Умножитель напряжения: принцип работы и схемы

Содержание:

1. Общие сведения об умножителях напряжения
2. Принцип работы
3. Примерный расчет схемы умножителя
4. Видео

После того как на современном рынке электроники появились миниатюрные конденсаторы, имеющие большую емкость, стало возможным использование в электронных схемах методики, связанной с умножением напряжения. Для этих целей разработано специальное устройство – умножитель напряжения, основой которого являются диоды и конденсаторы, подключенные в определенном порядке. Суть работы этого устройства заключается в преобразовании переменного напряжения, получаемого из низковольтного источника, в высокое напряжение постоянного тока.

Благодаря малым габаритам данных приборов, существенно снизились и конечные размеры проектируемых электронных устройств. Существуют различные варианты данных приборов, в том числе умножитель напряжения Шенкеля и другие схемы, проектируемые для конкретной аппаратуры.

Общие сведения об умножителях напряжения

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.

Умножитель напряжения — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 20 мая 2017; проверки требуют 4 правки. Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 20 мая 2017; проверки требуют 4 правки. Несимметричный умножитель из двух секций

Умножи́тель напряже́ния (или каска́дный генера́тор^[1]) — устройство для преобразования низкого переменного(пульсирующего) напряжения в высоковольтное постоянное напряжение. В отдельных каскадах переменное напряжение выпрямляется, а выпрямленные напряжения включаются последовательно и суммируются. Связь каскадов с источниками питания осуществляется через ёмкости или посредством взаимной индукции. Питание каскадов может быть как последовательным, так и параллельным.

Двухполупериодный умножитель напряжения Умножитель напряжения УН 9-27 1,3 (обозначения: 9 кВ входное напряжение, 27 кВ — выходное, выходной ток — 1,3 мА). Умножитель напряжения УН 9/27 в телевизоре производства СССР серии 3УСЦТ.

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

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

В отсутствии нагрузки, на выходе n секционного несимметричного умножителя создаётся напряжение: Uвых = 2·Uвх · n
где

• n — число каскадов
• Uвх — амплитуда входящего переменного напряжения,
• Uвых
   — выходящее постоянное напряжение.

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

В общем случае соблюдается соотношение:

U_Bых = 2n UBX−IHωC⋅(23n3+14n2−16n){\displaystyle 2n\ U_{BX}-{\frac {I_{H}}{\omega C}}\cdot ({\frac {2}{3}}n^{3}+{\frac {1}{4}}n^{2}-{\frac {1}{6}}n)}

где

ω{\displaystyle \omega } — частота входного напряжения,

IH{\displaystyle I_{H}} — ток через нагрузку,

C{\displaystyle C} — емкость конденсатора.

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

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

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.

Умножители применяются во многих областях техники, в частности для электрической накачки лазера, в источниках высокого напряжения систем рентгеновского излучения, подсветке жидкокристаллических дисплеев, лампах бегущей волны, ионных насосах, электростатических системах, ионизаторах воздуха, ускорителях частиц, копировальных аппаратах, осциллографах, телевизорах и во многих других устройствах, где необходимо постоянное высокое напряжение с небольшой силой тока.

Принципиальная схема умножителя данного типа была разработана в 1919 году швейцарским физиком Генрихом Грейнахером^[1].

В 1932 году в Британии был создан умножитель напряжения для использования его в качестве высоковольтного источника напряжения в ускорителе заряженных частиц, предназначенного для проведения эксперимента по искусственному расщеплению атомных ядер. В 1932 году такой же эксперимент впервые в СССР был проведен в Харьковском физико-техническом институте)^[1].

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.

---

1. Удвоитель напряжения Латура-Делона-Гренашера

Примечание: отличная нагрузочная способность.

---

2. Несимметричный умножитель напряжения (Кокрофта-Уолтона)

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.

---

3. Утроитель, 1-й вариант

Отличная нагрузочная способность.

---

4. Утроитель, 2-й вариант

Отличная нагрузочная способность.

---

5. Утроитель, 3-й вариант

Отличная нагрузочная способность.

---

6. Умножитель на 4, 1-й вариант

Симметричная схема, хорошая нагрузочная способность.

