Как работает умножитель напряжения — Меандр — занимательная электроника

Умножители напряжения нашли широкое применение в современной электронной технике. Под умножителем напряжения подразумевают устройство, которое позволяет получить от переменного напряжения — высоковольтное постоянное. К примеру, умножители напряжения используют в телевизионной технике, в электрошоковых устройствах, в медицинских приборах и т.п.

Любительская конструкция умножителя напряжения

Удвоитель напряжения

Поначалу рассмотрим схему удвоителя напряжения.

Симметричный удвоитель напряжения или, по фамилии ученого, выпрямитель На­тура — это устройство, представляющее собой два последовательно включенных однополупериодных выпрямителя. Оно предназначено для питания нагрузки посто­янным напряжением. Принципиальная схема симметричного удвоителя переменно­го напряжения дана на рис. 1.

Рис. 1

Пусть в течение одного полупериода к катоду диода VD1 и к аноду диода VD2 приложено положительное напряжение. Диод VD1 будет закрыт, и обратный ток через него будет мал, а диод VD2 будет открыт, и через него будет течь ток, заря­жающий конденсатор С2.

В течение второго полупериода к катоду диода VD1 и к аноду диода VD2 будет приложено отрицательное напряжение. Диод VD1 будет открыт, и через него будет течь ток, заряжающий конденсатор С1, а в это время диод VD2 будет закрыт. На­пряжение на нагрузке будет в два раза больше, чем на одном конденсаторе, ввиду того, что конденсаторы включены последовательно. Емкость конденсаторов выби­рают так, чтобы в течение периода они не сильно разрядились. Если ток нагрузки невелик и высока частота питающей сети, то емкость конденсаторов С1 и С2 может быть небольшой.

Реакция нагрузки рассматриваемого удвоителя — емкостная. Наиболее рацио­нально использовать симметричный удвоитель напряжения для обеспечения высо­кого выпрямленного напряжения, составляющего от сотен вольт до нескольких ки­ловольт, при мощности нагрузки примерно до 100 Вт и при небольшом токе нагруз­ки от единиц до сотен миллиампер.

Чем выше частота питающей сети, тем ниже внутреннее сопротивление удвои­теля напряжения и тем выше его эффективность. При протекании через диоды оди­наковых постоянных составляющих тока подмагничивание сердечника отсутствует. Пульсация на каждом из конденсаторов С1 и С2 равна частоте сети переменного то­ка, а частота пульсации на нагрузке равна удвоенной частоте питающей сети.

Достоинства:

• отсутствие подмагничивания магнитопровода трансформатора ТV1;
• возможно функционирование удвоителя напряжения без трансформатора.

Недостаток: при неравной величине потребления нагрузкой тока в течение по­лупериодов или при наличии неодинаковых емкостей конденсаторов С1 и С2 не ис­ключено возникновение пульсаций выпрямленного напряжения с частотой питаю­щей сети. По этой причине емкость конденсаторов необходимо выбирать с сущест­венным запасом с учетом неравномерного уменьшения емкостей при старении кон­денсаторов, а параллельно с каждым конденсатором желательно включить по рези­стору с одинаковыми номинальными сопротивлениями, которые будут выравнивать напряжения на конденсаторах.

Однофазный умножитель напряжения

Для получения из относительно низкого пе­ременного напряжения питающей сети в несколько раз более высокое выпрямлен­ное напряжение используют умножители с большим числом диодов и конденсаторов. Увеличить напряжение можно в определенное целое число раз, что отражает коэффициент умножения. Принципиальная схема однофазного умножите­ля переменного напряжения с коэффициентом умножения 5 показана на рис. 2.

Рис. 2

Поскольку выходное напряжение рассматриваемого умножителя напряжения в пять раз выше входного, говорят, что коэффициент умножения равен 5.

Изучим принцип действия умножителя напряжения, пренебрегая падением на­пряжения на диодах в прямом включении. Напряжения на вторичной обмотке тран­сформатора могут быть неравны условно при положительной и при отрицательной полярности, что имеет место в трансформаторе блока строчной развертки, и поэто­му при описании принципа действия будем указывать эти два напряжения, соответ­ственно как U1 и U2, отдельно. На вход умножителя с вторичной обмотки транс­форматора ТV1 поступает переменное напряжение, причем положительное напря­жение U1 приложено к конденсатору С1, а отрицательное — к катоду диода VD1 и конденсатору С2. Конденсатор С1 заряжается через открытый диод VD1 до на­пряжения U1.

