Умножители напряжения на диодах — Club155.ru

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

Схемы умножителей, как правило, строятся с использованием свойств однофазного однополупериодного выпрямителя, работающего на емкостную нагрузку. Этот выпрямитель во время своей работы может создавать между определенными точками напряжение, величина которого больше величины входного напряжения. Если рассмотреть приведенный в предыдущем разделе анализ работы однофазного однополупериодного выпрямителя с емкостной нагрузкой, можно понять, что названными “определенными точками” являются выводы диода выпрямителя.

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

Еще одна схема удвоителя напряжения, составленная из двух однофазных однополупериодных выпрямителей с емкостным фильтром, дана на рис. 3.4-17. Ее называют

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

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

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

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

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

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

где \(f\) — частота входного напряжения.

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

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

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

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

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

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

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

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

Рис. 3.4-20. Схемы умножения на три

Рис. 3.4-21. Схемы умножения на четыре

Рис. 3.4-22. Схемы умножения на шесть

Рис. 3.4-23. Схема умножения на восемь

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

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

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

Примечание: отличная нагрузочная способность.

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

Отличная нагрузочная способность.

Отличная нагрузочная способность.

Отличная нагрузочная способность.

Симметричная схема, хорошая нагрузочная способность.

Симметричная схема, хорошая нагрузочная способность.

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

Отличная нагрузочная способность.

отличная  нагрузочная способность.

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

Симметричная схема, отличная нагрузочная способность.

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

Превосходная нагрузочная способность, ступенчатое увеличение напряжения на каждом звене.

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

Наличие дополнительного маломощного выхода с удвоенным напряжением питания.

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

Принцип работы умножителя напряжения

Модели для подсветок

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

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

Умножитель напряжения на диодах и конденсаторах

Определение умножителя напряжения

Их применяют в радиоэлектронике: медицинской и телевизионной аппаратуре, измерительной технике, бытовой технике и др. Умножитель напряжения составляют диоды и конденсаторы, которые соединяют специальным образом. Умножители способны сформировать напряжение до вольт, при этом имеют небольшую массу и размер. Умножители просты в изготовлении, их несложно рассчитываются.

Однополупериодный умножитель

На рис.1 приведена схема однополупериодного последовательного умножителя.

В течение отрицательного полупериода напряжения происходит зарядка конденсатора через диод , который открыт. Конденсатор заряжается до амплитудной величины приложенного напряжения . В течение положительного полупериода заряжается конденсатор через диод до разности потенциалов . Далее в отрицательный полупериод конденсатор заряжается через диод до разности потенциалов . В очередной положительный полупериод конденсатор заряжается до напряжения . При этом умножитель запускается за несколько периодов изменения напряжения. Напряжение на выходе постоянное и оно является суммой напряжений на конденсаторах и , которые постоянно заряжаются, то есть составляет величину, равную .

Обратное напряжение на диодах и рабочее напряжение конденсаторов в таком умножителе равно полной амплитуде входного напряжения

При практической реализации умножителя следует обращать внимание на изоляцию элементов, чтобы не допускать коронного разряда, который может вывести прибор из строя. Если необходимо изменить полярность напряжения на выходе, то меняют полярность диодов при соединении

Последовательные умножители применяют особенно часто, так как они универсальны, имеют равномерное распределение напряжения на диодах и конденсаторах. С их помощью можно реализовать большое количество ступеней умножения.

Применяют, также параллельные умножители напряжения. Для них необходима меньшая емкость конденсатора на одну ступень умножения. Но, их недостатком считают увеличение напряжения на конденсаторах с ростом количества ступеней умножения, что создает ограничение в их использовании до напряжения выхода около 20 кВ. На рис. 2 приведена схема однополупериодного параллельного умножителя напряжения.

Для того чтобы рассчитать умножитель следует знать основные параметры: входное переменное напряжение, напряжение и мощность выхода, необходимые размеры (или ограничения в размерах), условия при которых умножитель будет работать. При этом следует учесть, что напряжение входа должно быть менее чем 15 кВ, частота от 5 до 100 кГц, напряжение выхода менее 150 кВ. Температурный интервал обычно составляет -55. Обычно мощность умножителя составляет до 50 Вт, но встречаются и более 200 Вт.

Для последовательного умножителя, если частота на входе в умножитель постоянна, то выходное напряжение вычисляют при помощи формулы:

где — входное напряжение; – частота напряжения на входе; N – число ступеней умножения; C – емкость конденсатора ступени; I – сила тока нагрузки.

Умножители напряжения параллельные, последовательные, двухполупериодные, однополупериодные

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

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

Приведём основные типы умножителей напряжения.

Рис.1 Рис.2

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

Необходимая ёмкость конденсаторов в этой схеме определяется по приближенной формуле:

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

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

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

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

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

Представленная формула расчёта ёмкостей умножителей верна для частоты напряжения сети — 50Гц.

Однако, наиболее эффективно использование умножителей напряжения при их питании напряжением высокой частоты от специального преобразователя.
В этом случае величины ёмкостей уменьшаются пропорционально кратности увеличения частоты преобразователя.

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

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

В связи с этим, при необходимости дальнейшего наращивания выходного напряжения и мощности, подводимой к нагрузке свыше 50 Вт — прямая
дорога у нас лежит к симметричным двухполупериодным умножителям напряжения.

Симметричная схема умножения напряжения получается, если запараллелить входы двух несимметричных схем, рассчитанных в таблице,
у одной из которых необходимо сменить полярность подключения электролитических конденсаторов и диодов.
В результате вырисовываются следующие схемы.

Рис.3 Рис.4

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

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

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.

Устройства для накачки лазера

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

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

Модели для ионизаторов воздуха

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

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

Схема преобразователя-инвертора на микросхеме КР1006ВИ1

Для схем преобразователей напряжения, построенных по принципу умножителей импульсного напряжения, могут быть использованы самые разнообразные генераторы сигналов прямоугольной формы.

Такие генераторы часто строят на микросхеме КР1006ВИ1 (рис. 14) . Выходной ток этой микросхемы достаточно большой (100 мА) и часто можно обойтись без каскадов дополнительного усиления.

Генератор на микросхеме DA1 (КР1006ВИ1) вырабатывает прямоугольные импульсы, частота следования которых определяется элементами R1, R2, С2. Эти импульсы с вывода 3 микросхемы подаются на умножитель напряжения.

