Как работает умножитель напряжения. Как работает умножитель напряжения

принцип работы, расчет схемы :: SYL.ru

Все чаще и чаще радиолюбители стали интересоваться схемами питания, которые построены по принципу умножения напряжения. Этот интерес связан с появлением на рынке миниатюрных конденсаторов с большой емкостью и повышением стоимости медного провода, который используется для намотки катушек трансформаторов. Дополнительным плюсом упомянутых устройств являются их малые габариты, что значительно снижает конечные размеры проектируемой аппаратуры. А что же представляет собой умножитель напряжения? Этот прибор состоит из подключенных определенным образом конденсаторов и диодов. По сути, это преобразователь переменного напряжения низковольтного источника в высокое постоянное напряжение. А зачем нужен умножитель напряжения постоянного тока?

Область применения

Такое устройство нашло широкое применение в телевизионной аппаратуре (в источниках анодного напряжения кинескопов), медицинском оборудовании (при питании мощных лазеров), в измерительной технике (приборы измерения радиации, осциллографы). Кроме того, оно используется в устройствах ночного видения, в электрошоковых приборах, бытовой и офисной аппаратуре (ксерокопировальные аппараты) и т. д. Умножитель напряжения завоевал такую популярность благодаря возможности формировать напряжение до десятков и даже сотен тысяч вольт, и это при незначительных размерах и массе устройства. Еще один немаловажный плюс упомянутых приборов – это простота изготовления.

Типы схем

Рассматриваемые устройства делятся на симметричные и несимметричные, на умножители первого и второго рода. Симметричный умножитель напряжения получается путем соединения двух несимметричных схем. У одной такой схемы меняется полярность конденсаторов (электролитов) и проводимость диодов. Симметричный умножитель обладает лучшими характеристиками. Одним из главных достоинств является удвоенное значение частоты пульсаций выпрямляемого напряжения.

Принцип работы

На фото показана простейшая схема однополупериодного прибора. Рассмотрим принцип работы. При действии отрицательного полупериода напряжения через открытый диод Д1 начинает заряжаться конденсатор С1 до амплитудного значения поданного напряжения. В тот момент, когда наступает период положительной волны, заряжается (через диод Д2) конденсатор С2 до удвоенного значения поданного напряжения. При начале следующего этапа отрицательного полупериода происходит заряд конденсатора С3 - также до удвоенного значения напряжения, а при смене полупериода и конденсатор С4 также заряжается до указанного значения. Запуск устройства осуществляется за несколько полных периодов напряжения переменного тока. На выходе получается постоянная физическая величина, которая складывается из показателей напряжений последовательных, постоянно заряжаемых конденсаторов С2 и С4. В результате получим величину, в четыре раза большую, чем на входе. Вот по такому принципу и работает умножитель напряжения.

Расчет схемы

При расчете необходимо задать требуемые параметры: выходное напряжение, мощность, переменное входное напряжение, габариты. Не следует пренебрегать и некоторыми ограничениями: входное напряжение не должно превышать 15 кВ, частота его колеблется в пределах 5-100 кГц, значение на выходе - не более 150 кВ. На практике применяют устройства с выходной мощностью 50 Вт, хотя реально сконструировать умножитель напряжения с выходным показателем, приближающимся к 200 Вт. Значение выходного напряжения напрямую зависит от тока нагрузки и определяется по формуле:

U вых = N*U вх – (I (N3 + +9N2 /4 + N/2)) / 12FC, где

I – ток нагрузки;

N – число ступеней;

F – частота входного напряжения;

С – емкость генератора.

Таким образом, если задать значение выходного напряжения, тока, частоты и количества ступеней, возможно высчитать необходимую емкость конденсаторов.

www.syl.ru

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: Uвых = 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.

electric-220.ru

Как работает умножитель напряжения — Меандр — занимательная электроника

Читать все новости ➔

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

Любительская конструкция умножителя напряжения

Удвоитель напряжения

Поначалу рассмотрим схему удвоителя напряжения.

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

Рис. 1

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

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

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

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

Достоинства:

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

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

Однофазный умножитель напряжения

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

Рис. 2

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Недостатки:

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

Возможно, Вам это будет интересно:

meandr.org

мир электроники - Умножитель напряжения

Электронные устройства

  материалы в категории

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

А вот как работает умножитель напряжения сейчас мы и разберемся.