При смене полярности напряжения на вторичной обмотке трансформатора ТV1 диод VD1 заперт. Ток течет по цепи от вторичной обмотки трансформатора ТV1, через конденсатор С2, диод VD2, конденсатор С1 и притекает во вторичную обмот­ку трансформатора. Конденсатор С2 заряжается до напряжения, равного сумме об­ратного напряжения U2 на вторичной обмотке трансформатора ТV1 и напряжения на заряженном конденсаторе С1, т.е. U1 + U2.

При новой смене полярности питающего переменного напряжения диод VD2 закрывается, а диод VDЗ открывается, и через него заряжается конденсатор СЗ. К правой обкладке конденсатора СЗ приложена сумма напряжений на заряженном конденсаторе С2 и на вторичной обмотке трансформатора, т.е. U1+(U1+U2), а к левой обкладке приложено напряжение -U1 с заряженного конденсатора С1. Пос­кольку оба приложенных к обкладкам конденсатора напряжения направлены встречно, конденсатор СЗ заряжается до разности напряжений: UСЗ = U1+(U1+U2)-U1 = U1+U2.

При очередной смене полярности переменного напряжения на вторичной об­мотке трансформатора ТV1 диод VDЗ закрывается, а диод VD4 открывается. Через открытый диод VD4 заряжается конденсатор С4. К правой обкладке конденсатора С4 приложено напряжение заряженных конденсаторов С1 и СЗ, а к левой — напря­жение на конденсаторе С2 и напряжение U2 с вторичной обмотки трансформатора ТV1. Эти два напряжения направлены встречно, поэтому напряжение на конденса­торе С4 можно найти следующим образом: UС4= U1+U1+U2-(U1+ U1-U2)=U1+U2.

При следующей смене полярности переменного напряжения на обмотке транс­форматора ТV1 диод VD4 закрывается, а диод VD5 открывается, и через него заря­жается конденсатор С5. Напряжение на конденсаторе С5 — это разность между приложенными к его обкладкам напряжениями U1+UC2+UС4 и UC1+UCЗ, что можно записать в виде формулы: UC5 = U1+U1+U2+U1+U2-(U1+U1+U2) = U1+U2.

Как видим, к конденсаторам C2, CЗ, С4 и C5 приложено напряжение U1 + U2, а напряжение, приложенное к нагрузке умножителя, равно сумме напряжений на конденсаторах С1, СЗ и С5 ввиду того, что они включены последовательно. Напря­жение на нагрузке будет равно: URн = U1+U1+U2+U1+U2 = 3U1 + 2U2.

Обычно конструктивно умножители напряжения представляют собой соеди­ненные определенным образом диоды и конденсаторы, залитые эпоксидным компа­ундом и выполненные в виде монолитного компонента.

Умножители напряжения используют для получения высокого напряжения, ко­торым, например, питают второй анод кинескопа телевизионного приемника с элек­тронно-лучевой трубкой. В таких умножителях напряжения обычно применяют пять диодов и четыре конденсатора или пять конденсаторов и шесть диодов. Кроме того, умножители напряжения в телевизорах вырабатывают напряжение, подаваемое на фокусирующий электрод кинескопа. С этой целью в корпусе умножителя напряжения предусмотрен специальный вывод.

Зачастую в каскадах строчной развертки телевизоров используют не отдельные умножители напряжения, а высоковольтные трансформаторно-выпрямительные блоки. Такие блоки содержат залитые компаундом диоды, конденсаторы и строч­ный трансформатор. Использование монолитного умножителя напряжения вместо высоковольтного трансформатора позволяет повысить надежность изделия ввиду отсутствия внешних соединений высоковольтных цепей и меньшего напряжения между обмотками трансформатора.

Достоинство умножителя напряжения: напряжение на всех конденсаторах, ис­ключая первый, равно сумме напряжений на вторичной обмотке трансформатора при его положительной и отрицательной полярности.

Недостатки:

• требуется большое количество диодов, число которых зависит от желаемого коэффициента умножения;
• необходимо использовать запасающие энергию конденсаторы;
• частота пульсации выходного напряжения равна частоте питающей сети.

мир электроники — Умножитель напряжения

Электронные устройства

  материалы в категории

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

А вот как работает умножитель напряжения сейчас мы и разберемся.

---

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

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

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

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

В отрицательный полупериод входного напряжения конденсатор С1 заряжается до амплитудного значения входного напряжения — U

m.
Во время положительного полупериода начинает заряжаться С2 до значения U_C2 = U_m + U_C1 = 2U_m, т. е. на выходе получается удвоенное значение амплитуды входного напряжения. Все очень просто.

