от времени нарастания виртуальной машины. Как видно, HSVM2 с самым высоким значением выходного напряжения и SPNVM с самым быстрым откликом являются лучшими.Кроме того, HSVM1 и SVM1 не имеют удовлетворительных ответов по сравнению с другими.

На рисунке 9 показаны колебания умножителей напряжения. Верно, что SVM1 имеет наименьшее абсолютное значение пульсации. Однако, если мы рассчитаем отношение пульсации к максимальному значению, то есть коэффициент пульсации для всех виртуальных машин, можно увидеть, что SPNVM, SVM2 и HSVM2 с 0,007 имеют лучший коэффициент пульсации и BVM, как и ожидалось, причем 0,053 является наихудшим. .

5. Экспериментальное сравнение

Для проверки результатов моделирования были построены прототипы виртуальных машин.BVM, SPNVM, HSVM1, HSVM2, SVM1 и SVM2 были созданы для сравнения. Вход представляет собой синусоидальный источник с частотой 2 кГц с переменной амплитудой, который в сочетании с трансформатором с ферритовым сердечником обеспечивает требуемые напряжения. Как и в моделировании, используется чисто резистивная нагрузка 51 кОм. Конденсаторы имеют диапазон от 1,62 Ф до 1,72 Ф и были выбраны среди многих, чтобы быть почти эквивалентными. Причиной такого выбора стало уменьшение погрешности, вызванной неравным номиналом конденсаторов при сравнении топологий. Фактически, поскольку при моделировании учитывались неидеальности компонентов, экспериментальные прототипы имеют почти те же характеристики, что и модели.

На рисунке 10 показаны переходные характеристики виртуальных машин. Как видно, SPNVM с временем нарастания 14,39 мс имеет самый быстрый отклик, а HSVM2 с 18,45 мс находится на втором месте. Разница между временем нарастания виртуальных машин при моделировании и экспериментах возникает из-за того факта, что генератор сигналов имеет задержку при запуске, которую невозможно измерить. Также показаны максимальные выходные значения в установившемся режиме. При моделировании HSVM2 с напряжением 70,4 В имеет максимальное выходное значение.

На рисунке 11 показаны варианты виртуальных машин.Как и ожидалось, BVM имеет максимальное значение пульсации от пика до пика с 3,04 В, а SPNVM с 456 мВ имеет наименьшее значение пульсации. По расчетам, коэффициент пульсации SPNVM с 0,006 является самым низким.

В таблице 1 приведены результаты моделирования и экспериментов. Некоторые термины, использованные в таблице, следует пояснить. Количество конденсаторов и диодов в первой и второй строке показывает фактическое количество компонентов, в то время как количество базовых конденсаторов и базовых диодов показывает количество компонентов с учетом напряжения, как описано в разделе моделирования.Это означает, что мы рассматривали конденсаторы и диоды с наименьшим напряжением в качестве основных компонентов. Тогда в ВМ с удвоенным напряжением напряжения количество конденсаторов умножается на четыре, а количество диодов – на два. Например, несмотря на более высокое фактическое значение компонентов HSVM1 по сравнению с HSVM2, количество его базовых компонентов меньше. Другой термин обозначает потребление проволоки в конструкции трансформатора и определяется как коэффициент вторичной обмотки.

9 0151 Множитель напряжения BVM HSVM1 HSVM2 SPNVM SVM15 9015 9015 9015 9015 9015 9015 9015 9015 9015 9015 9015 9015 9015 10 8 24 12 Кол-во диодов 8 32 16 8 32 16 вторичных обмоток 9015 один один один Два Два Напряжение обмоток трансформатора (В): (В) 10 10 20 10 5 10 Вторичный 10 вторичный коэффициент проволоки 1 1 2 1 1 2 Напряжение напряжения на компонентах (В) 20 10 20 20 10 20 Номер базовой крышки 32 22 40 48 Номер базового диода 16 32 32 16 32 32 9015 9015 9015 Результаты моделирования8 ) 9015 58.7 50,35 72,01 69,63 44,59 68,81 Пульсация (В) 3,11 9015 9015 9015 9015 9015 9015 9015 0,513 0,496 0,052 0,011 0,007 0,007 0,010 0,007 Время нарастания (мс) 19.6 20,6 13,9 10,2 24,8 16,2 Экспериментальные результаты 68,0 44,0 68,0 Пульсация (В) 3,04 0,648 0,500 0,456 0.560 0,480 Фактор пульсации 0,052 0,012 0,007 0,006 0,012 0,007 9015 9015 мс 14,39 27,32 20,23

Отношение величины пульсации к максимальному выходному значению.

