Умножители напряжения — теория, практика, схемы

Содержание:

Общие сведения об умножителях напряжения

Суть работы умножителя заключается в преобразовании переменного напряжения, получаемого из низковольтного источника, в высокое напряжение постоянного тока. Есть разные варианты данных приборов такие как, умножитель напряжения Шенкеля и другие схемы, проектируемые для конкретной аппаратуры.

В электронике к умножителям напряжения относятся специальные схемы, с помощью которых уровень входящего напряжения преобразуется в сторону увеличения. Одновременно эти устройства выполняют еще и функцию выпрямления. Умножители применяются в тех случаях, когда нежелательно использовать в общей схеме дополнительный повышающий трансформатор из-за сложности его устройства и больших размеров.

В некоторых случаях трансформаторы не могут поднять напряжение до требуемого уровня, поскольку между витками вторичной обмотки может случиться пробой. Данные особенности следует учитывать при решении задачи, как сделать различные варианты удвоителей своими руками.

В схемах умножителей обычно используются свойства и характеристики однофазных однополупериодных выпрямителей, работающих на емкостную нагрузку. В процессе работы этих устройств между определенными точками создается напряжение с величиной, превышающей значение входного напряжения. В качестве таких точек выступают выводы диода, входящего в схему выпрямителя. При подключении к ним еще одного такого же выпрямителя, получится схема несимметричного удвоителя напряжения.

Таким образом, каждый умножитель напряжения как повышающее устройство может быть симметричным и несимметричным. Кроме того, все они разделяются на категории первого и второго рода. Схема симметричного умножителя представляет собой две несимметричные схемы, соединенные между собой. У одной из них происходит изменение полярности конденсаторов и проводимости диодов. Симметричные умножители имеют лучшие электрические характеристики, в частности выпрямляемое напряжение обладает удвоенной частотой пульсаций.

Принцип работы

Для того чтобы представить себе как работает умножитель напряжения, рассматривается простейшая схема однополупериодного устройства, показанного на рисунке. Когда начинает действовать отрицательный полупериод напряжения, диод Д1 открывается и через него осуществляется зарядка конденсатора С1. Заряд должен сравняться с амплитудным значением подаваемого напряжения.

При наступлении периода с положительной волной происходит зарядка следующего конденсатора С2 через диод Д2. В этом случае заряд приобретает высокие удвоенные значения по сравнению с поданным напряжением. Далее наступает отрицательный полупериод, в течение которого до удвоенного значения заряжается конденсатор С3. Таким же образом, во время дальнейшей смены полупериода, выполняется зарядка конденсатора С4, вновь с удвоенным значением.

Для того чтобы запустить устройство, требуются полные периоды напряжения в количестве нескольких циклов, создающие напряжения на диодах. Величина напряжения, получаемая на выходе, состоит из суммы напряжений конденсаторов С2 и С4, соединенных последовательно и заряжаемых постоянно. В конечном итоге, образуется величина выходного переменного напряжения, которое в 4 раза превышает значение напряжения на входе. В этом и заключается принцип работы умножителя напряжения.

Самый первый конденсатор С1, полностью заряженный, имеет постоянное значение напряжения. То есть, он выполняет функцию постоянной составляющей Ua, применяемой в расчетах. Следовательно, можно и дальше наращивать потенциал умножителя, подключая дополнительные звенья, сделанные по тому же принципу, поскольку напряжение на диодах в каждом из этих звеньев будет равно сумме входного напряжения и постоянной составляющей. За счет этого получается любой коэффициент умножения с требуемым значением. Напряжение на всех конденсаторах, кроме первого будет равным 2х Ua.

Источник высокого напряжения

Для самостоятельного изготовления флокатора, пистолета порошковой покраски или электростатической коптильни требуется источник высокого напряжения. И если первые два устройства требуют 75-100 киловольт, то высоковольтный генератор для коптильни работает при 15-20.

В сети есть множество схем высоковольтных генераторов сделанных с использованием строчных трансформаторов от мониторов, телевизоров или автомобильных катушек зажигания. В большинстве своём их схемотехника удручает – как правило это простейшие обратноходовые преобразователи, а значит транзистор в них будет работать в роли кипятильника т.к. для новичка наверняка не имеющего осциллографа рассчитать снаббер практически не реально.

Схемы из прошлого века на тиристорах с питанием от сети 220 вольт опасны и в случае неосторожности могут привести к печальным последствиям. Мы же сделаем резонансный полумост на ТДКС .

Схема высоковольтного генератора

Высоковольтный генератор для копчения электростатикой своими руками

Высоковольтный генератор (ВВГ) с питанием 5 вольт:

Высоковольтный генератор (генератор высокого напряжения) предназначен для создания электростатического поля внутри коптильни, и позволяет в десятки раз сократить время копчения и расход щепы.