К выходу умножителя напряжения подключен резистивный делитель R3, R4, напряжение с которого поступает на вход «сброс» (вывод 4) микросхемы DA1.

Параметры этого делителя подобраны таким образом, что, если выходное напряжение по абсолютной величине превысит входное (напряжение питания), генерация прекращается. Точное значение выходного напряжения можно регулировать подбором сопротивлений резисторов R3 и R4.

Рис. 14. Схема преобразователя-инвертора напряжения с задающим генератором на микросхеме КР1006ВИ1.

Характеристики преобразователя — инвертора напряжения (рис 14) приведены в табл. 2.

Таблица 2. Характеристики преобразователя-инвертора напряжения (рис. 14).

Схемы выпрямителей с умножением напряжения

Схемы с умножением напряжения целесообразно применять для получения достаточно высоких выпрямленных напряжений при малых токах нагрузки. Эти схемы применяют для питания электронно-лучевых трубок, фотоумножителей, в установках для испытания электрической прочности.

Схемы выпрямителей, работающих с умножением напряжения, содержат несколько выпрямителей с емкостным фильтром, выходные напряжения которых суммируются.

4.1. Однофазная несимметричная схема удвоения напряжения

Схема на рис.5 представляет собой два однофазных однополупериодных выпрямителя. Первый выпрямитель VD1, C1 является однополупериодным выпрямителем с параллельно включенным диодом. За счет его работы конденсатор C1 заряжается до амплитудного напряжения U2. На нем образуется постоянное напряжение UC1=U2m. На диоде VD1 образуется пульсирующее напряжение. Максимальное значение напряжения на нем

UVD1,MAX=UC1+U2m .

Это пульсирующее напряжение окончательно выпрямляется и сглаживается обычным выпрямителем с емкостной нагрузкой VD2, C2. В итоге получаем выходное напряжение U0 примерно равное удвоенному значению амплитуды напряжения вторичной обмотки трансформатора.

Рис. 5. Несимметричная схема удвоения напряжения.

Частота пульсации выпрямленного напряжения на нагрузке равна частоте сети.

Обратное напряжение на диодах равно удвоенной амплитуде напряжения вторичной обмотки трансформатора.

Основным недостатком схемы является то, что основная частота пульсации выпрямленного напряжения, равна частоте сети.

Для увеличения кратности выпрямленного напряжения увеличивают число диодов и конденсаторов, включая их аналогично описанной схеме. На рис. 6, а показана схема умножения напряжения, где в целях получения различной кратности умножения напряжения предусмотрены соответствующие варианты подключения нагрузки к схеме (показаны пунктиром), а именно: присоединяя нагрузку к точкам б, в и г схемы, получим умножение напряжения соответственно в 2, 3 и 4 раза. В этой схеме все конденсаторы с нечетными номерами (С1, С3) заряжаются в один полупериод напряжения и2, а с четными номерами (С2, С4) — в другой полупериод.

Чем выше кратность умножения напряжения, тем большими будут пульсации выпрямленного напряжения при одинаковой емкости конденсаторов, так как для зарядного и разрядного токов они включены последовательно.

Рис.6. Несимметричная схема умножения напряжения в 4 раза

Недостатки таких выпрямителей аналогичны недостаткам однополупериодного однофазного выпрямителя с емкостной нагрузкой. Кроме того, они обладают увеличенным внутренним сопротивлением из-за последовательного включения диодов.

4.2. Двухфазные симметричные схемы

Двухфазные симметричные схемы умножения можно; получить соединением нескольких несимметричных схем. На рис.7 показана двухфазная схема выпрямления с умножением напряжения в 6 раз.

Рис. 7. Симметричная схема умножения напряжения

Конденсаторы с нечетными номерами (С1, С3, С5, C1’, С3’, С5’) заряжаются токами соответствующих диодов один раз в период напряжения вторичной обмотки, конденсаторы с четными номерами (С2, С4, С6) — дважды, поэтому частота пульсации выпрямленного напряжения в 2 раза больше частоты сети.

Принцип действия. Основные показатели

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).

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) идеализированного умножителя Vбэ совпадает с ВАХ транзистора в диодном включении, растянутой вдоль оси напряжений в k раз.

Практические схемы УН для КВ и УКВ

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Принцип работы умножителя напряжения

Чтобы понять, как функционирует схема, лучше посмотреть работу так называемого универсального устройства. Здесь число каскадов точно не задано, а выходное электричество определяется формулой: n*Uin = Uout, где:

• n – количество присутствующих каскадов схемы;
• Uin – напряжение, подаваемое на вход устройства.

При начальном моменте времени, когда на схему приходит первая, допустим, положительная полуволна, диод входного каскада пропускает ее на свой конденсатор. Последний заряжается до амплитуды поступившего электричества. При второй отрицательной полуволне первый диод закрыт, а полупроводник второго каскада пускает ее к своему конденсатору, который также заряжается. Плюс к этому напряжение первого конденсатора, включенного последовательно со вторым, суммируется с последним и на выходе каскада получается уже удвоенное электричество.

На каждом последующем каскаде происходит то же самое – в этом принцип умножителя напряжения. И если просмотреть прогрессию до конца, то получается, что выходное электричество превосходит входное в энное количество раз. Но как и в трансформаторе, сила тока здесь будет уменьшаться при увеличении разности потенциалов – закон сохранения энергии также работает.

Управление температурным коэффициентом напряжения

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. 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.

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.

Умножитель напряжения ⋆ diodov.net

При изготовлении электронных устройств, в частности блоков питания, в некоторых случаях возникает необходимость иметь выпрямленное напряжение большей величины, чем на клеммах вторичной обмотке трансформатора или в розетке 220 В.

Например, после выпрямления сетевого напряжения 220 В на фильтрующем конденсаторе при очень малой нагрузке можно получить максимум амплитудное значение переменного напряжения 311 В. Следовательно конденсатор зарядится до указанного значения.

Однако применяя умножитель напряжения можно повысить его до 1000 В и более.

Удвоитель напряжения

Схема умножителя напряжения может выполняться в нескольких вариантах, одна принцип действия всех их заключается в следующем.

В разные полупериоды переменного тока происходит поочередно зарядка нескольких конденсаторов, а суммарное напряжение на них превышает амплитудное значение на обмотке.

Таким образом, за счет увеличения числа конденсаторов и, как далее будет видно, количества диодов, получают напряжение в несколько раз превышающее величину подведенного.