---

7. Умножитель на 4, 2-й вариант

Симметричная схема, хорошая нагрузочная способность.

---

8. Умножитель на 4, 3-й вариант

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

---

9. Умножитель на 5

Отличная нагрузочная способность.

---

10. Умножитель на 6, вариант первый

отличная  нагрузочная способность.

---

11. Умножитель на 6, вариант второй

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

---

12. Умножитель на 8, первая схема подключения

Симметричная схема, отличная нагрузочная способность.

---

13. Умножитель на 8, вторая схема подключения

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

---

14. Умножитель напряжения Шенкеля – Вилларда

Превосходная нагрузочная способность, ступенчатое увеличение напряжения на каждом звене.

---

15. Умножитель со ступенчатой нагрузочной способностью

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.

---

16. Выпрямитель с вольт добавкой

Наличие дополнительного маломощного выхода с удвоенным напряжением питания.

---

17. Умножитель из диодных мостов

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.

Шокер на УН (Умножитель напряжения) схема — 5 Апреля 2014 — Электрошокер

Шокер на ун.

Данный вид шокера довольно прост в изготовлении и поэтому любим новичками. Так же его любят те кто гонится за мощностью на выходе. Потерь на умножители почти нет и лампочка от него, при хорошем питании, светится очень ярко. У злого шокера, за счет незначительных потерь на проводах вторички, при том же инверторе и том же питании мощность чуть ниже. На это и склоняются придурки с чушокера, поливая злой шокер и автора. При малых размерах, с использованием аккумуляторов lipo, можно добиться высоких мощностей.

Искра на выходе яркая, голубовато-белая, с очень резким треском. Как психологическое оружие и отпугиватель собак зарекомендовал себя с самой лучшей стороны. И действительно, самому становится страшно, когда видишь такие искры.

А теперь немного познавательной инфы для ебланушек с чушокера. Их любимый умножитель рис 3. (ниже) с капами 2200 * 6кв. Имеет следующие показатели импульса —  5.8мкс при пике 5 кв. Замеры проводил urez83.

Теперь давайте рассмотрим отрицательные стороны шокеров на ун.

1. Параметры импульса полностью зависят от расстояния. Ближе электроды к тушке — выше частота, слабее импульс. На голое тело без дополнительного разрядника вообще не ощущается.

2. Очень короткий импульс. Всего 5 мкс 10 кв..и это при зазоре 0.5 см!!!! Замеры проводил Urez83

3. На высоких частотах жжет кожу, не оказывая воздействия на глубокие ткани. Создает довольно сильные болевые поверхностные ощущения.

4. При бездумном повышении мощности может быть смертельным, охота ли потом сидеть за гопаря?

5. Бесполезные китайские говношокеры работают как раз по этому принципу.

6.Отвратительный пробой одежды(в сравнении с трансформаторными ЭШУ).Яростно почитаемый некоторыми даунами умножитель-не пробивает кожаный ремень.А китайские говношокеры построенные по схеме с умножителем как правило не пробивают даже свитер.На чушокере был чел с ником Эквадорец,который наглядно это демонстрировал,но был закидан говном.Ибо по мнению гречки мощность не дошедшая до тела это тоже мощность 🙂

7.ДЛЯ ТЕХ ДАУНОВ КТО ЕЩЕ НЕ ПОНЯЛ.Умножительный шокер-не более чем страшная трещотка,внушающая противнику ужас внешним видом разряда.»валить» противника данный агрегат не способен..При дибильном повышении мощности(когда некоторые армянские долбаебы закачивают в умножители по нескольку десятков ватт -производит термическое воздействие(глубокие ожоги)засчет охуенной частоты разрядов в единицы а то и десятки килогерц,при приближении выводов умножителя к телу.Небольшой искровой промежуток на выходе ситуацию не спасет.После применения с вероятностью 95% окажется в жопе применявшего.Для тех кто не верит-данный агрегат с гордым названием АКА 22 и мощностью 70 ватт(пиздеж). был испытан 1 из наших пользователей.Последствия можно наблюдать на фото ниже.Воздействие 1 секунда,по словам человека в момент разряда девайс дает лишь сильную боль,никакого эффекта «сковывания мышц» и «моментальной парализации» как пишут некоторые обдолбанные ебланы НЕТУ.На месте применени остается охуенный термический ожог который заживает около месяца.Кстати с таким ожогом можно спокойно сходить в ментовку и накатать заяву за наненесение телесных повреждений и причинение вреда здоровью.