Такой генератор выдает на выходе порядка 20 кВ ПОСТОЯННОГО (не импульсного) напряжения при токе нагрузки около 25 мкА, при этом имеет двойную гальваническую развязку от сети переменного тока 220В (при питании от сетевого блока питания). При питании от литий-ионного аккумулятора, такой вопрос вообще не стоит..
Про питание от аккумулятора и про циклический таймер будет в следующих статьях.

Токоограничение высоковольтной цепи (резистор 10 мОм на выходе генератора) не позволяет образовываться сильным электрическим дугам и разрядам в коптильне, что предотвращает появление большого количества озона и снижает негативные последствия от поражения высоковольтным электрическим разрядом до минимума (в случае касания ВВ частей).

Хотя при правильной конструкции и грамотной эксплуатации коптильни такой удар вообще маловероятен, тем не менее, забывать о мерах безопасности не стоит, особенно людям с заболевания сердца, кардиостимуляторами и т.д..

Высоковольтный заряд на выходе генератора самостоятельно исчезает через 20-30 сек. после выключения ВВГ.

Схема высоковольтного генератора для электростатического копчения

Весь процесс сборки показан в видео — высоковольтный генератор для электростатического копчения своими руками

Для самостоятельной сборки ВВ генератора :

Внимание: иногда, при ПЕРВОМ нажатии,  ссылка может открыться некорректно (браузер (особенно Mozilla firefox), направит вас на неправильную страницу Aliexpress, не соответствующую нужной ссылке). Пож-ста, нажмите на ссылку повторно. Если это не поможет, попробуйте скопировать ссылку и вставить ее в др

браузер

Если это не поможет, попробуйте скопировать ссылку и вставить ее в др. браузер.

Наборы   генератора

— с платой

Импульсные блоки питания AC-DC

— блок питания  100-240 V (AC)  —   5V, 2А (DC)

Высоковольтные конденсаторы

— 30 кВ 680 пф

— 20 кВ (разная емкость)

Высоковольтные диоды 2CL77

Резистор высоковольтный 10 мОм 2 Вт

Резистор высоковольтный 10 мОм 3 Вт

Резистор высоковольтный 10 мОм 5 Вт

Транзистор D880

Конденсатор 0,01мкФ 100В

Резистор 10 мОм 1Вт      (они там разные, надо выбрать —  10М). Таких резисторов нужно 4 шт, соединяем их по 2 шт  параллельно и 2 таких цепочки — последовательно.

В итоге получим 2Вт 10мОм   Или, еще лучше  — сделать 3 цепочки по 3 резистора (всего 9  шт). Эти сборки надо будет  залить термоклеем или эпоксидной смолой.

Шланг (трубка) для аквариума 6 мм

Пистолет для термоклея

Супер паяльник

Вентилятор DC 5V для охлаждения генератора

При заливке (пропитке)  ВВ катушек парафином, я использовал самодельный вакуумный насос (на базе вот такого насоса ). Он подключен через MT3608  http://ali.pub/2ve5uv к литий-ионному аккуму на 3,7В.

Важно: т.к. далеко не все имеют опыт работы с радиоэлектронными компонентами, и т.к. мы имеем дело с продукцией из «поднебесной», где очень часто попадается брак, рекомендую покупать комплектующих в 2-3 раза больше, чем требуется для сборки одного устройства!

мы имеем дело с продукцией из «поднебесной», где очень часто попадается брак, рекомендую покупать комплектующих в 2-3 раза больше, чем требуется для сборки одного устройства!

ВНИМАНИЕ ! Соблюдайте меры электробезопасности при работе с высоким напряжением!

При использовании высоковольтного генератора для копчения:

1. Не стоит брать руками сразу два оголённых высоковольтных провода: это действие может Вас сильно огорчить.
2. По одному брать провода тоже не стоит: при неплотном контакте можно получить ВЧ ожог.
3. Высоковольтные провода должны находиться на расстоянии от любых других проводов, и устройств типа телевизора, компьютера и т. п. (Во избежание).
4. Не стоит «искрить» (допускать расстояние менее 3-4 см между оголёнными высоковольтными проводами), это действие вызывает сильные помехи и наводки, есть ничтожная (но не нулевая) вероятность того, что что-то из включенной поблизости электроники выйдет из строя.
5. В качестве высоковольтных нельзя применять обычные силовые провода — обязательно будут утечки т.к. их изоляция не рассчитана на такое напряжение.
6. Не допускать неизолированных мест до входа в коптильную камеру, с них будут утечки – а это плохо.
7. Избегать короткого замыкания между ВВ проводами. Блок выдерживает КЗ, но следует понимать что это критичный режим и при долговременной работе блок может выйти из строя.
8. К примеру, камера заполнилась дымом. Включилось высокое напряжение но дым не рассеивается, соответственно проверить нет ли в камере короткого замыкания, которое, в частности, может обеспечить и сам продукт при соприкосновении с излучателями.
9. Если в процессе работы дым стал рассеиваться «хуже», протереть изоляторы. Загрязненные изоляторы становятся сопротивлением, которое отбирает полезную мощность.
10. Не желательно надолго включать блок с никуда не подключенными ВВ проводами. Так называемый «холостой режим» работы для блока неприятен.
11. По факту получения обязательно возникнет желание побаловаться проверить блок. Делать это лучше так: взять любую плоскую железку и подключить к ней синий провод, красный провод разместить на расстоянии