Теперь давайте рассмотрим конкретные примеры и схемные решения.

Пусть в начальный момент потенциалы на обмотке имеют такие знаки, что ток протекает от точки 1 к точке 2. Проследим дальнейший путь тока. Он протекает через конденсатор C2, заряжая его, и возвращается к обмотке через диод VD2.

В следующий полупериод ЭДС во вторичной обмотке направлена от точки 2 к 1 и через диод VD1 происходит зарядка конденсатора C1 до того же значения, что и С2.

Таким образом, за счет последовательного соединения двух конденсаторов C1 и C2 на сопротивлении нагрузки получается удвоенное напряжение.

Если измерить значение переменного напряжения на обмотке и постоянное на одном из конденсаторов, то они буде отличаться почти в 1,41 раза. Например при действующем значении на вторичной обмотке, равном 10 В, на конденсаторе будет приблизительно 14 В.

Это поясняется тем, что конденсатор заряжается до амплитудного, а не до действующего значения переменного напряжения. А амплитудное значения, как известно в 1,41 раза выше действующего.

К тому же мультиметром возможно измерить лишь действующие значения переменных величин.

Рассмотрим еще один вариант. Здесь для умножения напряжения используется несколько иной подход. Когда потенциал точки 2 выше потенциал т.1 под действием протекающего тока заряжается конденсатор С1, а цепь замыкается через VD2.

После изменения направления тока, вторичная обмотка W2 и конденсатор С1 можно представить, как два последовательно соединенные источника питания с равными значениями амплитуды, поэтому конденсатор С2 зарядится до их суммарного напряжения, т.е. на его обкладках оно будет в два раза больше, чем на выводах вторичной обмотки. Во время тога, как конденсатор С2 будет заряжаться, С1 наоборот, будет разряжаться. Затем все повторится снова.

Умножитель напряжения многократный

Процессы в схеме утроения напряжения протекают в такой последовательности: сначала заряжаются конденсаторы С1 и С3 через сопротивление R и соответствующие диоды VD1 и VD3. В следующий полупериод С2 через VD2 заряжается до удвоенного напряжения (С1 + обмотка) и на сопротивлении нагрузки получается утроенное значение.

Больший интерес имеет следующий умножитель напряжения. Рассмотрим принцип его работы. Когда потенциал точки 1 положителен относительно точки 2 ток протекает по пути через VD1 и С1 заряжая конденсатор.

В следующий полупериод, когда ток изменил свое направление, заряжается второй конденсатор через второй диод до величины, равного сумме напряжений на С1 и обмотке трансформатора. При этом С1 разрядится. В третий полупериод, когда первый конденсатор снова начнет заряжаться, С2 через третий диод разрядится на С3, зарядив его до двойного значения относительно выводов обмотки.

К концу третьего полупериода на нагрузку будет подано суммарное напряжение заряженных конденсаторов С1 и С3, т. е. примерно утроенное значение.

По аналогии с рассмотренными схемами могут быть построены схемы с большей кратностью умножения. Но следует помнить, что с увеличением числа умножений по причине большего содержание в схеме диодов и конденсаторов возрастает внутренне сопротивление выпрямителя, что приводит к дополнительной просадке напряжения.

Схемы с умножением напряжения применяются для питания малой нагрузки, т.е. сопротивление нагрузки должно быть высоким. В противном случае нужно использовать неполярные конденсаторы большой емкости, рассчитанные на высокое напряжение. Это связано с тем, что при значительном токе нагрузки конденсаторы будут быстро разряжаться, что вызовет недопустимо большие пульсации на нагрузке.

Технические характеристики

На практике умножитель имеет ряд недостатков. Если в умножитель добавляется слишком много секций, напряжение в последних секциях будет ниже ожидаемого, в основном из-за ненулевого импеданса конденсаторов в нижних секциях. Практически невозможно питание умножителя непосредственно напряжением промышленной частоты, так как в этом случае требуются конденсаторы большой ёмкости, что сильно ухудшает массогабаритные показатели устройства. Пульсации выпрямленного тока также усиливаются, что в некоторых случаях неприемлемо. Обычно на вход напряжение подаётся с выхода высокочастотного высоковольтного трансформатора и повышается до нужной величины в умножителе.

Существуют умножители на напряжения от нескольких сотен вольт до нескольких миллионов вольт.

Принцип работы удвоителя

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

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

Уменьшение внутреннего сопротивления

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. Простое и эффективное решение этой проблемы — включение в цепь коллектора T1 резистора R3, величина которого равна внутреннему сопротивлению умножителя. 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. 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. R3 требует именно подбора опытным путём, так как внутреннее сопротивление реального транзистора может в два и более раз превосходить расчётное.

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. 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

Её главные недостатки — нежелательное усложнение критически важного узла и вероятность самовозбуждения, свойственная всем схемам с многопетлевой ООС. 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.

На высоких частотах эффективность охватывающей транзистор обратной связи падает, полное сопротивление умножителя Vбэ возрастает. 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. Для нейтрализации этого явления достаточно зашунтировать умножитель Vбэ ёмкостью в 0,1 мкФ (на практике применяют ёмкости в диапазоне 0,1…10 мкФ).

Принцип работы[править]

Умножение в бинарной системеправить

Умножение в столбик

Умножение в бинарной системе счисления происходит точно так же, как в десятичной — по схеме умножения столбиком.
Если множимое — разрядное, а множитель — разрядный, то для формирования произведения требуется вычислить частичных произведений и сложить их между собой.

Вычисление частичных произведенийправить

В бинарной системе для вычисления частичного произведения можно воспользоваться логическими элементами — конъюнкторами.
Каждое частичное произведение — это результат выполнения логических операции ( между текущим , где , разрядом множителя и всеми разрядами множимого) и сдвига результата логической операции влево на число разрядов, соответствующее весу текущего разряда множителя. Матричный умножитель вычисляет частичные произведения по формуле:

Суммирование частичных произведенийправить

На этом этапе происходит сложение всех частичных произведений .

Схемаправить

Схема матричного умножителя

Принципиальная схема умножителя, реализующая алгоритм двоичного умножения в столбик для двух четырёх — разрядных чисел приведена на рисунке.
Формирование частичных произведений осуществляется посредством логических элементов .
Полные одноразрядные сумматоры обеспечивают формирование разрядов результата.
Разрядность результата — определяется разрядностью множителя — и множимого — :

.