Если до этого вы не делали шокер на ун, лучше вам его собрать и поэкспериментировать. Тем более если вы новичок, собрать свой первый шокер будет намного легче.

Теперь приступим к сборке.

Инвертор подберите тот, который будет лучше подходить вашим аккумуляторам.

1. Инвертор (обведен красным) от оригинала ЗШ, или (мартовская схема). В нашем случае вместо диодного моста будет стоять симметричный умножитель.

Инвертор №1. Прекрасно работает с низковольтным питанием. Запускается от 3.7 в. Отлично работает от 7.4в. Аккумуляторы должны быть способны отдавать большой ток. Сколько способны будут отдать аккумуляторы, столько и будет потреблять схема. Подойдут LiPo (литий полимеры) NiCd (никель-кадмиевые) NiMh (никель-металлгидриды). Не советую ставить Li-Ion (литий-ионные) на таких нагрузках они сильно греются и могут прийти в негодность. Внимание!!! При использовании хороших аккумуляторов в разрыв (+) необходимо поставить дроссель. Ферритовое колечко на котором будет около 20 витков. Можно дернуть уже намотанное со старой материнской платы. Трансформатор На броневом сердечнике (лучше в плане кпд) или Ш-образный (легче мотать) первичная 3+3 витка проводом 0,3-0,4 сложенным в несколько раз (поверх вторички), вторичка 800-1000витков.Мотаем виток к витку, послойно изолируем, а затем пропитываем в медицинском парафине.

И примеры умножителей, ставятся они сразу после трансформатора.

Я лично ставил первый, второй не пробовал. (рис. 1;2)

Конкуренты любят ставить этот умножитель. (рис. 3)

---

  Инвертор 2. На uc3845. Об расчете частоты и подгонке микросхемы описано тут.

Схема запускается от 9вольт, оптимально питать с 12-14в. Потребление тока фиксированное, 2-3А зависит от настроек. Подходят все виды аккумуляторов. При правильной настройке полевик не должен сильно греться. С использованием данного инвертора баловаться шокером намного дольше, чем с инвертором выше. Мощность при этом соответственно уменьшится. Трансформатор 6-8 витков первичка (поверх вторички) 400 витков вторичка. Мотается послойно виток к витку, с изоляцией через слой. Затем протапливается в жидком-разогретом медицинском парафине.При использовании данного(да и любого однотактного преобразователя) преобразователя необходимо ставить последовательный умножитель.

Последовательный «множик» (рис.4)
 

Далее приведены наиболее известные схемы умножителей напряжения

 

• Удвоитель напряжения Латура-Делона-Гренашера

Особенности: хорошая нагрузочная способность.

• Несимметричный умножитель напряжения (Кокрофта-Уолтона)

Особенности: универсальность, низкая нагрузочная способность

Утроитель, 1-й вариант

Особенности: хорошая нагрузочная способность.

• Утроитель, 2-й вариант

Особенности: хорошая нагрузочная способность.

• Утроитель, 3-й вариант

 

Особенности: хорошая нагрузочная способность.

• Умножитель на 4, 1-й вариант

Особенности: симметричная схема, хорошая нагрузочная способность.

• Умножитель на 4, 2-й вариант

Особенности: симметричная схема, хорошая нагрузочная способность.

• Умножитель на 4, 3-й вариант

Особенности: симметричная схема, хорошая нагрузочная способность, две полярности относительно общей точки.

• Умножитель на 5, 1-й вариант

Особенности: хорошая нагрузочная способность.

• Умножитель на 6, 1-й вариант

Особенности: хорошая нагрузочная способность.

• Умножитель на 6, 2-й вариант

Особенности: симметричная схема, хорошая нагрузочная способность, две полярности относительно общей точки.

• Умножитель на 8, 1-й вариант

Особенности: симметричная схема, хорошая нагрузочная способность.

• Умножитель на 8, 2-й вариант

Особенности: симметричная схема, хорошая нагрузочная способность, две полярности относительно общей точки.