8-10 см от плоскости железки, кончик провода согнуть что бы он смотрел на нее. Взять бумажку, например обычный листок А4, включить блок установив мощность на 30-40, прислонить бумажку к железке, подергать ее вверх, обрадоваться результату.

• В коптильной камере синий провод должен быть подключен к излучателям, красный — к продукту. Магия.
• При работе блока в коптильной камере размером не больше холодильника нет смысла устанавливать мощность выше

40-50%, выигрыш по времени составит

5-10 секунд на цикл, но качество продукта будет хуже.

Сергей, к примеру, более десяти лет занимается копчением электростатикой и при первом опыте с моим блоком получил вот такой результат:

Таким образом следует понимать, что настройки мощности, времени работы и времени паузы зависят от многих факторов и должны быть подобраны индивидуально.

Представляю народный блок высоковольтного копчения. Рассмотрим два варианта. Первый простейший, который подойдет для любительского копчения и второй посложнее, но более продвинутый. Сначала немного про работу данного ВВ блока.

Секрет копчения под напряжением

Сразу стоит оговориться – делать электрическую коптильню своими руками имеет смысл только для холодного копчения. Несмотря на то, что энтузиасты активно экспериментируют с горячим копчением и даже пытаются готовить шашлыки с использованием электростатических аппаратов, наилучшие показатели качества все же получаются на дыму с температурой коптильни не более 45-50оС.

В данном случае электростатический усилитель обеспечивает два дополнительных фактора, которые практически бесполезны при обработке продуктов в горячей коптильне:

• Электростатическое поле разгоняет и преимущественно заряженные молекулы воды, и имеющихся полярных органических соединений в дым, в том числе кислоты и низшие спирты. Благодаря этому процесс насыщения продуктов проходит в разы быстрее, чем при отсутствии электростатического поля;
• При работе холодной электростатической коптильни не происходит деградации и деструкции животного белка и жиров, тех основных кирпичиков, из которых состоит мясо, сало или рыба. В этом смысле процесс копчения в электростатическом поле очень сильно напоминает вяление, но с более высокой скоростью обработки.
• В горячем копчении влага интенсивно удаляется с поверхности продукта, и даже если электростатическое поле «набрасывает» водяной пар и кислоты из дыма, все это сметается потоками горячего воздуха. По сути, это процесс жарки мяса или сала в горячем воздухе с добавлением дыма.

Поклонников у обоих способов копчения, холодного и горячего, более чем предостаточно, поэтому с каждым годом появляются все новые и новые способы и конструкции электростатических коптилен. Есть даже схемы коптилен с встроенным блоком контроля температуры поверхности мяса с помощью дистанционного инфракрасного термометра и с регулируемым напряжением электростатического поля. Понятно, что подобные коптильни изготавливают в основном для обработки больших объемов продуктов, для себя можно сделать небольшую электрическую коптильню своими руками

В отличие от больших камер с мощными электростатическими блоками, для которых нужен сарай, гараж или хотя бы дача, малогабаритные электрокоптильни можно использовать даже в условиях городской квартиры. Естественно, производительность электростатической коптильни меньше, но вкус и качество продукции заметно выше.

Принцип высоковольтного копчения

Для образования статического поля в данном ВВ блоке используется ШИМ модуляция катушки зажигания автомобиля с последующим повышением выходного напряжения на умножителе. ШИМ или в английском PWM (Pulse-Width Modulation) широтно-импульсная модуляция — способ используемый для контроля величины напряжения и тока. Принцип действия ШИМ состоит в изменении ширины импульса постоянной амплитуды при постоянной частоте.

Но при ШИМ управлении образованием искры на катушке зажигания (далее катушка), есть один   нюанс. Дело в том, что когда ШИМ начинает подавать импульсы на катушку, импульсы вначале очень короткие и энергия вырабатываемая катушкой мала.