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

В положительный полупериод С1 заряжается через VD1 до значения U_m. В следующий полупериод С2 заряжается через VD2 до значения, равного сумме напряжений на конденсаторе С1 и U_m, т. е. U_C2 = U_C1 + U_m = 2U_m.
В следующий (третий) положительный полупериод, когда прошла повторная зарядка С1 через диод VD1, диод VD2 закрывается, кондер С2 разряжается через диод VD3 на С3, зарядив последний до 2U

m, т. е. до удвоенного амплитудного значения. По окончанию заряда С1 нагрузка окажется под суммарным напряжением кондеров С1 и С3.
Поскольку на С3 удвоенное значение напряжения, на нагрузке выделяется напряжение U_вых = U_C1 + U_C3 = 3U_m.

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

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

Умножитель напряжения база-эмиттер — Википедия

Простейший умножитель Vбэ

Умножи́тель напряже́ния ба́за-эми́ттер (умножитель Vбэ) — двухвыводной электронный источник опорного напряжения, пропорционального напряжению на прямо смещённом эмиттерном переходе биполярного транзистора (Vбэ). Простейший умножитель Vбэ состоит из резистивного делителя напряжения, задающего коэффициент умножения, и управляемого им биполярного транзистора. При подключении умножителя Vбэ к источнику тока падение напряжения на умножителе, как и само Vбэ, комплементарно абсолютной температуре: с ростом температуры оно уменьшается по закону, близкому к линейному. Умножитель Vбэ эквивалентен цепочке прямо смещённых полупроводниковых диодов, однако в отличие от неё коэффициент умножения транзисторной цепи может принимать любые целочисленные либо дробные значения, бо́льшие единицы, и может регулироваться подстроечным резистором.

Основная функция умножителя Vбэ — температурная стабилизация выходных каскадов усилителей мощности на биполярных и МДП-транзисторах. Транзистор умножителя, смонтированный на теплоотводе выходных транзисторов (или непосредственно на кристалле выходного транзистора или интегральной схемы), отслеживает их температуру и непрерывно корректирует напряжение смещения, задающее рабочую точку каскада.

Принцип действия. Основные показатели[править | править код]

Простейший умножитель Vбэ — двухполюсник, состоящий из биполярного транзистора Т1 под управлением делителя напряжения R1R2. Внутреннее сопротивление цепи, в которую включается этот двухполюсник, должно быть достаточно велико, чтобы ограничивать коллекторный ток T1 на безопасном уровне; в практических схемах ток через умножитель обычно задаётся источником тока. Сопротивление делителя выбирается достаточно низким, чтобы протекающий через R2 ток базы Т1 был намного ниже тока делителя. В этих условиях транзистор охвачен отрицательной обратной связью, благодаря которой напряжение коллектор-эмиттер Т1 (Vкэ) устанавливается на уровне, пропорциональном напряжению на его эмиттерном переходе (Vбэ). Tемпературный коэффициент (ТКН) Vкэ и внутреннее сопротивление между коллектором и эмиттером Rкэ подчиняются той же зависимости:

Vкэ = k·Vбэ;

TKH (Vкэ) = dRкэ/dT = k·dRбэ/dT ≈ −2,2·k мВ/K при 300 К;

Rкэ = k (v_t / I_э),

где коэффициент умножения k = 1+R₂/R₁, а v_t — температурный потенциал, пропорциональный абсолютной температуре (для кремния при 300 К примерно равен 26 мВ)^[1][2][3].

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) идеализированного умножителя Vбэ совпадает с ВАХ транзистора в диодном включении, растянутой

[комм. 1] вдоль оси напряжений в k раз.

Уменьшение внутреннего сопротивления[править | править код]

Умножитель Vбэ с добавочным сопротивлением R3 Ампер-вольтовая характеристика умножителя Vбэ до и после подбора оптимального R3 [4] Умножитель Vбэ на комплементарной двойке с локальной ООС

Для применения в высококачественных усилителях мощности внутреннее сопротивление простейшего умножителя Vбэ недопустимо велико́. Неизбежные изменения тока, протекающего через такой умножитель, сдвигают напряжение на нём на десятки мВ; cдвиг рабочей точки выходного каскада, оптимизированного на минимум нелинейных искажений, на такую величину неизбежно увеличивает искажения

[5]^[4]. Простое и эффективное решение этой проблемы — включение в цепь коллектора T1 резистора R3, величина которого равна внутреннему сопротивлению умножителя^[6]. В первом приближении всё напряжение ошибки, пропорциональное току коллектора, падает на этом резисторе; выходное напряжение умножителя, снимаемое с коллектора и эмиттера Т1 (Vкэ), более не зависит от протекающего тока^[6]. Действительная ВАХ усовершенствованного умножителя Vбэ имеет нелинейный, но весьма близкий к линейному, характер. При оптимальном подборе R3 выходное напряжение в рабочей точке максимально, а с изменением тока оно незначительно, плавно спадает^[4]. R3 требует именно подбора опытным путём, так как внутреннее сопротивление реального транзистора может в два и более раз превосходить расчётное ^[7].