Все конъюнкторы работают параллельно.
Полные одноразрядные сумматоры обеспечивают поразрядное сложение результатов конъюнкций и переносов из предыдущих разрядов сумматора.
В приведенной схеме использованы четырех разрядные сумматоры с последовательным переносом.
Время выполнения операции умножения определяется временем распространения переносов до выходного разряда .

Если внимательно посмотреть на схему матричного умножителя (англ. binary multiplier), то можно увидеть, что она образует матрицу, сформированную проводниками, по которым передаются разряды числа и числа . В точках пересечения этих проводников находятся логические элементы . Именно по этой причине умножители, реализованные по данной схеме, получили название матричных умножителей.

УМНОЖИТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЯ

Умножитель напряжения: принцип работы и схемы

После того как на рынке электроники появились миниатюрные конденсаторы, имеющие большую емкость, стало возможным использование в электронных схемах методики, связанной с умножением напряжения. Для этих целей разработан – умножитель напряжения, основой которого являются диоды и конденсаторы, подключенные в определенном порядке.

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.

Различные типы таких приборов повсеместно используются в электронной аппаратуре и оборудовании. С помощью этих устройств появилась возможность осуществлять умножение и получать напряжение в десятки и сотни тысяч вольт. Сами умножители напряжения отличаются незначительной массой, малыми габаритами, они просты в изготовлении и дальнейшей эксплуатации.

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.

Если в умножителе используется нечетный коэффициент, для подключения нагрузки используются конденсаторы, расположенные в верхней части схемы. При четном, наоборот, задействуются нижние конденсаторы.

Примерный расчет схемы умножителя

Перед тем как начинать расчет, задаются основные характеристики устройства. Это особенно важно, когда необходимо изготовить умножитель напряжения своими руками. В первую очередь, это значения входного и выходного напряжения, мощность и габаритные размеры. Следует учитывать и некоторые ограничения, касающиеся параметров напряжения. Его величина на входе должна быть не более 15 кВ, границы диапазона частоты составляют от 5 до 100 кГц.

Рекомендуемое значение выходного высоковольтного напряжения – не выше 150 кВ. Величина выходной мощности умножителя напряжения составляет в пределах 50 Вт, хотя можно создать устройство и с более высокими параметрами, в котором мощность достигает даже 200 Вт.

Выходное напряжение находится в прямой зависимости с токовыми нагрузками и его можно рассчитать с помощью формулы: U_вых = N х Uвх – (I (N3 + +9N2 /4 + N/2)) / 12FC, в которой N соответствует количеству ступеней, I – токовой нагрузке, F – частоте напряжения на входе, С – емкости генератора. Если заранее задать требуемые параметры, данная формула поможет легко рассчитать, какая емкость должна быть у конденсаторов, применяемых в схеме.

Умножители напряжения

Назначение умножителей напряжения, структура и нагрузочная способность

Умножители напряжения по структуре представляют собой специализированные выпрямители, обеспечивающие повышение выходного напряжения в целое число раз. Отсюда и название – умножители напряжения. [Диссертация — Хречков, Николай Григорьевич «Динамические характеристики умножителей напряжения высоковольтных электротехнических систем», 2006 г.]. Традиционным является применение умножителей напряжения в высоковольтных источниках питания, что позволяет существенно уменьшить их массогабаритные показатели. Дело в том, что использование в высоковольтных источниках выпрямителей (однополупериодного, с общей точкой, мостового) в источниках высокого напряжения оправдано только в случае, когда требуется высокая мощность источника, поскольку при использовании выпрямителя необходимо и использовать трансформатор, рассчитанный на напряжение, равное выходному. Разработка и создание трансформаторов с высоким выходным напряжением (более 15-20 кВ) является сложной технической задачей (секционирование обмоток, межслоевая изоляция, заливка компаундом и т.д.) кроме этого трансформаторы такого класса имеют большие габариты и стоимость. Использование умножителя напряжения позволяет снизить требования к выходному напряжению трансформатора и существенно упростить его конструктив. Таким образом, умножитель напряжения является одним из базовых элементов высоковольтного преобразователя.

На вход умножителей напряжения подается переменное напряжение, на выходе получаем умноженное постоянное. Любой умножитель содержит в себе два типа элементов – конденсаторы и диоды. По структуре электрической схемы умножители делятся на несимметричные и симметричные. Отличие заключается в том, что в симметричных схемах ток, потребляемый от источника переменного напряжения, одинаков по форме в течение обоих полупериодов, а в несимметричных схемах формы импульсов тока при отрицательном и положительном полупериодах различны. Это может вызвать «вылет» рабочего режима магнитопровода в область насыщения. Кроме этого частота пульсаций в симметричных умножителях напряжения в два раза меньше по сравнению с несимметричными, что обеспечивает их лучшую нагрузочную способность. Поэтому при большой выходной мощности высоковольтного источника целесообразно применять симметричные умножители. При этом важно понимать, что симметричный умножитель состоит из двух несимметричных.

Подробный аналитический расчет режимов работы умножителей напряжения представлен в [Диссертация — Хречков Николай Григорьевич «Динамические характеристики умножителей напряжения высоковольтных электро-технических систем», 2006 г.].

Факторы, влияющие на нагрузочную способность умножителя напряжения:

Структура схемы определяет нагрузочную способность умножителя, симметричные схемы умножения напряжения имеют несколько большую нагрузочную способность по сравнению с несимметричными.

Частота напряжения на входе умножителя. Нагрузочная способность прямо пропорциональна частоте, с ограничениями по верхней её величине накладываемым паразитными элементами схемы – емкостями диодов, индуктивностями проводников схемы и обкладок конденсаторов. Кроме этого, конденсаторы имеют некоторую пороговую частоту, выше которой снижается максимально допустимая величина напряжения.

Величина емкости входящих в его состав конденсаторов. Нагрузочная способность прямо пропорциональна емкости конденсаторов в звеньях умножителя.

Число звеньев умножителя. Нагрузочная способность обратно пропорциональна числу звеньев умножителя.

Форма напряжения в теории может быть любой, однако максимальная нагрузочная способность при прочих равных факторах достигается, при напряжении, имеющем форму разнополярных прямоугольных импульсов одинаковой амплитуды.

Ниже представлены типовые схемы умножителей напряжения различных типов.