А вот потом, наступает не очень приятное для нас обстоятельство, ширина импульсов становится все больше и наступает спад мощности вырабатываемой катушкой. Поэтому для нормальной работы катушки, нам приемлемо только первая часть работы блока ШИМ (до заполнения 50%). Это отследить просто – положив на стол высоковольтный разрядник (например как у меня), вращая ручку блока ШИМ слева направо смотрим когда искра будет иметь максимальную мощность (длину). Ставим метку на панели напротив риски ручки регулировки и запоминаем показания ампервольтметра. Все, за эти значения не выходим.  Время копчения в дальнейшем подбираем по мощности до этих значений. Например у меня максимальная мощность искры при 2 ампера, но для электрокопчения копчения за три часа пока горит картридж с опилками, я ставлю 1 ампер. При такой силе тока копчение в моей небольшой фанерной коптилке получается в самый раз.

Самостоятельное изготовление

Существует два типа коптилен с электростатическим контуром, которые возможно изготовить в домашних условиях своими руками:

• на старом телевизионном трансформаторе;
• на старом двухтактном двигателе или же катушке зажигания.

Различаются они между собой только теми блоками, посредством которых коптильня генерирует поле, а сам корпус и внешний вид могут быть одинаковыми.

Схемы и чертежи

Чтобы сделать коптильню, необходимо четко понимать, как именно должен выглядеть и из чего состоит конечный результат работы. На общей схеме электростатической коптильни можно обнаружить все необходимые элементы, в частности и сам духовой шкаф, корпус которого может быть выполнен как из металла, так и из дерева или даже плотного пластика. Рядом с ним должен быть прикреплен генератор напряжения.

В древесной щепе, прогреваемой теном или газовой горелкой, образуется дым необходимой плотности и аромата. С помощью вентилятора нагнетается такое количество воздуха, чтобы опилки не загорелись. Насыщенный дым должен быть охлажден водой и через штуцер попасть в духовой шкаф.

Подбор материалов и комплектующих

Напряжение в коптильной установке должно варьироваться в пределах 20-30 кВт, для чего используется высоковольтный генератор. Он также может быть изготовлен самостоятельно.

• Из катушки зажигания и машинного коммутатора. Блок высокого напряжения, собранный с помощью катушки и аккумулятора, представляет собой простую схему с источником питания и ключом. Задающий импульсы генератор должен быть с частотой 1-2 кГц, а напряжение всей цепи – 12 В, что потребует около 1-2 А.
• Из строчного трансформатора. Как и в первой схеме, здесь импульсы, поступающие от генератора, управляют транзистором. В итоге получается 20-25 кВт постоянного напряжения. И первый, и второй вариант схемы предполагают наличие генераторов, функционирующих на определенных частотах. В первом случае нужна частота 1000-2000 Гц, а во втором – 14000-16000 Гц. Лучше все же использовать генератор из развертки телевизора, так как он больше ускоряет движение частиц дыма, и процесс завершается раньше.

После выбора источника напряжения, необходимо перейти к изготовлению парогенератора. Самым лучшим корпусом для него послужит чугунная жаровня или нержавеющая кастрюля с толстыми стенками и дном. На дно тары насыпается слой крупы гранита или известняка в 2-3 см и укладывается нагреватель.

Идеальным вариантом нагревателя является спираль от камина или утюга с керамическими изоляционными кольцами. Поверх укладывают лист с отверстиями, который сходен с сито. На такой лист укладывают до 5 см щепы.

Отверстие, просверленное в крышке, закрывающей генератор, оборудуется штуцером и гибким пластиковым или металлическим гофрированным шлангом. Второй конец такого шланга присоединяют к охладителю дыма. Этот охладитель изготавливают из небольшой емкости для воды медной трубки длиной не менее 150 см. Медь сворачивают спиралью так, чтобы она помещалась в емкость, и к ее выводам присоединяют шланги от генератора дыма и вентилятора.

Инструкции по сборке

Самодельный коптильный шкаф лучше всего изготавливать из дерева или металла, но в последнем случае сложнее оборудовать изоляцию, да и стоит такой вариант дороже.

Собирается он размерами 70х50х100 см с дверью на петлях, которая должна очень плотно примыкать и не оставлять щелей. Анод (положительно заряженный электрод) выполняют из оцинкованной жести. Такую жесть снабжают остриями, которые направлены в сторону продукта – это создаст большую напряженность поля. Острия делаются с помощью надреза уголком и отгиба. Вместо жести, также можно приспособить металлическую ячеистую решетку.

Анодная панель делается точно так же и располагается по обеим сторонам от катода. Обе части анода должны быть соединены проводом и заземлены – это позволит создать статическое напряжение настолько мощное, что частицы дыма будут буквально «бурить» заготовку.

Чтобы подготовить готовую коптильню к работе, необходимо расположить в скороварке или жаровне щепу и включить нагреватель. В коптильный шкаф загружают сало или рыбу и включают вентилятор. Как только дым начинает поступать в бесперебойном режиме, дверцу шкафа можно закрыть и включить генератор. После завершения процесса копчения генератор нужно отключить и подождать две минуту, чтобы он остался без напряжения. Прежде чем трогать шкаф, отключают парогенератор и вентилятор, устройство разгружается, и только после этого производится влажная уборка всех запачкавшихся поверхностей.