Другой способ снижения внутреннего сопротивления — применение комплементарной транзисторной двойки с локальной обратной связью. Датчиком температуры в ней служит транзистор Т1, ток которого ограничен величиной Vбэ*R3. При достижении этого порога открывается транзистор Т2, который шунтирует избыточный ток в обход Т1^[8]. Схема не требует оптимизации величины R3 (она зависит только от целевого значения тока через Т1), снижает внутреннее сопротивление умножителя на порядок во всём диапазоне рабочих токов и мало зависит от коэффициента усиления транзисторов по току^[8][9]

. Её главные недостатки — нежелательное усложнение критически важного узла и вероятность самовозбуждения, свойственная всем схемам с многопетлевой ООС^[8][10]. Для предотвращения самовозбуждения обычно достаточно шунтировать выход умножителя конденсатором; для гарантированной устойчивости последовательно с эмиттером Т2 включают балластный резистор величиной около 50 Ом. При этом выходное сопротивление повышается, но не превышает 2 Ом^[10].

На высоких частотах эффективность охватывающей транзистор обратной связи падает, полное сопротивление умножителя Vбэ возрастает^[7]. Например, в типичном умножителе на транзисторе 2N5511 (граничная частота усиления тока 100 МГц) частота среза, выше которой сопротивление умножителя принимает индуктивный характер, равна 2,3 МГц

[7]. Для нейтрализации этого явления достаточно зашунтировать умножитель Vбэ ёмкостью в 0,1 мкФ (на практике применяют ёмкости в диапазоне 0,1…10 мкФ)^[7].

Управление температурным коэффициентом напряжения[править | править код]

Схемы на двух последовательно включённых умножителях Принцип использования ИОН для уменьшения (слева) и увеличения (справа) ТКН Умножитель с повышенным в 1,5 раза ТКН с вольтодобавкой на бандгапе

Жёсткую связь между выходным напряжением простейшего умножителя Vбэ и его температурным коэффициентом можно разорвать несколькими способами.

Для уменьшения ТКН при достаточно больших k применяется последовательное включение двух простейших умножителей Vбэ. Суммарное напряжение такой цепи устанавливается равным необходимому напряжению смещению, но на теплоотвод выходного каскада устанавливается лишь один из транзисторов (Т1). Второй транзистор (Т2), размещённый на печатной плате, отслеживает температуру воздуха в корпусе и практически не влияет на режим работы выходных транзисторов.

Альтернативный способ уменьшения ТКН при больших k — замена резистора R2 на последовательное соединение резистора и термостабилизированного источника опорного напряжения (ИОН), например, бандгапа TL431 на ≈2,5 В. Абсолютная величина ТКН по-прежнему определяется делителем напряжения R1R2, но напряжение на выводах такого умножителя больше, чем напряжение простейшего умножителя Vбэ, на величину напряжения ИОН. В схемах с малым k величина вольтодобавки может быть уменьшена до требуемых значений в несколько сотен мВ с помощью отдельного делителя напряжения^[11]. Аналогичным образом можно и увеличить ТКН — для этого вольтодобавка включается в нижнее плечо делителя, между эмиттером транзистора и R1. Величина вольтодобавки не может превышать Uбэ (на практике используются напряжения 0…400 мВ), поэтому делитель на выходе ИОН обязателен^[12].

В низковольтных умножителях с k=2…4 напряжение на входных зажимах умножителя (1,3…3,0 В) недостаточно для питания типичного интегрального ИОН на напряжение 2,5 В. В таких схемах ИОН запитывается через собственный отвод от шины питания, а ток ИОН стабилизируется отдельным источником тока или привязкой (англ. bootstrapping) к выходу мощного каскада^[13].

Умножитель Vбэ в двухтактном усилителе мощности на биполярных транзисторах

Принципиальная схема. Умножитель Vбэ обведён рамкой

Традиционный вариант исполнения. Транзистор-датчик умножителя размещён в центре теплоотвода между тройками выходных транзисторов^[14]