Несимметричный умножитель напряжения (Villard cascade)

Рисунок MULT.1 — Электрическая схема несимметричного умножителя напряжения

Принцип работы: В течение отрицательного полупериода конденсатор C1 заряжается от источника переменного напряжения до амплитудного значения; в течение положительной полуволны к конденсатору C2 прикладывается суммарное напряжение источника питания и конденсатора C2 и за нескольких периодов он заряжается до удвоенного напряжения. Аналогично ступенчато происходит заряд последующих конденсаторов: заряд конденсатора C3 происходит, начиная со второго отрицательного периода, конденсатора C4 – начиная со второго положительного и так далее. Так, за несколько периодов умножитель выходит на квазистационарный режим и суммарное выходное напряжение на каждом из конденсаторов, кроме первого равно удвоенному амплитудному значению источника. Максимальное обратное напряжение на диодах также равно удвоенному амплитудному значению.

Особенности: универсальность, низкая нагрузочная способность. Эффективность резко снижается с увеличением числа звеньев умножителя. Общая «земля».

Величина пульсаций на выходе умножителя ∆V для синусоидальной формы выходного напряжения определяется по формуле [E. Kuffel, W.S. Zaengl and J. Kuffel. High Voltage Engineering Fundamentals (Second Edition). Newnes. 2000. 539 p.; http://www.kronjaeger.com/hv/hv/src/mul/ ]:

при C1=C2=C3 =… Cn;

при 0.5 C1=C2=C3 =… Cn (то есть при удвоенном значении емкости C1 относительно остальных).

где n – число звеньев умножителя.

Симметричный умножитель напряжения (Double Villard cascade)

Данный симметричный умножитель напряжения фактически представляет собой два соединенных несимметричных умножителя с различными полярностями напряжения относительно общей точки.

Рисунок MULT.2 Электрическая схема симметричного умножителя напряжения (последовательный тип)

Принцип работы: аналогичен принципу работы несимметричного умножителя напряжения (Villard cascade).

Особенности: универсальность, низкая нагрузочная способность. Эффективность резко снижается с увеличением числа звеньев умножителя. Общая «земля». Возможность реализации двух полярностей напряжения относительно общей точки. Различные варианты подключения источника питающего переменного напряжения к умножителю (рисунок MULT.2). Преимуществом схемы является одинаковое падение напряжения на конденсаторах, что позволяет использовать конденсаторы одного типа (рассчитанных на одинаковое напряжение).

Величина пульсаций на выходе умножителя ΔV рассчитывается по выше приведенным соотношениям, умноженным на два (поскольку фактически умножителей в структуре схемы два).

Симметричный умножитель напряжения Шенкеля – Вилларда

Рисунок MULT.3 — Электрическая схема симметричного умножителя напряжения Шенкеля – Вилларда (параллельный тип)

Принцип работы: в течение первого положительного полупериода происходит заряд емкостей С1, С3, … Сn (нечетные) до напряжения питания, во время последующей отрицательной полуволны заряжаются емкости С2, С4, … С(n-1) (четные) заряжаются до напряжения питания через четные емкости уменьшая их напряжение практически до нуля. В течение следующего положительного периода заряд каждого нечетного конденсатора происходит удвоенным напряжением последовательного соединения источника питания и четного конденсатора умножителя. При этом нечетные конденсаторы заряжаются до напряжения большего амплитудного. В процессе работы происходит ступенчатый рост напряжения на конденсаторах умножителя начиная с Сn.

Особенности: симметричная схема, превосходная нагрузочная способность, ступенчатое увеличение напряжения на каждом звене. Общая «земля».

Гибридный умножитель напряжения последовательно-параллельного типа

Рисунок MULT.4 — Электрическая схема симметричного умножителя напряженияумножитель напряжения последовательно-параллельного типа

Принцип работы: в течение первого положительного полупериода происходит заряд емкостей последовательного столба С2, С4, … Сn (четные) главным образом через емкость С1 заряжающейся в течение первого положительного полупериода противоположно. В течение следующего отрицательного полупериода происходит заряд нечетных емкостей С1, С3, … С(n-1) до уровней напряжений превышающих амплитудное, поскольку к ним прикладывается суммарное напряжение источника питания и емкостей последовательного столба С2, С4, соединенных последовательно. При этом С(n-1) емкость имеет максимальное напряжение, поскольку к ней прикладывается напряжение полного столба и источника питания, а «нижние» емкости заряжаются до меньшего напряжения поскольку к ним прикладывается напряжение только части последовательного столба. В этот полупериод емкости последовательного столба несколько разряжаются.

В течение следующего положительного периода емкости последовательного столба С2, С4 заряжаются до большего чем в предыдущем положительном полупериоде уровня напряжения, так как к ним прикладывается суммарное напряжение источник питания и напряжений на емкостях С1, С3, … С(n-1). Так в процессе работы происходит ступенчатый рост напряжения на конденсаторах и соответствующее увеличение выходного напряжения.

Особенности: гибридная схема, обеспечивающая высокую нагрузочную способность симметричных схем. Преимуществом схемы является возможность использования в правом ёмкостном «столбе» одинаковых (рассчитанных на одинаковое напряжение) конденсаторов большой емкости качестве накопительно-фильтрующих элементов и применение конденсаторов меньшей емкости в левой части схемы, но рассчитанных на существенно большее напряжение (по причине ступенчатого увеличения напряжения на каждом звене). Общая «земля».

Симметричный умножитель на основе диодных мостов

Рисунок MULT.5 — Электрическая схема симметричного умножителя напряжения на основе диодных мостов

Принцип работы: в целом аналогичен принципу работы симметричного умножителя напряжения Шенкеля – Вилларда.

Особенности: хорошая нагрузочная способность. Одна из классических схем умножения напряжения в высоковольтных источниках питания для физических экспериментов.

Симметричный двухполупериодный умножитель Кокрофта-Уолтона

Рисунок MULT.6 — Электрическая схема симметричного умножителя напряженияКокрофта-Уолтона

Особенности: хорошая нагрузочная способность. Схема широко используется высоковольтных источниках питания для физических экспериментов.

Величина пульсаций на выходе умножителя для синусоидальной формы выходного напряжения определяется по формуле [А.А. Ровдо Полупроводниковые диоды и схемы с диодами. Лайт Лтд. 2000. 286 с.]:

при C1=C2=C3 =… Cn;

Удвоитель напряжения Латура-Делона-Гренашера

Рисунок MULT.7 — Удвоитель напряжения Латура-Делона-Гренашера

Фактически схема является удвоенным однополупериодным выпрямителем напряжения, верхнее плечо которого выпрямляет положительную полуволну, нижнее – отрицательную.