Практическая часть

Теперь нам надо сделать сам блок высоковольтного копчения (далее ВВ блок). Для этого мы используем детали с Алиэкспресс. Нам понадобится:

1. Любой блок питания на 12 – 16 вольт. 16 вольт позволяет развить максимальную мощность ВВ блока и это предельное питание для микросхемы NE555, на которой работает ШИМ.
2. Вольтметр – амперметр для визуального контроля силы процесса копчения. Использование вольтметра — амперметра позволяет подобрать ту силу тока и напряжения копчения, которая оптимальна для используемой вами коптилки. Так же позволяет регулировать напряжение копчения при разной влажности, например зимой и летом.
3. Сам блок ШИМ. Он может быть разный, но должен вырабатывать импульсы с частотой не выше 1500Гц. Это максимальная эффективная частота для работы используемых высоковольтных диодов от микроволновки. А так же иметь мощность не менее 4 ампера, больше надежнее. Меня например вполне устраивает вот такой с Алиэкспресса. Правда он нуждается в переделке для понижения частоты, необходимо заменить конденсатор указанный стрелкой на номинал 103 (или 001мкФ).
4. Катушка зажигания. Я не могу точно сказать какая будет работать лучше, я использовал катушку от А/М Toyota на 12 вольт. Предполагаю, что лучше использовать катушку для работы с электронным зажиганием.
5. Диоды использованы от микроволновой печки на 0.35A 15000 В. Они прекрасно выдерживают нагрузку, даже кратковременное короткое замыкание. Вообще есть диоды до 2.5 ампера, это для очень мощных коптилок.
6. Ну и конденсаторы. Желательно на 15000 вольт и примерно 560 пФ. Разброс параметров до 25% в обе стороны не ухудшит качество собранного на них выпрямителя.

Умножитель напряжения – определение

Устройство, под которым подразумевают умножитель электричества – это схема, позволяющая преобразовывать напряжение переменного тока или пульсирующее в постоянное, но более высокое по значению. Возрастание величины параметра на выходе прибора прямо пропорционально числу каскадов схемы. Самый элементарный из существующих умножителей напряжения был придуман учеными Кокрофтом и Уолтоном.

Современные конденсаторы, разработанные радиоэлектронной промышленностью, характеризуются небольшими размерами и сравнительно большой емкостью. Это позволило перестроить многие схемы и внедрить изделие в разные устройства. Собран умножитель напряжения на диодах и конденсаторах, подключенных своим порядком.

Кроме функции повышения электричества умножители одновременно преобразуют его из переменного в постоянное. Это удобно тем, что общая схемотехника прибора упрощается и становится более надежной и компактной. С помощью прибора можно достичь увеличения до нескольких тысяч вольт.

Где применяют устройство

Умножители нашли свое применение в разных типах устройств, это: системы лазерной накачки, устройства излучения рентгеновской волны в их блоках высокого напряжения, для подсветки дисплеев жидкокристаллической структуры, насосах ионного типа, лампах бегущей волны, ионизаторах воздушной среды, системах электростатических, ускорителях элементарных частиц, аппаратах для копирования, телевизорах и осциллографах с кинескопами, а также там, где требуется высокое постоянное электричество небольшой силы тока.

Схема построения умножителя

Вся цепь схемы собрана из нескольких звеньев. Одно звено умножителя напряжения на конденсаторе представляет собой выпрямитель однополупериодного типа. Для получения прибора необходимо иметь два последовательно соединенных звена, в каждом из которых есть диод и конденсатор. Такая схема является удвоителем электричества.

Графическое изображение устройства умножения напряжения в классическом варианте выглядит с диагональным положением диодов. От направления включения полупроводников зависит то, какой потенциал – отрицательный или положительный, будет присутствовать на выходе умножителя относительно его общей точки.

При объединении схем с отрицательным и положительным потенциалами на выходе устройства получается схема двухполярного удвоителя напряжения. Особенностью такого построения является то, что если измерить уровень электричества между полюсом и общей точкой и он превысит входное напряжение в 4 раза, то величина амплитуды между полюсами возрастет уже в 8 раз.

В умножителе общей точкой (которая соединена с проводом общим) будет та, где вывод питающего источника соединяется с выводом конденсатора, объединенного в группу с другими последовательно соединенными конденсаторами. В конце них берется выходное электричество на четных элементах – при четном коэффициенте, на нечетных конденсаторах, соответственно, при нечетном коэффициенте.

Преимущества и недостатки

Говоря о преимуществах умножителя напряжения, можно отметить следующие:

• Возможность получать на выходе значительные величины электричества – чем больше звеньев цепи, тем больший коэффициент умножения получится.