Абсолютное большинство^[15][16] транзисторных усилителей мощности звуковой частоты (УМЗЧ) строится по модифицированной схеме Лина. Выходным каскадом таких УМЗЧ служит двухтактный эмиттерный повторитель в режиме AB или B на комплементарных биполярных транзисторах либо истоковый повторитель на комплементарных МДП-транзисторах с горизонтальным или вертикальным каналом. Биполярные повторители на практике обычно состоят из двух или трёх последовательно соединённых каскадов усиления тока, повторители на МДП структурах состоят из предварительного каскада (драйвера) на биполярных транзисторах и выходного МДП-каскада^{[17][комм. 2]}. В конструкциях 1960-х годов для установки и стабилизации тока покоя выходного каскада применялись резисторно-диодные цепи; после публикации Артура Бейли в Wireless World в мае 1968 года^{[18][комм. 3]} для этой цели, практически безальтернативно, применялись транзисторные умножители Vбэ^[19]. В типичном УМЗЧ такого рода умножитель Vбэ включается в выходную цепь каскада усиления напряжения (КУН), ток которой (порядка 3…10 мА) задаётся источником тока^[20][21]. Транзистор умножителя Vбэ монтируется на теплоотводе выходных транзисторов и выполняет роль датчика: с ростом температуры теплоотвода его собственное Vбэ, а с ним и напряжение на выводах умножителя, уменьшается.

Конфигурация умножителя Vбэ зависит, в первую очередь, от типа выходных транзисторов, который определяет требования к напряжению смещения Vсм и его температурному коэффициенту (ТКН):

• Напряжение смещения между базой и эмиттером (Vбэ) кремниевого биполярного транзистора составляет 0,5…0,8 В. Напряжение смещения двухкаскадного эмиттерного повторителя примерно равно четырём Vбэ (k≈4), трёхкаскадного — шести Vбэ, или примерно 4 В^[22] (k≈6), и так далее. С ростом температуры на один градус оптимальное Vбэ каждого транзистора уменьшается на 2,2 мВ^[1]. При жёстко стабилизированном Uсм такой каскад склонен к тепловому разгону, вплоть до катастрофического перегрева. Ток покоя (точнее — пропорциональное току покоя падение напряжения на балластных резисторах в цепи эмиттеров выходных каскадов), напротив, должен быть надёжно стабилизирован: даже незначительные отклонения от оптимальной величины приводят к росту искажений^[23][24]. В теории для стабилизации тока и мощности, рассеиваемой мощным каскадом в покое, хорошо подходит простейший умножитель Vбэ, так как его ТКН совпадает с расчётным ТКН управляемого им выходного каскада. В реальных схемах ТКН простейшего умножителя может быть избыточным; в таких случаях предпочтительна схема с уменьшенным ТКН. Нейтрализация внутреннего сопротивления на практике обязательна.
• Напряжение смещения между затвором и истоком (Vзи) МДП-транзистора с вертикальным каналом составляет от 1,7 до 4 В и при типичных для УМЗЧ токах покоя, порядка 150 мА, имеет отрицательный ТКН −4…−6мВ/K^{[комм. 4]}. Температурная стабилизация таких каскадов обязательна^[26]. При использовании простейшего умножителя Vбэ его ТКН в два и более раз превосходит ТКН транзисторов, что приводит к перерегулированию, поэтому уменьшение ТКН обязательно.
• Напряжение смещения между затвором и истоком МДП-транзистора с горизонтальным каналом составляет около 0,7 В. Температурная стабилизация таким транзисторам не требуется: при токах в десятки и сотни мА ТКН Vзи близок к нулю (рост температуры практически не влияет на ток покоя), а при бо́льших токах он становится положительным, что само по себе обеспечивает стабильность тока покоя. Умножитель Vбэ для такого каскада может строиться по простейшей схеме, но транзистор умножителя следует монтировать не на теплоотвод мощных транзисторов, а на печатную плату^[26].

В идеале Vбэ датчика должно непрерывно отслеживать Vбэ выходных транзисторов с некоторым неизбежным сдвигом из-за теплового сопротивления конструкции. В реальных каскадах на дискретных транзисторах время установления теплового равновесия измеряется минутами или десятками минут^[27][28]. Особенно велико оно в традиционной конструкции, когда транзистор-датчик крепится к теплоотводу выходных транзисторов. Заметно быстрее реагирует на температурные сдвиги транзистор-датчик, закреплённый непосредственно на корпусе мощного транзистора — тем же болтом, что крепит мощный транзистор к теплоотводу^[29][10]. Наименьшее время установления, порядка одной минуты, свойственно мощным транзисторам со встроенным температурным датчиком^{[30][комм. 5]}. Номенклатура таких приборов слишком узка; в схемотехнике УМЗЧ по-прежнему преобладают обычные, не оснащённые датчиками, транзисторы^[32].