6.Заключение

Спустя десятилетия после изобретения умножителя напряжения Кокрофта-Уолтона в широком диапазоне приложений преобразования высокого напряжения и переменного тока в постоянный он все еще используется и не имеет конкурентов. В этой статье был проведен обзор и сравнение симметричных версий виртуальных машин. Характеристики различных виртуальных машин, такие как время нарастания, пульсации и выходное напряжение, сравниваются друг с другом с учетом сложности топологии и количества компонентов. В этом сравнении учитываются некоторые факторы, такие как напряжение на компонентах, количество компонентов и стоимость конструкции трансформатора.Фактически, напряжение на компонентах может использоваться как фактор для оценки эффективного количества компонентов и, следовательно, цены виртуальных машин.

Проблема заземления трансформатора в некоторых виртуальных машинах делает их неэффективными, особенно при использовании очень высокого напряжения. Однако в мобильных устройствах и некоторых приложениях с низким напряжением их все же можно использовать. Например, SPNVM с небольшим количеством компонентов и приемлемыми характеристиками является привлекательным выбором, который не следует игнорировать в таких приложениях.С моделями и экспериментальными прототипами сравнивались отклики виртуальных машин. Измеренные значения форм сигналов прототипа хорошо согласуются с результатами моделирования. Таким образом, невозможно выбрать одну топологию как идеальную. Фактически, в каждом приложении на основе уровня выходного напряжения и, следовательно, цены компонентов, с помощью аналогичного метода, использованного в таблице 1, можно сравнить виртуальные машины и, следовательно, выбрать, какая из них подходит для предлагаемого приложения.Кроме того, с помощью этого метода можно понять, имеет ли виртуальная машина лучшую производительность по сравнению с другими и сколько это стоит для дизайнера.

Конкурирующие интересы

Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов в отношении публикации данной статьи.

Благодарности

Автор благодарит своих коллег г-на М. Данешяна и г-на Б. Н. Мортазави за помощь в подготовке экспериментальных испытаний. Работа поддержана проектом «Школы лазерных и оптических исследований» (код.ПРД-Л2-93-007).

Схемы умножителя напряжения | Пульсации в схемах каскадного умножителя напряжения

Цепи умножителя напряжения:

Каскадный умножитель напряжения Цепи для более высоких напряжений громоздки и требуют слишком большого количества питающих и разделительных трансформаторов. Возможно создание очень высокого постоянного тока. напряжения от однополярных трансформаторов питания за счет расширения простых цепей удвоителя напряжения. Это просто и компактно, когда ток нагрузки меньше одного миллиампера, например, для электронно-лучевых трубок и т. Д.Генераторы импульсов клапанного типа могут использоваться вместо обычных генераторов переменного тока. питание и схема становится компактной. Типовая схема такой формы показана на рис. 6.4а.

Импульсы, генерируемые в анодной цепи клапана P, выпрямляются, и напряжение каскадируется для получения выходного сигнала 2 нВ _max на нагрузке R _L . Пусковой импульс напряжения треугольной формы (пилообразный) подается для включения и выключения клапана. Таким образом, на катушке L создается напряжение, равное V _max = I√L / C _P , где C _P – паразитная емкость на катушке индуктивности L.Постоянный ток источника питания около 500 В, подаваемого на генератор импульсов, достаточно для создания высокого напряжения постоянного тока. от 50 до 100 кВ с подходящим количеством ступеней.

Частота импульсов высокая (от 500 до 1000 Гц), а пульсации довольно низкие (<1%). Падение напряжения на нагрузке составляет около 5% при токах нагрузки около 150 мкА. Напряжение быстро падает при высоких токах нагрузки.

Схема умножителя напряжения

, использующая принцип Кокрофта-Уолтона, показана на рис. 6.4b. Первый этап, т.е.е. D ₁ , D ₂ , C ₁ , C ₂ и трансформатор T идентичны удвоителю напряжения, показанному на рис. 6.3. Для более высоких выходных напряжений, составляющих 4, 6,… 2n входного напряжения V, схемы умножителя напряжения повторяются с каскадным или последовательным подключением. Таким образом, конденсатор C ₄ заряжается до 4V _max и C _2n до 2nV _max выше потенциала земли. Но напряжение на любом отдельном конденсаторе или выпрямителе составляет не более 2 В _макс.

Выпрямители D ₁ , D ₃ ,… D _2n-1 , показанные на рис. 6.4b, работают и работают в течение положительных полупериодов, в то время как выпрямители D ₂ , D ₄ ,… D _2n проводят во время отрицательных полупериодов. Типичные формы сигналов тока и напряжения такой схемы показаны на рисунках 6.4c и 6.4d соответственно. Напряжение на C ₂ складывается из входного переменного тока. напряжение, V _ac и напряжение на конденсаторе C ₁ , V _c1 , как показано на рис.6.4.