• Простота конструкции – все собрано на типовых звеньях и надежных радиоэлементах, редко выходящих из строя.
• Массогабаритные показатели – отсутствие громоздких элементов, таких как силовой трансформатор, уменьшают размеры и вес схемы.

Самый большой недостаток любой схемы умножителя в том, что невозможно получить при помощи его большой ток на выходе для питания нагрузки.

Предыдущая

ТеорияКвантовый эффект холла

Следующая

ТеорияЧто такое коронный разряд?

Об умножителях напряжения | PRACTICAL ELECTRONICS

19.09.2022

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

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

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

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

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

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

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

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

Ниже на рисунках приведены схемы двухполупериодных умножителей. К достоинствам первого следует отнести следующие: к конденсаторам С1, С3 приложено только амплитудное напряжение, нагрузка на диоды равномерна, достигается хорошая стабильность выходного напряжения. Второй умножитель отличают такие качества, как возможность обеспечения высокой мощности, простота в изготовлении, равномерное распределение нагрузки между компонентами и большое число ступеней умножения.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Навигатор по каналу «PRACTICAL ELECTRONICS»
Сообщество в ВК
Канал в Дзен

радиолюбительэлектроникаэлектропитание

Поделиться в социальных сетях

Вам может понравиться

Принцип работы высокого постоянного напряжения от переменного тока в цепи умножителя напряжения

Высокое постоянное напряжение от переменного тока в проекте умножителя напряжения

В нынешней ситуации спрос на производство высокого напряжения существует огромный, но, к сожалению, есть некоторые методы, такие как обычные, нет достижения текущего спроса. Трансформаторы используются для выработки переменного тока высокого напряжения, который необходимо преобразовать в постоянный. Эта техника и громоздкая, и дорогая. Предлагаемая система может работать в обоих направлениях. Здесь мы производим высоковольтный постоянный ток с помощью основных компонентов, таких как конденсаторы и диоды. С усилением в потоке могут быть достигнуты очень высокие напряжения. Несмотря на то, что в некоторых электронных схемах обычно используется трансформатор напряжения для усиления напряжения, иногда не всегда можно найти подходящий повышающий трансформатор, необходимый для высоковольтных приложений. Еще один метод заключается в использовании схемы диодного умножителя напряжения, которая повышает напряжение без использования трансформатора.

Аппаратные требования этого проекта схемы умножителя высокого напряжения постоянного тока от переменного тока в основном включают диоды, электролитические конденсаторы, резисторы, мультиметр и лампу.

Высокое напряжение постоянного тока от переменного тока в умножителе напряжения

В этом проекте описывается проектирование и реализация от однофазного переменного тока к источнику постоянного тока высокого напряжения до 10 кВ на выходе. Реализация аппаратных работ для создания источника постоянного тока высокого напряжения предназначена для использовать в лаборатории. Разработанный источник питания постоянного тока можно использовать и в промышленных целях. В конструкции схемы используется удвоитель напряжения, принцип действия которого заключается в удвоении выходного напряжения. Выход удвоителя напряжения дается на серию каскадной цепи, которая генерирует до 10 кВ, но для студенческого проекта рекомендуется поднять до 2 кВ из соображений безопасности.

Конденсатор

Базовый конденсатор состоит из двух параллельных пластин, разделенных изоляционным материалом. Конденсатор накапливает электрический заряд между двумя пластинами. Единицей емкости являются фарады (Ф).

Заряд между пластинами

Электроны на левой пластине притягиваются к положительной клемме источника напряжения. Это оставляет избыток положительно заряженных дырок. Электроны отталкиваются к правой пластине. Избыточные электроны оставляют отрицательный заряд

Диод

Диод является простейшим нелинейным полупроводниковым устройством, используемым в источниках питания и схемах ограничения напряжения.

Диод

Рабочий проект Высоковольтный постоянный ток

Предлагаемая система может быть спроектирована для выработки постоянного высокого напряжения примерно 2 кВ от источника переменного тока 230 В с использованием диодов, а также конденсаторов в виде лестничной сети на основе концепции множитель напряжения.

Предлагаемая система дает представление о том, как спроектировать высоковольтный постоянный ток из однофазного переменного тока. Из соображений безопасности эта система устанавливает коэффициент умножения равным 8, чтобы выходное напряжение было равно 2 кВ. Эта концепция теории генерации используется в различных электронных устройствах, а именно в телевизионных кинескопах, ЭЛТ, осциллографах, а также в производственных приложениях.

Высокое напряжение постоянного тока от переменного тока в множителе напряжения Проектный комплект

Схема может быть разработана с множителем напряжения, принцип работы которого заключается в удвоении напряжения для каждой ступени. Таким образом, O/P от 8-ступенчатого умножителя напряжения может производить до 2 кВ. Поскольку этот потенциал не может быть рассчитан с помощью обычного мультиметра,

На выходе используется делитель потенциала 10:1 на выходе, так что 2 кВ. На выходе используется делитель потенциала 10:1, так что показание 200 В означает 2 кВ. Из-за небольшого входного импеданса мультиметра фактически показание будет примерно в 7 раз больше переменного напряжения i/p.