• Умножитель напряжения Шенкеля – Вилларда

Особенности: симметричная схема, превосходная нагрузочная способность, ступенчатое увеличение напряжения на каждом звене.

• Умножитель со ступенчатой нагрузочной способностью

Особенности: 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.

• Выпрямитель с вольтодобавкой

Особенности: наличие дополнительного маломощного выхода с удвоенным напряжением питания.

• Умножитель из диодных мостов

Особенности: 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.

Ну вот собственно и все, сложного ничего нет. Паяем инверторы, мотаем трансформаторы, цепляем множики, настраиваем и радуемся громкому треску.Также настоятельно не рекомендуется коротить выход УН без разрядника-есть риск выгорания транзисторов генератора,или же диодов в умножителе.

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. Если к этим точкам подключить еще один однофазный однополупериодный выпрямитель, будет получена схема, представленная на рис. 3.4-16 (т.н. несимметричный удвоитель напряжения).

 

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 симметричным удвоителем напряжения (или схемой Латура). Входящие в схему выпрямители по входу включены параллельно, а по выходу последовательно.

 

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. В результате, напряжение на выходе схемы окажется несколько ниже и не будет оставаться постоянным. В общем случае соблюдается соотношение:

\( U_{вых1} = 2 n U_{вх max} — \cfrac{I_н}{fC} \left( \cfrac{2}{3} n^3 + \cfrac{1}{4} n^2 — \cfrac{1}{6} n \right) \),

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. Среднее значение выходного напряжения рассматриваемой схемы можно вычислить по формуле:

\( U_{вых} = 2nU_{вх max} — \cfrac{I_н}{fC} \left( \cfrac{1}{6} n^3 + \cfrac{1}{4} n^2 + \cfrac{1}{3} n \right) \)

 

 

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

 

 