Принцип работы: в течение положительного полупериода через диод VD1 заряжается конденсатор C1, в течение отрицательного полупериода через диод VD2 заряжается конденсатор C2. К нагрузке прикладывается удвоенное напряжение.

Особенности: хорошая нагрузочная способность. Симметричная схема. Классика.

Примеры схемотехнических реализаций умножителей напряжения

Далее представлены несколько частных случаев умножителей напряжения.

Утроители напряжения

Рисунок MULT.8 — Частный случай несимметричного умножителя напряжения с числом ступеней равным 3

Рисунок MULT.9 — Частный случай симметричного умножителя напряжения Шенкеля – Вилларда с числом ступеней равным 3.

Умножители на 4

Рисунок MULT.10 — Частный случай гибридного умножителя напряжения с числом звеньев равным 4.

Рисунок MULT.11 — Частный случай симметричного умножителя напряжения Шенкеля – Вилларда с числом ступеней равным 4.

Умножитель на 6

Рисунок MULT.12 — Частный случай симметричного умножителя напряжения с различным числом ступеней (см. рисунок MULT.2 симметричного умножителя) и однополярным включением относительно общей точки.

Умножитель на 8

Рисунок MULT.13 — Частный случай симметричного умножителя напряжения (см. рисунок MULT.2 симметричного умножителя) и однополярным включением относительно общей точки.

Требования к диодам и конденсаторам умножителей напряжения

Основные требования, предъявляемые к диодам, используемым в схемах умножителей:

– максимально допустимая величина обратного напряжения диода должна с запасом (как минимум на 20 %) превышать рабочее напряжение в схеме;

— быстрое восстановление изолирующих свойств при смене полярности напряжения. С этой целью рекомендуется использование диодов класса Ultra-Fast с временем обратного восстановления порядка 10-50 нс;

— малая паразитная емкость. В связи с этим не является целесообразным использование диодов с большим запасом по току, т.к. у них большая емкость.

Как правило, средние значения тока протекающего через диоды умножителей напряжения не превышает сотен миллиампер, поэтому в умножителях напряжениях используются диоды, рассчитанные на малый ток и большое напряжение (таблица MULT.1). При необходимости обеспечения большего значения обратного напряжения допустимо использование последовательного соединения диодов, но при этом необходимо, чтобы диоды были одинакового типа и желательно одной партии.

Таблица MULT.1 — Основные характеристики быстродействующих диодов

Таблица MULT.2 — Основные характеристики высоковольтных диодов

Основные требования, предъявляемые к конденсаторам, используемым в схемах умножителей:

– максимально допустимая величина напряжения заряда конденсатора должна с запасом (как минимум на 20 %) превышать рабочее напряжение в схеме. При этом необходимо учитывать уменьшение амплитуды максимально допустимого напряжения на конденсаторе с ростом частоты. Эти данные приводятся в справочных листах (datasheet) фирмами-производителями.

– при высокой частоте входного напряжения (более 500 Гц) необходимо использовать неполярные конденсаторы;

– среди неполярных конденсаторов рекомендуется использовать керамические конденсаторы с диэлектриками, имеющими минимальные потери — NPO, X7R, X5R или пленочные полистирольные и полипропиленовые;

– с целью уменьшения потерь целесообразно использовать типы конденсаторов, имеющие малое сопротивление утечки;

— предпочтительнее использовать конденсаторы с конструкцией обеспечивающей минимальную паразитную индуктивность — дисковые и многослойные.

Для построения умножителей высоковольтных источников питания можно использовать высоковольтные дисковые конденсаторы фирмы Murata [Ссылка]. Ниже представлены сводные таблицы о характеристиках высоковольтных конденсаторов фирмы Murata.

Таблица MULT.3. Характеристики высоковольтных дисковых конденсаторов фирмы Murata

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.

(удвоители, тройники, учетверенные устройства и др.) | Диоды и выпрямители

Умножитель напряжения — это специализированная схема выпрямителя, обеспечивающая выходной сигнал, который теоретически является целым числом, умноженным на пиковое входное значение переменного тока, например, в 2, 3 или 4 раза превышающее максимальное входное значение переменного тока. Таким образом, можно получить 200 В постоянного тока от источника переменного тока с пиковым напряжением 100 В, используя удвоитель, а 400 В постоянного тока — от учетверителя. Любая нагрузка в практической цепи снизит эти напряжения.

Сначала мы рассмотрим несколько типов умножителей напряжения — удвоитель напряжения (полуволновой и двухполупериодный), утроитель напряжения и учетверитель напряжения — затем сделаем некоторые общие замечания о безопасности умножителя напряжения и закончим с умножителем Кокрофта-Уолтона.

Удвоитель напряжения

Удвоитель напряжения — это источник питания постоянного тока, способный использовать источник переменного тока 240 В или 120 В переменного тока. В источнике питания используется двухполупериодный мост, выбранный переключателем, для выработки около 300 В постоянного тока от источника 240 В переменного тока. Положение переключателя 120 В переключает мост как удвоитель, вырабатывающий около 300 В постоянного тока из 120 В переменного тока. В обоих случаях вырабатывается 300 В постоянного тока. Это вход для импульсного регулятора, вырабатывающего более низкие напряжения для питания, скажем, персонального компьютера.

Полуволновой удвоитель напряжения

Удвоитель полуволнового напряжения на рисунке ниже (a) состоит из двух цепей: фиксатора в точке (b) и пикового детектора (полуволнового выпрямителя) на рисунке выше, который показан в измененной форме на рисунке ниже (c). .C2 был добавлен к пиковому детектору (полуволновой выпрямитель).

Полупериодный удвоитель напряжения (а) состоит из (б) фиксатора и (в) полуволнового выпрямителя.

Анализ рабочих цепей полуволнового удвоителя напряжения

Как показано на рисунке (b) выше, C2 заряжается до 5 В (4,3 В с учетом падения напряжения на диоде) на отрицательном полупериоде входного переменного тока. Правый конец заземлен проводом D2. Левый конец заряжается на отрицательном пике входа переменного тока. Это работа кламмера.