Умножитель Vбэ — критически важный структурный узел УМЗЧ: конструктивные недостатки или случайные отказы умножителя могут, с высокой вероятностью, приводить к катастрофическому перегреву выходных транзисторов. Поэтому на практике предпочтительны простые схемы умножителей на минимальном наборе компонентов^[8]. Наименее надёжный компонент умножителя — подстроечный резистор — следует размещать в нижнем плече делителя напряжения (между базой и эмиттером Т1), чтобы при обрыве ползунка умножитель уменьшал, а не увеличивал, напряжение смещения и ток покоя^[33].

1. ↑ C этим свойством связаны исторические англоязычные названия этой схемы — rubber diode, буквально «резиновый диод», и amplified diode, буквально «усиленный [по напряжению] диод».
2. ↑ МДП транзисторы не нуждаются в постоянном входном токе, поэтому в ряде конструкций драйвер отсутствует: затворы выходных транзисторов управляются непосредственно каскадом усиления напряжения (КУН). Как правило, на высоких частотах КУН не способен своевременно перезаряжать ёмкости выходных транзисторов, поэтому в высококачественных УМЗЧ такая «экономия» нежелательна^[17]
3. ↑ Arthur R. Bailey. 30-watt High Fidelity Amplifier. — 1968. — № May 1968. — P. 94-98. В схеме Бейли использовалось два элементарных умножителя: один задавал смещение входного каскада, другой — смещение выходного каскада.
4. ↑ C ростом тока ТКН падает до нуля, а затем становится положительным. Точка, в которой ТКН принимает нулевое значение, лежит в области токов, измеряемых единицами или десятками А, поэтому использовать её в качестве рабочей невозможно^[25]
5. ↑ Cтоль медленная, по меркам интегральных схем, реакция обусловлена тем, что транзистор-датчик не размещается на кристалле мощного транзистора, а представляет собой отдельный кристалл, припаянный к металлическому кристаллодержателю мощного транзистора^[31].

1. ↑ ^{1 2} Cordell, 2011, p. 50.
2. ↑ Степаненко, 1977, формула 4-22.
3. ↑ Сухов, 1985, с. 101.
4. ↑ ^{1 2 3} Self, 2010, p. 178.
5. ↑ Cordell, 2011, p. 291.
6. ↑ ^{1 2} Cordell, 2011, p. 292.
7. ↑ ^{1 2 3 4} Cordell, 2011, p. 41.
8. ↑ ^{1 2 3 4} Self, 2010, p. 533.
9. ↑ Cordell, 2011, p. 294.
10. ↑ ^{1 2 3} Cordell, 2011, p. 295.
11. ↑ Self, 2010, pp. 361—362.
12. ↑ Self, 2010, pp. 359-360.
13. ↑ Self, 2010, p. 360.
14. ↑ Подробно рассматривается в документации производителя: Phoenix Gold. Phoenix Gold MS 2125 Power Amplifier. Service Manual. — 1995.
15. ↑ Self, 2010, p. 62: «the generic configuration is by a long way the most popular».
16. ↑ Cordell, 2011, p. 11: «the vast majority of power amplifier designs».
17. ↑ ^{1 2} Cordell, 2011, p. 215.
18. ↑ Hood, 2006, pp. 156, 175.
19. ↑ Cordell, 2011, p. 190.
20. ↑ Cordell, 2011, p. 13.
21. ↑ Self, 2010, pp. 95—97.
22. ↑ Cordell, 2011, p. 227.
23. ↑ Cordell, 2011, p. 290.
24. ↑ Self, 2010, p. 152.
25. ↑ Cordell, 2011, p. 228.
26. ↑ ^{1 2} Cordell, 2011, pp. 215, 228.
27. ↑ Cordell, 2011, p. 230.
28. ↑ Self, 2010, p. 335, 346.
29. ↑ Self, 2010, p. 349.
30. ↑ Cordell, 2011, pp. 230, 295.
31. ↑ Cordell, 2011, pp. 304—305.
32. ↑ Cordell, 2011, pp. 304—313.
33. ↑ Self, 2010, pp. 440—441.

• Степаненко, И. П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. — М.: Энергия, 1977.
• Сухов, Н. Е. и др. Техника высококачественного воспроизведения. — Киев : Техніка, 1985.
• Cordell, B. Designing Audio Power Amplifiers. — McGraw-Hill, 2011. — ISBN 9780071640244.
• Duncan, B. High Performance Audio Power Amplifiers. — Newnes, 1996. — ISBN 9780750626293.
• Hood, J. L. Chapter 14. Power Amplifier Stages // Audio and Hi-Fi Handbook / Editor: Sinclair, I.. — 3rd ed.. — Newnes, 1998. — P. 252-275. — ISBN 075063636X.
• Hood, J. L. Valve and Transistor Audio Amplifiers. — Newnes, 2006. — ISBN 0750633565.
• Jones, M. Valve Amplifiers (3rd edition). — Newnes / Elsevier, 2003. — ISBN 0750656948.
• Self, D. Audio Power Amplifier Design Handbook. — 4th ed.. — Newnes, 2010. — ISBN 9780240521770.
• Wai-Kai Chen. Analog and VLSI Circuits. — CRC Press, 2009. — (The Circuits and Filters Handbook, 3rd Edition). — ISBN 9781420058925.