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

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

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

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

В отрицательный полупериод входного напряжения конденсатор С1 заряжается до амплитудного значения входного напряжения - Um. Во время положительного полупериода начинает заряжаться С2 до значения UC2 = Um + UC1 = 2Um, т. е. на выходе получается удвоенное значение амплитуды входного напряжения. Все очень просто.

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

В положительный полупериод С1 заряжается через VD1 до значения Um. В следующий полупериод С2 заряжается через VD2 до значения, равного сумме напряжений на конденсаторе С1 и Um, т. е. UC2 = UC1 + Um = 2Um.В следующий (третий) положительный полупериод, когда прошла повторная зарядка С1 через диод VD1, диод VD2 закрывается, кондер С2 разряжается через диод VD3 на С3, зарядив последний до 2Um, т. е. до удвоенного амплитудного значения. По окончанию заряда С1 нагрузка окажется под суммарным напряжением кондеров С1 и С3. Поскольку на С3 удвоенное значение напряжения, на нагрузке выделяется напряжение Uвых = UC1 + UC3 = 3Um.

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

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

radio-uchebnik.ru

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.

Схема двухполупериодного умножителя состоит из двух диодов и двух конденсаторов, подключенных со стороны вторичной обмотки трансформатора.

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.

Если данную схему применить без трансформатора, непосредственно подключить к 220 В, то на выходе получим приблизительно 930 В.

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. Изготавливая умножитель напряжения, следует всегда помнить о том, что конденсаторы и диоды должны быть рассчитаны на соответствующие напряжения.

diodov.net

Умножители напряжения схема | Техника и Программы

До недавнего времени умножители напряжения недооценивали. Многие разработчики рассматривают эти схемы с точки зрения ламповой техно­логии, и поэтому упускают некоторые прекрасные возможности. Хоро­шо известно, каким удачным решением стало применение утроителей и учетверителей напряжения в телевизорах. К счастью, нам не надо ре­шать задачи, касающиеся рентгеновского излучения в ИИП, но схема умножения напряжения часто может быть полезна для дальнейшего со­кращения габаритов после того, как достигнут очевидный предел обыч­ными методами, использующими высокочастотную коммутацию и удале­ны трансформаторы, работающие с частотой 60 Гц. В других случаях умножители напряжения могут обеспечить изящный способ получения дополнительного выходного напряжения, используя одну вторичную об­мотку трансформатора.

Многие учебники подробно останавливаются на недостатках умножи­телей напряжения. Утверждается, что у них плохая стабильность напряже­ния и они слишком сложны. Констатация этих недостатков имеет под со­бой почву, но основана она на опыте применения ламповых схем, которые всегда работали с синусоидальными напряжениями с частотой 60 Гц. Свой­ства умножителей напряжения значительно улучшаются, когда они рабо­тают с прямоугольными, а не с синусоидальными напряжениями, и осо­бенно при работе с высокими частотами. При частоте переключения 1 кГц, и тем более при 20 кГц, умножитель напряжения заслуживает переоценки его возможностей. Учитывая, что для прямоугольного колебания пиковое и среднее квадратичное значение равны, конденсаторы в схеме умножите­ля имеют намного большее время накопления заряда, по сравнению со случаем синусоидальных колебаний. Это проявляется в повышении ста­бильности напряжения и улучшении фильтрации. Известно, что очень хо­рошая стабильность возможна и при синусоидальном напряжении, но толь­ко за счет конденсаторов большой емкости. Некоторые полезные схемы умножителей напряжения показаны на рис. 16.4. Два различных изображе­ния одной и той же схемы на рис. (А) показывает, что способ начертания схемы может иногда вводить в заблуждение.

Хотя стабильность теперь не является большой проблемой в умно­жителях напряжения, очень хорошая стабильность вовсе не обязательна в системе, где об окончательной стабилизации выходного постоянного напряжения позаботятся один или несколько контуров обратной связи. В частности, некоторые умножители напряжения очень хорошо работа­ют при 50-процентном рабочем цикле инвертора. Соответствующие ум­ножители напряжения рекомендуются в качестве нестабилизированного источника питания, обычно предшествующего схеме стабилизации с пет­лей обратной связи. Как правило, такое использование связано с преоб­разователем постоянного напряжения в постоянное. Например, напря­жение сети с частотой 60 Гц можно выпрямить и удвоить. Затем это постоянное напряжение используется в мощном преобразователе посто­янного напряжения в постоянное, который можно выполнить в виде импульсного стабилизатора. Заметьте, что этот метод дает возможность получить высокое выходное напряжение без трансформатора, работаю­щего на частоте 60 Гц.