Кроме того, этот проект может быть разработан для производства высокого напряжения постоянного тока в диапазоне от 30 до 50 кВ путем увеличения количества ступеней. Применение этой системы может быть связано с промышленностью и медициной.

Преимущества

Преимущества высокого постоянного напряжения от переменного в схеме умножителя напряжения включают следующее.

• Это удобно, занимает меньше места и стоит недорого
• Генерирует высокое напряжение
• При увеличении количества ступеней будет вырабатывать до 50кВ
• При преобразовании переменного тока в постоянный выпрямители удаляются.

Применение

Применение высокого постоянного напряжения переменного тока в цепи умножителя напряжения включает в себя промышленность, резку металлов, биомедицинскую область, в процессе электролиза, лазерные пушки, ЖК-дисплеи, зажигалки, камеры и т. д.

Таким образом, это все о высоком постоянном напряжении от переменного в схеме умножителя напряжения. Мы надеемся, что вы лучше поняли эту концепцию. Чтобы узнать больше о реализации электрических проектов, дайте свои ценные предложения, оставив комментарий в разделе комментариев ниже.

Работа с более высокими напряжениями, Часть 2: Умножители напряжения

В части 1 часто задаваемых вопросов мы рассмотрели методы умеренного повышения более низких напряжений, а также увеличения напряжения до гораздо более высокого значения.

Обсуждаемые до сих пор методы повышают и, таким образом, умножают напряжение, но так называемые «умножители напряжения» обычно дают импульсное напряжение до гораздо более высоких значений. Конструкция и соображения резко меняются, когда выходное напряжение начинает приближаться к 100 В, а затем достигает диапазона >

1000 В. К счастью, многим из этих систем с более высоким напряжением требуется лишь небольшой ток (100 мА или меньше), что несколько упрощает проблему.

В: Почему нельзя просто использовать трансформатор с подходящим коэффициентом трансформации, чтобы умножить входное напряжение в 10 или 1000 раз или на что угодно?

О: Теоретически можно. Но по мере увеличения коэффициента трансформации и вторичного напряжения возникают проблемы дополнительной неэффективности из-за потерь в трансформаторе (возможно, приемлемых) и, среди прочего, пробой изоляции проводов под высоким напряжением. Это не означает, что это невозможно сделать, но это может быть трудным подходом из-за практических соображений.

В: Использовался ли коммерческий подход с трансформатором?

A: Да, он успешно использовался в конфигурации, называемой обратноходовым преобразователем, во многих приложениях (, номер 3 ), например, для электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) массовых телевизоров, которые доминировали в видео мире более 50 лет (до тех пор, пока плоские светодиодные / ЖК-панели не заняли свое место). В конструкции обратного хода используется специальный трансформатор, который представляет собой комбинацию трансформатора и катушки индуктивности для накопления энергии.

В: Что еще можно сделать для повышения напряжения?

A: Существуют различные топологии, в которых используются пассивные компоненты для умножения входного напряжения. Как правило, они основаны на комбинации диодов и конденсаторов в последовательности каскадов. Эти каскады используют напряжение предыдущего каскада.

В: Какова общая структура этих схем?

A: Эти умножители напряжения представляют собой специализированные выпрямительные схемы, которые развивают выходное напряжение, которое (теоретически) в целое число раз превышает входное пиковое значение переменного тока, например, в 2, 3 или 4 раза больше пикового входного значения переменного тока.

Обычно они конфигурируются как стек полуполупериодных или двухполупериодных выпрямителей.

В: Можете показать пример?

A: Схема На рис. 1 показан трехступенчатый умножитель. Действие заключается в следующем: каждый цикл входного 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. Если сделать это на нескольких конденсаторах, каждый из которых заряжается независимо, а затем разрешить последовательное соединение этих конденсаторов, выходное напряжение будет суммой напряжений отдельных конденсаторов. .

Рис. 1: В базовой конфигурации умножителя напряжения используется цепочка конденсаторных диодов, расположенных как выпрямители, при этом конденсаторы заряжаются от сети переменного тока, а затем последовательно складываются их напряжения на выходе. (Источник изображения: Spellman High Voltage Electronics Corporation)

В: Но в этой схеме нет ощутимого или видимого переключения, так как же происходит переход от зарядки к накоплению накопленного напряжения?

A: Используется стандартный выпрямитель. Диоды действуют как пассивные переключатели и предотвращают разрядку конденсаторов, когда входное напряжение начинает падать. Они пропускают ток к конденсаторам, но не пропускают ток от конденсаторов обратно к источнику входного сигнала.