Типы однофазных умножителей напряжения



Типы однофазных умножителей напряжения

Типы однофазных умножителей напряжения

В этой статье мы рассмотрим устройство и функционирование умножителя напряжения в самом общем виде. Будем исследовать не один конкретный тип умножителя, а весь класс всех возможных умножителей в целом. Такой подход даст возможность решить очень интересные задачи. В частности, получим алгоритм конструирования умножителя любой степени сложности, а также выявим признаки, позволяющие легко распознать умножитель в сторонних разработках. Выясним, какие вообще возможны типы умножителей, насколько их много, что у них общего, чем они отличаются, в каких случаях какие типы более предпочтительны. Найдём универсальное объяснение принципа действия умножителя, подходящее для устройства с любой структурой.

Оглавление
Введение
Обобщённая структура умножителя
Принцип действия умножителя. Построение умножителя с произвольным (целым) коэффициентом умножения
Поиск всех возможных схем умножителей
Параметры умножителя данного типа

Ссылки на внешние документы
Сравнение характеристик однофазных умножителей разных типов
Универсальный решатель умножителей
Умножитель напряжения (детальный анализ типа A)



Введение

Однофазные умножители напряжения уже были достаточно подробно рассмотрены в статье «Умножитель напряжения», в которой описывается принцип действия этих устройств, приводится алгоритм построения умножителя из элементарных звеньев, исследуется переходный процесс при включении, анализируется работа в установившемся режиме под нагрузкой, выводятся формулы для расчёта умножителя с произвольным коэффициентом умножения. Все рассмотренные там устройства имели одинаковую структуру — подобную структуре умножителя, схема которого изображена на рис. %img:typea_x6.

Рис. %img:typea_x6

Однако, как справедливо заметили внимательные читатели, существуют умножители других типов, с иной структурой. В качестве примера приведём такую, немного устрашающего вида схему: рис. %img:typeb_x13 (позаимствовано из документа J. J. Kisch R. M. Martinelli, «High Frequency Capacitor-Diode Voltage Multiplier. DC-DC Converter Development»).

Рис. %img:typeb_x13

Здесь, в установившемся режиме без нагрузки, в отличие от рассмотренных ранее схем, напряжения на конденсаторах оказываются вдвое большими, т.е. в 4 раза больше амплитуды питающего напряжения (кроме первых трёх конденсаторов, напряжения на которых соответственно устанавливаются равными Ua, 2Ua, 3Ua).

Для определённости, рассмотренные ранее устройства будем условно считать относящимися к типу A. Устройства, имеющие такую же структуру, как на рис. %img:typeb_x13, условно отнесём к типу B.

Попробуем разобраться, сколько вообще может быть разных типов умножителей; что у них общего в структуре и чем они отличаются; как можно объяснить их принцип действия и как сконструировать такие сложные устройства, вроде изображённого на рис. %img:typeb_x13. Неплохо было бы также найти параметры умножителей других типов и выяснить, в каких случаях их выгодно применять.

Обобщённая структура умножителя

Схему на рис. %img:typea_x6 можно изобразить так, что диоды будут выстроены в одну линию (рис. %img:typea_x6_lin).

Рис. %img:typea_x6_lin

Такой вариант изображения особенно отчётливо показывает, что умножитель содержит в себе цепь из последовательно соединённых диодов (включённых в одном направлении), которая дополняется некоторой обвязкой из конденсаторов.

Можно показать, что любой умножитель должен содержать подобную диодную цепь, а различия между устройствами с разной структурой сводятся к различным вариантам подключения конденсаторов.

Рис. %img:blck_dgm

На рис. %img:blck_dgm изображена цепь, состоящая из источника переменного напряжения V, умножителя xV и нагрузки R_L (L — Load, нагрузка). Умножитель здесь имеет вид трёхполюсника, вход A которого подключён к источнику, выход B — к нагрузке R_L, O — общая точка. Через нагрузку течёт постоянный ток I_L.