Во время положительного полупериода в игру вступает однополупериодный выпрямитель, показанный на рисунке (c) выше. Диод D2 не в цепи, так как он смещен в обратном направлении. C2 теперь включен последовательно с источником напряжения. Обратите внимание на полярность генератора и C2, последовательного подключения. Таким образом, выпрямитель D1 получает всего 10 В на пике синусоиды, 5 В от генератора и 5 В от C2. D1 проводит сигнал v (1) (рисунок ниже), заряжая C1 до пика синусоидальной волны на 5 В постоянного тока (рисунок ниже v (2)). Форма волны v (2) — это выходной сигнал удвоителя, который стабилизируется на уровне 10 В (8.6 В с падением напряжения на диоде) после нескольких циклов входного синусоидального сигнала.

* SPICE 03255.eps C1 2 0 1000p D1 1 2 диода C2 4 1 1000p D2 0 1 диод V1 4 0 SIN (0 5 1k). Модель диода d .tran 0,01 м 5 м. Конец 

Удвоитель напряжения: вход v (4). v (1) ступень фиксатора. v (2) каскад однополупериодного выпрямителя, который является выходом удвоителя.

Двухполупериодный удвоитель напряжения

Двухполупериодный удвоитель напряжения состоит из пары последовательно установленных однополупериодных выпрямителей.(Рисунок ниже) Соответствующий список соединений показан на рисунке ниже.

Анализ работы двухполупериодного удвоителя напряжения

Нижний выпрямитель заряжает C1 за отрицательный полупериод на входе. Верхний выпрямитель заряжает C2 в положительном полупериоде. Каждый конденсатор получает заряд 5 В (4,3 В с учетом падения напряжения на диоде). Выходной сигнал в узле 5 представляет собой последовательную сумму C1 + C2 или 10 В (8,6 В с диодными падениями).

* SPICE 03273.eps * R1 3 0 100k * R2 5 3 100k D1 0 2 диода D2 2 5 диодов C1 3 0 1000p C2 5 3 1000p V1 2 3 SIN (0 5 1k). модель диода d .tran 0,01 м 5 м. конец 

Двухполупериодный удвоитель напряжения состоит из двух однополупериодных выпрямителей, работающих на чередующихся полярностях.

Обратите внимание, что выход v (5) на рисунке ниже достигает полного значения в течение одного цикла изменения входа v (2).

Двухполупериодный удвоитель напряжения: v (2) вход, v (3) напряжение в средней точке, v (5) напряжение на выходе

Получение двухполупериодных удвоителей из однополупериодных выпрямителей

На рисунке ниже показано получение двухполупериодного удвоителя из пары полуволновых выпрямителей противоположной полярности (а).Отрицательный выпрямитель пары для наглядности перерисован (б). Оба они объединены в (c) на одном основании. В (d) отрицательный выпрямитель переподключен для совместного использования одного источника напряжения с положительным выпрямителем. Это дает источник питания ± 5 В (4,3 В с диодным падением); тем не менее, между двумя выходами можно измерить 10 В. Контрольная точка заземления перемещается так, чтобы напряжение +10 В было доступно по отношению к земле.

Двухполупериодный удвоитель: (a) пара удвоителей, (b) перерисованная, (c) общая земля, (d) общий источник напряжения.(e) переместите точку на земле.

Триплер напряжения

Удвоитель напряжения (рисунок ниже) состоит из комбинации удвоителя и полуволнового выпрямителя (C3, D3). Однополупериодный выпрямитель выдает 5 В (4,3 В) в узле 3. Удвоитель обеспечивает еще 10 В (8,4 В) между узлами 2 и 3. Всего 15 В (12,9 В) на выходном узле 2 относительно земля. Список соединений представлен на рисунке ниже.

Утроитель напряжения, состоящий из удвоителя, установленного поверх одноступенчатого выпрямителя.

Обратите внимание, что V (3) на рисунке ниже возрастает до 5 В (4,3 В) в первом отрицательном полупериоде. Вход v (4) смещен вверх на 5 В (4,3 В) за счет 5 В от полуволнового выпрямителя. И еще 5 В на v (1) из-за фиксатора (C2, D2). D1 заряжает C1 (форма волны v (2)) до пикового значения v (1).

* SPICE 03283.eps C3 3 0 1000p D3 0 4 диода C1 2 3 1000p D1 1 2 диода C2 4 1 1000p D2 3 1 диод V1 4 3 SIN (0 5 1k). Модельный диод d.переход 0,01м 5м конец 

Утроитель напряжения: v (3) однополупериодный выпрямитель, v (4) вход + 5 В, v (1) фиксатор, v (2) конечный выход.

Счетвер. Напряжения

Счетверитель напряжения представляет собой сложенную комбинацию двух удвоителей, показанных на рисунке ниже. Каждый удвоитель обеспечивает 10 В (8,6 В) для последовательной общей суммы на узле 2 по отношению к земле 20 В (17,2 В)

Список соединений показан на рисунке ниже.

Счетверитель напряжения, состоящий из двух последовательно соединенных удвоителей, с выходом в узле 2.

Формы сигналов квадруплера показаны на рисунке ниже. Доступны два выхода постоянного тока: v (3), выход удвоителя, и v (2), выход учетверителя. Некоторые из промежуточных напряжений на фиксаторах показывают, что входная синусоида (не показана), которая колеблется на 5 В, последовательно фиксируется на более высоких уровнях: на v (5), v (4) и v (1). Строго говоря, v (4) не является выходом фиксатора. Это просто источник переменного напряжения, подключенный последовательно к выходу удвоителя v (3). Тем не менее, v (1) является фиксированной версией v (4)

* SPICE 03441.eps * SPICE 03286.eps C22 4 5 1000p C11 3 0 1000p D11 0 5 диод D22 5 3 диода C1 2 3 1000p D1 1 2 диода C2 4 1 1000p D2 3 1 диод V1 4 3 SIN (0 5 1k). модельный диод d .tran 0,01м 5м. конец 

Счетверитель напряжения: напряжение постоянного тока доступно на v (3) и v (2). Промежуточные формы волны: фиксаторы: v (5), v (4), v (1).