Среднее напряжение на C ₂ меньше положительного пикового зарядного напряжения (V _ac + V _c1 ). Напряжение на других конденсаторах от C ₂ до C _2n может быть получено таким же образом (т.е.) из разницы между напряжением на предыдущем конденсаторе и зарядным напряжением. Наконец, напряжение после 2n ступеней будет V _ac (n ₁ + n ₂ +…), где n ₁ , n ₂ ,… – факторы, учитывающие пульсацию и регулирование в следующем выпрямителе. .Пульсации напряжения δV и падение напряжения ΔV в каскадном блоке цепей умножителя напряжения показаны на рис. 6.4e.

Пульсации в цепях каскадного умножителя напряжения:

С нагрузкой выходное напряжение каскадных выпрямителей меньше 2 нВ _max , где n – количество ступеней. Пульсации и регулирование напряжения выпрямительной схемы можно оценить следующим образом.

Пусть

f = частота питания,

q = заряд, переносимый в каждом цикле,

I ₁ = ток нагрузки от выпрямителя,

t ₁ = период проводимости выпрямителей,

t ₂ = период непроводимости выпрямителей, а

δV = пульсации напряжения (от пика до пика)

Ссылаясь на рис: 6.3a, когда ток нагрузки I ₁ подается от конденсатора C ₂ на нагрузку R _L в течение периода непроводимости, заряд передается за цикл от конденсатора C ₂ к нагрузке во время отсутствия проводимости. период t ₂ равен q и связан следующим образом.

Так как t ₁ ≪ t ₂ и t ₁ + t ₂ = 1 / f (т.е. период напряжения питания переменного тока),

Отсюда

В то же время заряд q передается от C ₁ к C ₂ в течение каждого цикла, равному I ₁ / fC ₂ .Таким образом, полное падение напряжения будет I ₁ / fC ₁ + 2I ₁ / fC ₂ . Следовательно, регулирование = среднее падение напряжения от 2 В _макс

Следовательно, среднее выходное напряжение

Для каскадной схемы на холостом ходу напряжения между ступенями повышаются на 2 В _макс. , что дает выходное напряжение 2 нВ _макс. для n ступеней.

Ссылаясь на рис. 6.4b, чтобы найти и выразить полное пульсирующее напряжение, предположим, что все емкости C ₁ , C ₂ ,…, C _2n равны C.Пусть q будет зарядом, передаваемым от C _2n к нагрузке за цикл.

Тогда пульсация на конденсаторе C _2n будет I ₁ / fC.

Одновременно C _2n-2 передает в качестве заряда q нагрузке и C _2n-1.

Следовательно, пульсация на конденсаторе C _2n-2 составляет 2I ₁ / fC.

Аналогично, C _2n-4 передает заряд q нагрузке, C _2n-3 и C _2n-2 .

Следовательно, пульсация на конденсаторе C _2n-4 составляет 3I ₁ / fC.

Действуя таким же образом, пульсация на C ₂ будет nI ₁ / fC.

Следовательно, для n стадий общая пульсация (от пика до пика) будет

и средняя пульсация

Основной вклад в пульсации вносят конденсаторы нижнего или нижнего конца, C ₁ , C ₂ , C ₃ , C ₄ и т. Д.Пульсации могут быть уменьшены, если емкость этих конденсаторов пропорционально увеличена, то есть C ₁ , C ₂ сделаны nC, C ₃ , C ₄ сделаны (n – 1) C и так далее, чтобы общая пульсация будет равна

Умножители напряжения

– Часть 3 Умножитель напряжения Кокрофта-Уолтона

Высшая лига.

_{Эксперименты с умножителем напряжения – содержание}

Я изучал удвоители напряжения Villard и Greinacher в двух предыдущих частях этой серии.

Если вам нужно удвоить постоянный ток, который вы получаете от переменного тока, то эти двое сделают свою работу.

Если вам нужно больше, тогда вам нужно посмотреть на множители напряжения.

Я собираюсь начать с полноволновой реализации умножителя напряжения Кокрофта-Уолтона.

Обычный переход от полуволновой версии Кокрофта-Уолтона к полноволновой версии. Я иду наоборот, потому что мне лично легче понять полноволновую версию – а оттуда легче понять полуволновую версию.

Для этой диаграммы я также собираюсь перейти с KiCAD на Inkscape.

KiCAD – отличный инструмент для рисования принципиальных схем и изготовления печатных плат. Я использую его во всех своих хобби.

KiCAD не очень хорош для рисования произвольных объектов. Я собираюсь использовать Inkscape для набросков диаграмм, потому что визуальное впечатление от схемы помогает (или, по крайней мере, помогает мне) понять ее.

Во-первых, двухполупериодный мостовой выпрямитель:

Двухполупериодный выпрямитель

Двухполупериодный выпрямитель является основой двухполупериодного умножителя Кокрофта-Уолтона.