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

A: Это единственная простая вещь, связанная с высоковольтными умножителями: просто поменяйте полярность всех умножающих диодов и конденсаторов, чтобы получить умножитель с отрицательным напряжением.

В: Звучит достаточно просто, но так ли это?

О: 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 (пиковое значение 170 В), вам потребуются компоненты, рассчитанные как минимум на 1700 В, если вы строите 10-кратное (плюс коэффициент ×2 или более для запаса прочности, т.е. курс).

В: Каковы некоторые другие проблемы в высоковольтных конструкциях, подобных этим?

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

В: Любые другие проблемы?

A: Их много, поскольку физика мира высоких напряжений имеет много точек, в которых происходят «странные» вещи; повышение напряжения не является линейной ситуацией (подумайте об этом как о переходе воды через точку замерзания).

Например, цепи высокого напряжения будут иметь коронный разряд от острых точек. Оба они опасны сами по себе, а также вызывают точечную коррозию металлических контактов и могут пробить изоляторы. Даже «мелочи», такие как паяные соединения, являются проблемой для короны.

В: Как так?

A: Вы можете предположить, что стандартное, хорошо выполненное паяное соединение будет в порядке, но оно будет служить отправной точкой для коронного разряда. Поэтому в высоковольтном исполнении вместо этого часто используется «шариковая пайка» с большими сферическими соединениями (рис. 2) . Гладкая сферическая форма паяного соединения большого диаметра помогает контролировать локальное электрическое поле, тем самым подавляя образование короны.

Рис. 2. В терминах высокого напряжения каждый аспект физической конструкции имеет решающее значение: стандартное паяное соединение будет способствовать коронному разряду, поэтому соединения должны быть выполнены в виде шаров без углов. (Источник изображения: Spellman High Voltage Electronics Corporation)

В: Должен ли я построить собственную высоковольтную цепь?

A: Плохая идея, потому что это гораздо больше, чем просто схема и спецификация, и сама спецификация содержит действительно уникальные детали. Это очень опасный мир, где просто «быть осторожным» недостаточно, и даже малейшая ошибка или оплошность имеют смертельные последствия. Физическое расстояние, характеристики компонентов, изоляционные свойства, несовершенства точечных отверстий и разрушение материала — это лишь некоторые из множества вопросов. Защита цепей также уникальна: необходимы специальные предохранители и другие устройства защиты от перенапряжения/перегрузки по току.

В: Похоже, никто этим не занимается, верно?

A: Неудивительно, что это не останавливает людей от этого, как видно из постинга, в котором показано, как кто-то создает множитель для десятков киловольт (, ссылка 7 ). Не пытайтесь повторить это дома (или даже в лаборатории), если рядом с вами нет кого-то, кто имеет опыт строительства высоковольтных систем (и может позвать на помощь — хотя обычно в этот момент уже слишком поздно!). Наконец, есть сложные вопросы регулирования, если вы собираетесь производить и продавать продукт.

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

О: Да, действительно. Команда Массачусетского технологического института недавно построила и испытала самолет с размахом крыльев в несколько метров, но без движущихся частей (подробности в , каталожные номера 8 и 9 ), (рис. 3) . Вместо этого он использует поток отрицательных ионов, притягиваемых высоковольтным положительным электростатическим полем через заднюю кромку крыла. Этот свободно летающий летательный аппарат без привязи имеет бортовую батарею (номинально на 200 В постоянного тока) для источника питания мощностью 600 Вт (

Рисунок 4 (разработан Исследовательской группой силовой электроники Исследовательской лаборатории электроники Массачусетского технологического института). В нем используется импульсный регулятор, за которым следует повышающий трансформатор 1:15, а затем шестиступенчатый двухполупериодный умножитель напряжения «Cockcroft-Walton» для обеспечения 20 кВ постоянного тока (см. , каталожные номера 10 и 11 ).

Рис. 3: Высокие напряжения являются ключевыми для некоторых очень необычных приложений, таких как этот самолет Массачусетского технологического института, который приводится в движение потоком ионов через крыло; ионы притягиваются к «забору» 20 кВ на задней кромке крыла. (Источник изображения: Массачусетский технологический институт) Рис. 4. В самолете Массачусетского технологического института находится подсистема питания постоянного/постоянного тока, которая преобразует 200 В постоянного тока от бортовых батарей в сигнал переменного тока, а затем преобразует его в 20 кВ постоянного тока с использованием топологии умножителя Кокрофта-Уолтона. (Источник изображения: Массачусетский технологический институт)

В этом разделе часто задаваемых вопросов кратко рассматривается странный, но важный мир высоковольтных усилителей и умножителей, некоторые из которых приводят к несколько более высоким напряжениям, а некоторые достигают киловольтного диапазона.