Примечания к умножителям напряжения и источникам питания с линейным приводом

Здесь уместны некоторые примечания по умножителям напряжения.Параметры схемы, использованные в примерах (V = 5 В на 1 кГц, C = 1000 пФ), не обеспечивают большого тока, микроампер. Кроме того, отсутствовали нагрузочные резисторы. Нагрузка снижает напряжения по сравнению с показанными. Если схемы должны управляться источником с частотой кГц при низком напряжении, как в примерах, конденсаторы обычно имеют номинал от 0,1 до 1,0 мкФ, чтобы на выходе имелся ток в миллиамперах. Если умножители работают с частотой 50/60 Гц, конденсатор составляет от нескольких сотен до нескольких тысяч микрофарад, чтобы обеспечить выходной ток в сотни миллиампер.При питании от сетевого напряжения обратите внимание на полярность и номинальное напряжение конденсаторов.

Наконец, любой источник питания с прямым питанием от сети (без трансформатора) опасен для экспериментатора и испытательного оборудования, работающего от сети. Коммерческие источники питания с прямым приводом безопасны, поскольку опасная электрическая схема находится в корпусе для защиты пользователя. При установке в эти схемы электролитических конденсаторов любого напряжения, конденсаторы взорвутся при изменении полярности. Такие цепи следует включать за защитным экраном.

Множитель Кокрофта-Уолтона

Умножитель напряжения каскадных полуволновых удвоителей произвольной длины известен как умножитель Кокрофта-Уолтона , как показано на рисунке ниже. Этот умножитель используется, когда требуется высокое напряжение при низком токе. Преимущество перед обычным источником питания состоит в том, что не требуется дорогостоящий высоковольтный трансформатор — по крайней мере, не такого высокого уровня, как выходная мощность.

Умножитель напряжения Кокрофта-Уолтона x8; вывод на v (8).

Пара диодов и конденсаторов слева от узлов 1 и 2 на рисунке выше составляет полуволновой удвоитель. Вращение диодов на 45 ^o против часовой стрелки и нижнего конденсатора на 90 ^o делает его похожим на рисунок выше (а). Четыре секции удвоения каскадом расположены справа для теоретического коэффициента умножения x8. Узел 1 имеет форму волны фиксатора (не показана), синусоидальную волну, сдвинутую вверх на 1x (5 В). Остальные узлы с нечетными номерами представляют собой синусоиды, ограниченные последовательно более высокими напряжениями.Узел 2, выход первого удвоителя, представляет собой двойное постоянное напряжение v (2) на рисунке ниже. Последовательные узлы с четными номерами заряжаются до последовательно более высоких напряжений: v (4), v (6), v (8)

D1 7 8 диод C1 8 6 1000p D2 6 7 диод C2 5 7 1000p D3 5 6 диод C3 4 6 1000p D4 4 5 диод C4 3 5 1000p D5 3 4 диода C5 2 4 1000p D6 2 3 диода D7 1 2 диода C6 1 3 1000p C7 2 0 1000p C8 99 1 1000p D8 0 1 диод V1 99 0 SIN (0 5 1k) .model диод d .tran 0,01м 50м.конец 

Формы сигналов Кокрофта-Уолтона (x8). Выход — v (8).

Без диодных падений каждый удвоитель дает 2Vin или 10 В, учитывая, что два диодных падения (10-1,4) = 8,6 В вполне реально. Всего для 4 удвоителей ожидается 4 · 8,6 = 34,4 В из 40 В.

Консультации Рисунок выше, v (2) примерно справа; однако v (8) <30 В вместо ожидаемых 34,4 В. Беда множителя Кокрофта-Уолтона заключается в том, что каждая дополнительная ступень добавляет меньше, чем предыдущая.Таким образом, существует практический предел количества стадий. Это ограничение можно обойти, изменив базовую схему. [ABR] Также обратите внимание на временную шкалу 40 мс по сравнению с 5 мс для предыдущих схем. Потребовалось 40 мсек для повышения напряжения до предельного значения для этой цепи. В списке соединений на рисунке выше есть команда «.tran 0.010m 50m» для увеличения времени моделирования до 50 мсек; правда, отображается только 40 мсек.

Умножитель Кокрофта-Уолтона служит более эффективным источником высокого напряжения для фотоэлектронных умножителей, требующих до 2000 В.[ABR] Кроме того, лампа имеет динодов , клеммы, требующие подключения к «четным» узлам с более низким напряжением. Последовательный ряд отводов умножителя заменяет теплогенерирующий резистивный делитель напряжения предыдущих разработок.

Умножитель Кокрофта-Уолтона, работающий от сети переменного тока, подает высокое напряжение на «генераторы ионов» для нейтрализации электростатического заряда и для очистителей воздуха.

:

• Умножитель напряжения вырабатывает постоянный ток, кратный (2,3,4 и т. Д.) Пиковому входному напряжению переменного тока.
• Самый простой умножитель — это полуволновой удвоитель.
• Двухполупериодный дуплекс — превосходная схема в качестве удвоителя.
• Утройник — это однополупериодный удвоитель и обычный выпрямительный каскад (пиковый детектор).
• Счетверитель — пара полуволновых удвоителей
• Длинная цепочка полуволновых удвоителей известна как множитель Кокрофта-Уолтона.

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ЛИСТЫ:

| Engineering Center

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

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

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

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

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

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

Полноволновой удвоитель напряжения

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

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

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

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

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

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

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

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

Выбор конденсаторов

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

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

1.Частота, ток и СОЭ

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

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

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

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

2. Соображения по нагрузке

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

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

3. Расчет срока службы

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

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

4. Индивидуальные решения

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

Основы схем удвоителя напряжения

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

| Журнал Nuts & Volts

ВВЕДЕНИЕ

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

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

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

ЦЕПИ МНОЖИТЕЛЯ НАПРЯЖЕНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

РИСУНОК 6. Базовая демонстрационная схема «удвоителя напряжения».

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

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

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

РИСУНОК 7. Схема удвоения постоянного напряжения.

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

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

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

РИСУНОК 8. Каскадная схема «удвоителя напряжения».

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

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

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

РИСУНОК 9. Генератор отрицательного напряжения постоянного тока.

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

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

ЦЕПЬ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ГЕНЕРАТОРА

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

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

РИСУНОК 10. Преобразователь постоянного тока с 9 на 300 В.

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

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

Напряжение питания повышается примерно до 350 В пикового значения на вторичной обмотке T1, выпрямляется и сглаживается полуволной через D1-C3. Без постоянной нагрузки на C3 конденсатор может служить мощным, но нелетальным «поясом».

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

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА «ЛЕТУЩИЙ КОНДЕНСАТОР»

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

ICL7660 — простое в использовании устройство, но ни один из его выводов не должен быть подключен к напряжению выше V + или ниже GND (0 В).

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

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