Выходное напряжение постоянного тока двухполупериодного выпрямителя составляет примерно половину от пикового напряжения переменного тока на входе, но оно чище, чем полуволновой выпрямитель.

Это выглядит так:

Напряжение переменного тока	Напряжение постоянного тока

Это 30 В переменного тока от пика до пика и чуть меньше половины этого значения для выпрямленного постоянного тока – это 14 В постоянного тока. Добавьте 1 В для потерь на диоде, и все будет хорошо.

Это одноступенчатый двухполупериодный множитель Кокрофта-Уолтона:

Одноступенчатый Кокрофт-Уолтон

Внимательно посмотрите на чертеж выпрямителя и ступень Кокрофта-Уолтона. Они электрически одинаковы. Конденсатор просто перенесен в центр моста. У такой разницы в стиле рисования есть причина, но я вернусь к ней позже. Конденсатор в центре также является причиной того, что я использовал Inkscape для этого рисунка.KiCAD не позволяет размещать детали с поворотом на 45 градусов, а заранее заданный мост (с диодами под углом 45 градусов) слишком мал для установки конденсатора.

Единственная ступень множителя Кокрофта-Уолтона на самом деле не умножается. Он выдает только то же постоянное напряжение, что и выпрямитель. Это отличается от схем Вилларда или Грайнахера. Каждый из них дает постоянное напряжение примерно в два раза больше, чем у простого выпрямителя.

Чтобы получить более высокое напряжение из умножителя Кокрофта-Уолтона, вы должны использовать несколько каскадов.Каждая ступень подключена параллельно к источнику переменного тока, но выходы включены последовательно. Посмотрим, как это выглядит:

Не совсем множитель

Это не сработает. У нас короткое замыкание постоянного тока (через диоды) на трансформаторе. Это ужасно влияет на вход переменного тока. Поскольку трансформатор не может выдавать достаточно тока, чтобы разрушить какую-либо из частей (помните, все диоды рассчитаны на 1 А), я просто посмотрю:

Плохая идея

То есть на самом деле далеко не множитель.

Нам нужно, чтобы входы переменного тока к выпрямителям были параллельны, но не допускали короткого замыкания постоянного тока. Конденсаторы не пропускают постоянный ток, поэтому давайте воспользуемся конденсаторами, чтобы прервать цепь короткого замыкания постоянного тока:

Двухступенчатый умножитель Кокрофта-Уолтона

Вот как выглядит результат:

Напряжение постоянного тока

То есть 25.6 В постоянного тока на выходе. Не вдвое больше, чем у одинарного каскада, но довольно неплохо. Одиночный мостовой выпрямитель выдавал 14 В постоянного тока, в идеале мы получаем 28 В постоянного тока из двух ступеней. Где-то потерялся 1 В постоянного тока. Куда оно делось?

Конденсаторы его съели. Конденсаторы блокируют постоянный ток, но они также имеют сопротивление переменного тока. Я расскажу об этом позже.

А пока давайте посмотрим, что делает добавление еще одного этапа:

Трехступенчатый умножитель Кокрофта-Уолтона

Напряжение постоянного тока для трехступенчатого умножителя

Это… ммм… не впечатляет.Там должно быть около 42В, а всего 30В. Этот последний этап, похоже, не очень помог.

Что здесь происходит?

Помните, я сказал, что конденсаторы его съели? Что ж, на этот раз они ели больше. Я займусь причинами и объяснениями позже. А пока я просто скажу, что количество потребляемых конденсаторов зависит от нагрузки, а мой старый осциллограф – это больше нагрузка, чем мой вольтметр.

Давайте проверим напряжения с помощью измерителя, а не осциллографа.

1 этап	2 этап	3 этап
16,6 В постоянного тока	32,4 В постоянного тока	46,6 В постоянного тока

Каждая ступень добавляет то же напряжение, что и первая ступень (более или менее). На самом деле, как и ожидалось, на выходе имеется трехкратное напряжение. Ну, почти. Даже мой вольтметр слишком нагружает.

Итого:

1. Умножители Кокрофта-Уолтона обеспечивают выход постоянного тока.
2. Каждый этап обеспечивает одинаковый DC.
3. Постоянный ток на каждой ступени складывается для увеличения общего выходного напряжения.
4. Общее напряжение – это напряжение одной ступени, умноженное на количество ступеней.
5. Более высокое выходное напряжение требует добавления дополнительных ступеней.
6. При разработке множителя Кокрофта-Уолтона необходимо учитывать нагрузку.

В следующем посте будет рассказано, почему у Кокрофта-Уолтона такая структура. – это , что является очень специфическим преимуществом для конструкции – даже несмотря на то, что конструкция также несет ответственность за проблему нагрузки.