Но для того, чтобы через нагрузку мог течь постоянный ток, для него должен существовать замкнутый контур, включающий ветвь R_L. В данной ситуации это означает, что внутри трёхполюсника обязательно присутствует путь для постоянного тока. Он может проходить между точками A и B, и тогда контур для тока нагрузки замкнётся через питающий источник переменного напряжения. Или между точками O и B, и тогда постоянный ток нагрузки замкнётся через общий провод (рис. %img:cpath). Далее покажем, что через источник постоянная составляющая тока протекает в случае подключения умножителей с нечётным коэффициентом и отсутствует (замыкается через общий провод) в умножителях с чётным коэффициентом.

Рис. %img:cpath

Элементная база умножителя включает в себя диоды и конденсаторы. Из них только диоды могут образовывать цепь для прохождения постоянного тока (конденсатор для постоянного тока эквивалентен разрыву цепи). Таким образом, мы приходим к необходимому условию для реализации умножителя — умножитель обязательно должен содержать цепочку последовательно соединённых диодов, включённых в одном направлении. Иначе в цепи будет отсутствовать замкнутый контур для постоянного тока и протекание постоянного тока через нагрузку станет невозможным.

В частном случае, когда мы имеем в наличии единственный диод, можем соединить им точки A и B, получив однополупериодный выпрямитель, или умножитель на 1 (в этом случае между точками O и B ставим сглаживающий конденсатор). Можно обойтись вообще без диодов, если для общности включить в рассмотрение случай вырожденного умножителя: точки O и B замыкаем проводником — и получаем прекрасный умножитель на 0, очевидно, с нулевым напряжением на выходе.

Рис. %img:triv_m

Наличие цепи из последовательно соединённых диодов — необходимое условие работоспособности умножителя, но в принципе, эта основная цепь может быть усложнена дополнительными диодами, включёнными так или иначе между узлами цепи. Однако, если учесть, что в работающем умножителе потенциал закономерно возрастает при переходе от одного узла основной диодной цепи к следующему, то можно показать, что включение «лишних» диодов в цепь либо нарушает работу устройства (например, «встречное» включение диода между узлами основной диодной цепи), либо не влияет на работу (например, включение диода между узлами в согласованном направлении — диод будет всё время закрыт), либо не имеет особого смысла (например, работа двух идентичных параллельных цепей из диодов на общую нагрузку — это может быть выгодно в многофазных умножителях, но не даёт преимуществ в однофазных).

Понятно, что цепь из последовательно соединённых диодов сама по себе не обладает свойствами умножения напряжения. Чтобы получить умножитель, схема должна быть дополнена конденсаторами, подключенными вполне определённым образом. Об этом далее.

Принцип действия умножителя. Построение умножителя с произвольным (целым) коэффициентом умножения

Опишем построение умножителя с коэффициентом n+2 на основе умножителя с коэффициентом n. Применяя описанный приём требуемое количество раз, сможем получить любой чётный коэффициент, если начнём с коэффициента 0 и любой нечётный — если начнём с коэффициента 1. А умножители на 0 и на 1 рассмотрены в предыдущем пункте, так что задача будет решена!

Вначале будем рассматривать работу без нагрузки. Итак, имеется источник переменного напряжения с амплитудой Ua, имеется точка A с потенциалом n*Ua (например, выход умножителя, который мы хотим нарастить для получения коэффициента n+2; в частности, это может быть точка с потенциалом 0 — общий провод или Ua — выход однополупериодного выпрямителя).

Рис. %img:chain_link1

Подключаем между точкой A (u=n*Ua) и источником переменного напряжения цепь из диода D1 и конденсатора C1 (рис. %img:chain_link1). Конденсатор является разделительным, предотвращает замыкание точки A на источник питания при открытом диоде. В момент, когда мгновенное напряжение источника достигает значения u=-Ua, разность потенциалов между точками A и V достигает значения n*Ua-(-Ua)=n*Ua+Ua=(n+1)*Ua, а значит, в установившемся режиме конденсатор C1 будет заряжен до напряжения (n+1)*Ua и благодаря наличию диода D1 далее напряжение на нём не будет изменяться. Следовательно, в точке B напряжение, равное сумме мгновенного напряжения источника и напряжения на конденсаторе C1, будет содержать постоянную составляющую (n+1)*Ua и переменную составляющую с амплитудой Ua. Потенциал точки B при этом будет периодически изменяться между минимальным значением n*Ua и максимальным (n+2)*Ua.

Рис. %img:chain_link2

Это означает, что если мы подключим к точке B ещё одну цепочку из диода и конденсатора — D2, C2, как показано на рис. %img:chain_link2, то в установившемся режиме конденсатор C2 зафиксирует пиковое напряжение точки B, т.е. (n+2)*Ua, что нам и требовалось получить. Построенное нами элементарное звено, состоящее из двух диодов и двух конденсаторов, может использоваться для конструирования умножителей с любым коэффи