< Предыдущая		Следующая >

УМНОЖИТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЯ

УМНОЖИТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЯ В статье описаны основные варианты умножителей напряжения, применяемых в самых различных электронных устройствах, и приведены расчетные соотношения. Этот материал будет интересен радиолюбителям, занимающимся разработкой аппаратуры, в которой применяются умножители.   В современных радиоэлектронных устройствах умножители нашли широкое применение. Они используются в телевизионной и медицинской аппаратуре (источники анодного напряжения кинескопов, питания маломощных лазеров), в измерительной технике (осциллографы, приборы для измерения уровня и доз радиоактивного излучения), в приборах ночного видения и электрошоковых устройствах, бытовых и офисных электронных устройствах (ионизаторы, «люстра Чижевского», ксерокопировальные аппараты) и многих других областях техники. Произошло это благодаря главным свойствам умножителей — возможности формировать высокое, до нескольких десятков и сотен тысяч вольт, напряжение при малых габаритах и массе. Еще одно их важное преимущество — простота расчета и изготовления. Умножитель напряжения состоит из включенных определенным образом диодов и конденсаторов и представляет собой преобразователь напряжения переменного тока низковольтного источника в высокое напряжение постоянного тока.   Принцип его работы понятен из рис. 1, на котором приведена схема однополупериодного умножителя. Рассмотрим происходящие в нем процессы поэтапно. Во время действия отрицательного полупериода напряжения конденсатор С1 заряжается через открытый диод VD1 до амплитудного значения приложенного напряжения Uа. Когда к входу умножителя приложено напряжение положительного полупериода, конденсатор С2 через открытый диод VD2 заряжается до напряжения 2Uа. Во время следующего этапа — отрицательного полупериода — через диод VD3 до напряжения 2Uа заряжается конденсатор С3. И, наконец, при очередном положительном полупериоде до напряжения 2Uа заряжается конденсатор С4. Очевидно, что запуск умножителя происходит за несколько периодов переменного напряжения. Постоянное выходное напряжение складывается из напряжений на последовательно включенных и постоянно подзаряжаемых конденсаторах С2 и С4 и составляет 4Uа.   Изображенный на рис. 1 умножитель относится к последовательным умножителям. Существуют также параллельные умножители напряжения, для которых требуется меньшая емкость конденсатора на ступень умножения. На рис. 2 приведена схема такого однополупериодного умножителя.   Наиболее часто применяют последовательные умножители. Они более универсальны, напряжение на диодах и конденсаторах распределены равномерно, можно реализовать большее число ступеней умножения. Имеют свои достоинства и параллельные умножители. Однако такой их недостаток, как увеличение напряжения на конденсаторах с увеличением числа ступеней умножения, ограничивает их применение до выходного напряжения примерно 20 кВ.     На рис. 3 и 4 приведены схемы двухполупериодных умножителей. К достоинствам первого (рис. 3) следует отнести следующие: к конденсаторам С1, С3 приложено только амплитудное напряжение, нагрузка на диоды равномерна, достигается хорошая стабильность выходного напряжения. Второй умножитель, схема которого приведена на рис. 4, отличают такие качества, как возможность обеспечения высокой мощности, простота в изготовлении, равномерное распределение нагрузки между компонентами, большое число ступеней умножения.   При расчете умножителя следует задать его основные параметры: выходное напряжение, выходную мощность, входное переменное напряжение, требуемые габариты, условия работы (температура, влажность). В таблице приведены типовые значения параметров и область применения умножителей напряжения. Выходное напряжение, В Выходная мощность, Вт Типовые значения входного напряжения, В Однополу- периодный умножитель Двухполу- периодный умножитель 1000 < 50 50…200 > 200 200…500 500 500 + + + 2500 < 50 50…200 > 200 250…500 1000 1000 + + + 5000 < 50 50…200 > 200 250…2500 2500 2500 + + + 10000 < 50 50…200 > 200 2500…5000 5000 5000 + + + 20000 < 50 50…200 > 200 2500…10000 5000…10000 5000…10000 + + + 30000 < 50 50…200 > 200 2500…10000 5000…10000 5000…10000  + + + 50000 < 30 30…100 > 100 5000…10000 5000…10000 5000…15000 + + + 75000 < 30 >= 30 7500…15000 более 5000 + + 100000 < 30 >= 30 7500…15000 более 5000 + + 150000 < 30 >= 30 7500…15000 более 5000 + +   Кроме того, необходимо учесть некоторые ограничения: входное напряжение может быть не более 15 кВ, частота переменного напряжения ограничена в пределах 5…100 кГц, выходное напряжение — не более 150 кВ, интервал рабочей температуры от -55 до +125 град. С, а влажности — 0… 100 %. На практике разрабатывают и применяют умножители с выходной мощностью до 50 Вт, хотя реально достижимы значения в 200 Вт и более.   Выходное напряжение умножителя зависит от тока нагрузки. При условии, что входное напряжение и частота постоянны, оно определяется формулой: Uвых = N Uвх — [ I ( N3 + 9 N2 / 4 + N / 2 ) / 12 F C , где I — ток нагрузки, А; N — число ступеней умножителя; F — частота входного напряжения, Гц; С — емкость конденсатора ступени, Ф. Задавая выходное напряжение, ток, частоту и число ступеней, из нее вычисляют требуемую емкость конденсатора ступени.   Эта формула приведена для расчета последовательного умножителя. В параллельном для получения того же выходного тока необходимая емкость меньше. Так, если в последовательном емкость конденсатора 1000 пф, то для трехступенчатого параллельного умножителя потребуется емкость 1000 пФ / 3 = 333 пФ. В каждой последующей ступени такого умножителя следует применять конденсаторы с большим номинальным напряжением. Обратное напряжение на диодах и рабочее напряжение конденсаторов в последовательном умножителе равно полному размаху входного напряжения.   При практической реализации умножителя следует уделить особое внимание выбору его элементов, их размещению и изоляционным материалам. Конструкция должна обеспечивать надежную изоляцию во избежание возникновения коронного разряда, который снижает надежность умножителя, приводит к выходу его из строя. Если требуется изменить полярность выходного напряжения, полярность включения диодов следует изменить на обратную. Д. САДЧЕНКОВ г. Москва Радио №10, 2000 Источник: shems.h2.ru

Умножители напряжения параллельные, последовательные, двухполупериодные, однополупериодные

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

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

Приведём основные типы умножителей напряжения.

Рис.1 Рис.2

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

Необходимая ёмкость конденсаторов в этой схеме определяется по приближенной формуле:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Рис.3 Рис.4

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

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