Далее

_{Эксперименты с умножителем напряжения – содержание}

Цепь умножителя напряжения диода

– a … – Моя прогулка, чтобы запомнить

Схема умножителя напряжения диода
– полезная схема, использующая простые полупроводниковые диоды, которая умножает входящее напряжение для использования в схемах источника питания и детектора
В пределах схемы источника питания или другого выпрямителя это возможно настроить диоды таким образом, чтобы они удваивали, утроили или более уровень входящего напряжения.Этот тип схемы умножителя напряжения находит применение во многих приложениях, где требуется источник низкого тока и высокого напряжения. Эти схемы также могут использоваться в схемах детекторов, где необходимо увеличить обнаруживаемое напряжение.

Базовая схема умножителя напряжения
Несмотря на то, что базовая схема имеет некоторые вариации, в этих схемах, показанных ниже, используется одна необходимая обмотка трансформатора, одна сторона которой может быть заземлена. В качестве альтернативы можно использовать другой источник переменного тока. В этой конфигурации схема особенно удобна, поскольку источник переменного тока не нужно изолировать от земли.

Схема диодного удвоителя напряжения
Схема диодного удвоителя напряжения
В этой схеме удвоителя напряжения первый диод выпрямляет сигнал, и его выход равен пиковому напряжению от трансформатора, выпрямленного как полуволновой выпрямитель. Сигнал переменного тока через конденсатор также достигает второго диода, и с учетом блока постоянного тока, обеспечиваемого конденсатором, это приводит к тому, что выходной сигнал второго диода находится поверх первого. Таким образом, выходное напряжение схемы в два раза превышает пиковое напряжение трансформатора, за исключением падения напряжения на диоде.

Доступны различные варианты базовой схемы и концепции для обеспечения функции умножения напряжения практически любого коэффициента. Применение того же принципа установки одного выпрямителя поверх другого и использования емкостной связи позволяет создать лестничную сеть.

Цепи умножителя напряжения очень полезны. Однако обычно они подходят только для слаботочных приложений. По мере увеличения умножения напряжения потери увеличиваются. Сопротивление источника имеет тенденцию к увеличению, и нагрузка становится проблемой.Для каждого диода в цепи есть обычное падение напряжения (обычно 0,6 В для кремниевого диода), но реактивное сопротивление конденсаторов может стать значительным, особенно при использовании сетевых частот 50 или 60 Гц. Высоковольтные конденсаторы высокой стоимости могут быть дорогими и большими. Это может создать физические ограничения для того, чтобы сделать их слишком большими.

Работа с более высокими напряжениями, Часть 2: Умножители напряжения

В части 1 FAQ мы рассмотрели методы небольшого повышения более низких напряжений, а также для увеличения напряжения до гораздо более высоких значений.

Методы, обсуждавшиеся до сих пор, повышают и, таким образом, умножают напряжение, но так называемые «умножители напряжения» обычно дают подталкивающие напряжения до гораздо более высоких значений. Конструкция и соображения резко меняются, когда выходное напряжение начинает составлять около 100 В, а затем достигает диапазона> 1000 В. К счастью, многим из этих систем с более высоким напряжением требуется лишь умеренный ток (100 мА или меньше), что несколько упрощает проблему.

В: Почему нельзя просто использовать трансформатор с подходящим соотношением витков, чтобы умножить входное напряжение на 10 × или 1000 × или что-то еще?

A: Теоретически можно.Но по мере увеличения числа витков и вторичного напряжения возникают проблемы дополнительной неэффективности из-за потерь в трансформаторе (возможно, приемлемых) и высоковольтного пробоя изоляции проводов, среди прочего. Это не значит, что это невозможно сделать, но это может быть трудным подходом из-за практических соображений.

Q: Применялся ли трансформаторный подход в коммерческих целях?

A: Да, он успешно использовался в конфигурации, называемой обратным преобразователем, во многих приложениях (номер , каталожный номер 3 ), например, для электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) массовых телевизоров, которые доминировали в мире видео для более 50 лет (пока не пришли на смену плоские светодиодные / ЖК-панели).В конструкции с обратным ходом используется специальный трансформатор, который представляет собой комбинацию трансформатора и индуктора для хранения энергии.

Q: Итак, что еще нужно сделать, чтобы получить более высокое напряжение?

A: Существуют различные топологии, в которых для увеличения входного напряжения используются пассивные компоненты. Как правило, они используют комбинацию диодов и конденсаторов в серии каскадов. Эти ступени используют напряжение предыдущей ступени.

Q: Какова общая структура этих схем?

A: Эти умножители напряжения представляют собой специализированные выпрямительные схемы, которые создают выходное напряжение, которое (теоретически) является целым числом, умноженным на пиковое входное значение переменного тока, например, в 2, 3 или 4 раза больше пикового входного значения переменного тока.Обычно они сконфигурированы как набор из полупериодных или двухполупериодных выпрямителей.

В: Вы можете показать пример?

A: Схема Рисунок 1 показывает трехступенчатый умножитель. Действие следующее: каждый цикл входа переменного тока заряжает различные конденсаторы, и каждый конденсатор в конечном итоге заряжается последовательными циклами переменного тока до пикового значения входной синусоидальной волны. Таким образом, для среднеквадратичного линейного напряжения 120 В переменного тока пиковое значение составляет 170 В. При выполнении этого на нескольких конденсаторах – каждый заряжается независимо – а затем позволяет соединять эти конденсаторы последовательно, выходное напряжение представляет собой сумму напряжений отдельных конденсаторов. .

Рис. 1: В базовой конфигурации умножителя напряжения лестница конденсаторных диодов, расположенных как выпрямители, используется с зарядкой конденсаторов от линии переменного тока и последующим последовательным сложением их напряжений на выходе. (Источник изображения: Spellman High Voltage Electronics Corporation)

В: Но в этом устройстве нет ощутимого или видимого переключения, так как же он переходит от зарядки к накоплению сохраненного напряжения?

A: Используется стандартный выпрямитель. Диоды действуют как пассивные переключатели и предотвращают разряд конденсаторов, когда входное напряжение начинает падать.Они позволяют току течь к конденсаторам, но не от конденсаторов обратно к входному источнику.

В: Что делать, если мне нужно отрицательное высокое напряжение от умножителя?

A: Это единственная простая вещь в высоковольтных умножителях: просто поменяйте полярность всех диодов и конденсаторов умножителя, чтобы получить умножитель отрицательного напряжения.

В: Звучит достаточно просто, но так ли это?

A: Абсолютно нет! Во-первых, диоды и конденсаторы должны иметь минимальное номинальное напряжение обратного пробоя, по крайней мере, в два раза превышающее пиковое напряжение на них.Даже если вы начинаете с линии 120 В переменного тока (170 В пик), вам потребуются компоненты, рассчитанные как минимум на 1700 В, если вы строите 10-кратный (плюс коэффициент 2 или более для запаса прочности). курс).

Q: Какие еще проблемы возникают в таких высоковольтных конструкциях?

A: Во-первых, они могут выдавать очень небольшой ток при таком высоком напряжении: как только вы начинаете потреблять ток для нагрузки, накопленный заряд и, следовательно, напряжение падает. Во многих случаях это слишком ограничительно, поскольку многим приложениям с более высоким напряжением требуется только небольшое количество тока, например, для создания электрического поля.

В: Есть другие проблемы?

A: Их много, поскольку в физике мира высокого напряжения есть много точек, в которых происходят «странные» вещи; Увеличение напряжения не является линейной ситуацией (подумайте об этом как о пересечении водой точки замерзания). Например, в цепях высокого напряжения будут разряды коронного разряда от острых концов. Оба они опасны сами по себе, а также вызывают точечную коррозию металлических контактов и могут пробить изоляторы. Даже такие «мелочи», как паяные соединения, являются проблемой для короны.

В: Как так?

A: Вы можете предположить, что стандартное, хорошо сделанное паяное соединение подойдет, но оно будет служить отправной точкой для коронного разряда. Поэтому в высоковольтной реализации часто используется «шариковая пайка» с использованием больших сферических паяных соединений (Рис. 2) . Гладкая сферическая форма паяного соединения большого диаметра помогает контролировать локальное электрическое поле, подавляя, таким образом, генерацию короны.

Рис. 2: Говоря языком высокого напряжения, каждый аспект физической конструкции имеет решающее значение: стандартное паяное соединение будет стимулировать коронный разряд, поэтому соединения должны быть выполнены в виде шариков без углов.(Источник изображения: Spellman High Voltage Electronics Corporation)

В: Должен ли я построить свою собственную высоковольтную цепь?

A: Плохая идея, потому что это гораздо больше, чем просто схема и спецификация материалов (BOM), и эта BOM сама по себе содержит действительно уникальные детали. Это очень опасный мир, в котором просто «быть осторожным» недостаточно, и даже малейшая ошибка или оплошность имеют смертельные последствия. Физические расстояния, характеристики компонентов, изоляционные свойства, дефекты отверстий и разрушение материала – вот лишь некоторые из многих проблем.Защита цепей также уникальна: необходимы специальные предохранители и другие устройства защиты от перенапряжения / максимального тока.

Q: Похоже, никто этого не делает, не так ли?

A: Неудивительно, что это не мешает людям делать это, как видно из публикации, в которой показано, как кто-то строит множитель в десятки киловольт (номер , номер 7, ). Не пытайтесь делать это дома (или даже в лаборатории), если с вами не будет кто-то, имеющий опыт работы в высоковольтном строительстве (и который может позвать на помощь – хотя обычно в этот момент уже слишком поздно!).Наконец, существуют сложные нормативные вопросы, если вы собираетесь производить и продавать продукт.

В: Можете ли вы привести пример высоковольтного умножителя, использованного в недавнем интересном проекте?

A: Да, конечно. Команда из Массачусетского технологического института недавно построила и испытала самолет с размахом крыла в несколько метров, но без движущихся частей (подробности см. В ссылках 8 и 9 ), (рис. 3) и . Вместо этого он использует поток отрицательных ионов, притягиваемых высоким напряжением, положительное электростатическое поле через заднюю кромку крыла.Этот свободный летательный аппарат без привязи имеет бортовую батарею (номинально на 200 В постоянного тока) для источника питания мощностью 600 Вт (, рис. 4 , (разработан группой Power Electronics Research Group в Исследовательской лаборатории электроники Массачусетского технологического института). В нем используется импульсный стабилизатор, за которым следует повышающий трансформатор 1:15, а затем шестиступенчатый двухполупериодный умножитель напряжения «Кокрофта-Уолтона» для обеспечения 20 кВ постоянного тока (см. ссылки 10 и 11 ).

Рис. 3: Высокое напряжение является ключом к некоторым очень необычным приложениям, таким как этот самолет MIT, который приводится в движение потоком ионов через крыло; ионы притягиваются к «забору» 20 кВ на задней кромке крыла.(Источник изображения: MIT) Рис. 4. Внутри самолета MIT находится подсистема питания постоянного / постоянного тока, которая преобразует 200 В постоянного тока от бортовых аккумуляторов в форму сигнала переменного тока, а затем преобразует его в постоянный ток 20 кВ с использованием топологии множителя Кокрофта-Уолтона. (Источник изображения: MIT)

В этом FAQ кратко рассматривается странный, но важный мир высоковольтных усилителей и умножителей, некоторые из которых приводят к умеренно более высоким напряжениям, а некоторые достигают диапазона кВ. Когда напряжение превышает 60 В, возникает проблема безопасности.По мере того, как они переходят в сотни и тысячи вольт, возникают дополнительные проблемы, связанные с характеристиками материалов и электрическими явлениями, которые показывают, что проектирование и конструкция для этих уровней – это совершенно другой мир.

Список литературы

1. EE World Online, «Часто задаваемые вопросы: что такое зарядный насос и чем он полезен? (Часть 1) »
2. EE World Online, «Часто задаваемые вопросы: что такое зарядный насос и чем он полезен? (Часть 2) »
3. Википедия, «Обратный преобразователь»
4. Spellman High Voltage Electronics Corporation, «Справочное руководство по высокому напряжению»
5. Spellman High Voltage Electronics Corporation, «Что такое умножитель напряжения?»
6. Все о схемах, «Умножители напряжения (удвоители, тройники, учетверенные устройства и многое другое)»
7. Instructables, «Умножитель высокого напряжения»
8. MIT, «Инженеры MIT управляют первым в мире самолетом без движущихся частей»
9. MIT Electric Aircraft Initiative, «Инженеры MIT управляют первым в мире самолетом без движущихся частей в двигательной установке»
10. Гиперфизика Университета штата Джорджия, «Ускорители Кокрофта-Уолтона»
11. Википедия, «Генератор Кокрофта – Уолтона»
12. Wenzel Associates, TechLib, «Умножители напряжения Кокрофта-Уолтона»

(PDF) Анализ моделирования схемы умножителя напряжения для сбора энергии дождя с использованием кругового пьезоэлектрика

5.Заключение

Кинетическая энергия от производства пьезоэлектрического электричества была успешно подтверждена этой работой. Имитационное тестирование

доказало, что пьезоэлектрик может преобразовывать кинетическую энергию в электрическую энергию из вибрации из-за удара капель дождя.

Для увеличения преобразования выходного сигнала от вибрации схемы умножителя напряжения моделируются и анализируются.

– это моделируемые схемы трех типов: удвоитель напряжения, схемы CWCVD и KFCVD.Данные моделирования анализируются, сравниваются полученные токи и напряжения, с учетом также пульсаций напряжения, которые могут помешать эффективности схемы. Результат моделирования показал, что с точки зрения наличия набора пьезодатчиков схема удвоителя напряжения

является более эффективной. Тем не менее, с точки зрения создания меньших пульсаций напряжения схема умножителя напряжения KFCVD

обеспечивает более многообещающий выход для энергоуборочного комбайна с каплями дождя.

Выражение признательности

Авторы хотели бы поблагодарить Universiti Malaysia Perlis (UniMAP) и Министерство высшего образования Малайзии за предоставление

исследовательских центров и финансирование проекта через схему грантов на фундаментальные исследования (грант № 9003-00447).

Ссылки

[1] Н. Ч., Производство электроэнергии с использованием пьезоэлектрического материала, J. ​​Mater. Sci. Англ. 4 (3) (2015) 3–6.

[2] М.Н. В., С.А.Л., Г.С.С., Производство электроэнергии ступеньками ног с использованием пьезоэлектрического материала, Int.J. Adv. Res. Электрон. Commun. Англ. 4 (10) (2015) 2503–2507.

[3] А. Тинаикар, Сбор энергии из осадков, Междунар. J. Renew. Поддерживать. Энергия 2 (3) (2013) 130–132.

[4] С. Спатаро, Ф. Виола, П. Романо, Р. Мичели, Характеристики сборщика энергии дождя, в: 20th IMEKO TC4 Int. Symp., 2014. С. 467–472.

[5] М.А. Ильяс, Дж. Свинглер, Сбор пьезоэлектрической энергии от ударов капель дождя, Энергия 90 (2015) 796–806.

[6] Ф. Виола, П. Романо, Р. Мичели, Г.Acciari, Сбор энергии дождя с помощью пьезоэлектрического преобразователя, в: 4-я Международная конференция по чистой

Электроэнергия: Влияние возобновляемых источников энергии (ICCEP 2013), стр. 634–639.

[7] А. Адхитан, К. Виньеш, М. Маникандан, Предлагаемый метод выработки энергии шагового шага с использованием пьезоэлектрического датчика, Int. Adv. Res. J. Sci. Англ. Технол.2

(4) (2015) 25–28.

[8] A. Telba, W.G. Ali, Моделирование и моделирование сбора пьезоэлектрической энергии, Proc.Всемирный конгресс. Англ. II (2012) 4–6.

[9] K.S.L. Айн Атика Мустафа, Нораини Мат Али, Экспериментальное сравнение пьезоэлектрических выпрямительных схем для сбора энергии, в: Proceeding – 2013

Студенческая конференция IEEE по исследованиям и разработкам, SCOReD 2013, 2015, стр. 556–559.

[10] А.А. Мустафа, К. Леонг, Н.М. Али, Сравнение пьезоэлектрических схем выпрямления, собирающих энергию, ARPN J. Eng. Прил. Sci. 11 (10) (2016) 6361–6365.

[11] М.Ф. Аб Рахман, С.Л. Кок, Н. М. Али, Р. А. Хамза, К.А.А. Азиз, Гибридный виброэнергетический комбайн на основе пьезоэлектрического и электромагнитного механизма преобразования

, в: CEAT 2013 – 2013 IEEE Conf. Технологии чистой энергии, 2013, с. 243–247.

[12] С. Лу, Ф. Буссаид, Высокоэффективный выпрямитель P-SSHI для сбора пьезоэлектрической энергии, IEEE Trans. Power Electron. 30 (10) (2015) 5364–5369.

[13] Ю.К. Рамадасс, А.П. Чандракасан, Эффективная интерфейсная схема сбора пьезоэлектрической энергии с использованием выпрямителя смещения и общей индуктивности, IEEE J.

Твердотельный контур. 45 (1) (2010) 189–204.

[14] P.C.P. Чао, Энергосберегающая электроника для вибрационных устройств в датчиках с автономным питанием, IEEE Sens. J. 11 (12) (2011) 3106–3121.

[15] Схема умножителя и удвоителя напряжения. [В сети]. Доступно:

(дата обращения: 16 мая 2016 г.).

[16] Федерико Порку, Лео Пио Д’аддерио, Франко Проди, Клелия Караччоло, Влияние высоты на максимальный размер капли дождя и скорость падения, ограниченное столкновением

, Дж.Атмос. Sci. 70 (2013) 1129–1134.

[17] Джеффри А. Нистуэн, «Слушая капли дождя», 1999. [Онлайн]. Доступно:

LISTEN.html> (дата обращения: 18 мая 2017 г.).

[18] Ф. Джиуса, Ф. Майорка, А. Ното, К. Тригона, Б. Андо, С. Баглио, Бездиодный механический умножитель напряжения: новый преобразователь энергии вибрации

сбора урожая, Sens. Actuat . A: Phys. 212 (2014) 34–41.

[19] К.Шихо, Х. Сук-Кён, Двухполупериодный умножитель напряжения для RFID-транспондеров, IEICE Trans. Commun. 91 (1) (2008) 388–391.

[20] А. Тудешки, Н. Мариун, Х. Хизам, Н.И. Абдул Вахаб, Разработка нового каскадного удвоителя напряжения для умножения напряжения, Chin.