Умножитель напряжения облегчает создание хорошего инвертора. Трансформатор инвертора лучше всего работает с коэффициентом трансформации около единицы. Значительные отклонения от этой вели­чины, особенно при повышении напряжения, часто приводят к появле­нию достаточно большой индуктивности рассеяния в обмотках транс­форматора, что вызывает неустойчивую работу инвертора. Так, те, кто экспериментировали с инверторами и преобразователями хорошо знают, что наиболее вероятным сбоем в работе даже простой схемы являются колебания, частота которых отличается от расчетной. А индуктивность рассеяния может легко привести к разрушению переключающих транзи­сторов. Этой проблемы можно избежать, применяя умножитель напря­жения, чтобы использовать трансформатор с коэффициентом трансфор­мации около единицы.

Рис. 16.4. Схемы умножителей напряжения. Обе схемы на рис. (А) электрически идентичны. Обратите внимание на допустимые и запре­щенные варианты заземления различных цепей – в некоторых случаях генератор и нагрузка не могут использовать одну и ту же точку зазем­ления.

Когда мы имеем дело с напряжениями синусоидальной формы, сле­дует помнить, что умножители напряжения оперируют с пиковым значе­нием напряжения. Таким образом, так называемый удвоитель напряжения, работающий с входным напряжением, имеющим эффективное значение 100 В, даст на выходе напряжение холостого хода 2 х 1,41 х 100 = 282 В. Таким образом, если емкость конденсаторов велика, а нагрузка относи­тельно небольшая, то результат больше похож на утроение входного эф­фективного значения напряжения. Подобное рассуждение справедливо и для других умножителей.

Если принять равными емкости всех конденсаторов и синусоидаль­ное напряжение на входе, то умножители напряжения должны иметь ве­личину (ocr не менее 100, где (0=2К /, рабочая частота выражена в гер­цах, емкость в фарадах, а – эффективное сопротивление в омах, соответствующее самой низкоомной нагрузке, которая может быть под­ключена. В этом случае выходное напряжение составит не менее 90% от максимально достижимого постоянного напряжения и будет относитель­но слабо изменяться. Для напряжения прямоугольной формы величина cocr может быть значительно меньше 100.

При выборе схемы умножения напряжения следует уделить внима­ние заземлению. На рис. 16.4, символ генератора обычно представляет вторичную обмотку трансформатора. Заметьте, что если один из выво­дов нагрузки должен быть заземлен, то в однополупериодных схемах возможно заземление одного вывода трансформатора, а в двухполупери­одных вариантах нет. Двухполупериодные схемы удобны для получения источников с двуполярным выходом, у которых один выход имеет поло­жительный потенциал относительно земли, а другой – отрицательный, и на каждом выходе имеется половина полного выходного напряжения.

Схемы, показанные на рис. 16.4(A), идентичны и являются двухполу­периодными выпрямителя с удвоением напряжения. Схема на рис. В представляет собой однополупериодный выпрямитель с удвоением на­пряжения. Схема рис. С работает как однополупериодный утроитель. Двухполупериодный учетверитель показан на рис. D, а однополупериод­ный учетверитель на рис. Е. Подобные умножители напряжения, нахо­дят широкое применение в телевизионных источниках питания обратно­го хода, обеспечивающих кинескопы высоким напряжением. Они используются также в счетчиках Гейгера, лазерах, электростатических сепараторах и т.д.

Хотя двухполупериодные умножители напряжения имеют лучшую стабильность и меньшие пульсации, чем однополупериодные, практи­чески различия становятся небольшими, если используются прямоу­гольные колебания высокой частоты. Используя конденсаторы большой емкости, всегда можно улучшить стабильность напряжения и уменьшить пульсации. Вообще, при частоте 20 кГц и выше, наличие у однополупе­риодных умножителей общей точки заземления оказывает определяю­щее влияние на выбор конструктора.

Соединяя большое число элементарных каскадов, можно получать очень высокие постоянные напряжения. Хотя этот способ не нов, ре­ально осуществить его, используя полупроводниковые диоды, оказалось проще, чем с прежними ламповыми выпрямителями, которые осложня­ли задачи изоляции и стоимости из-за цепей накала. Два примера много­каскадных умножителей напряжения показаны на рис. 16.5. Они умно­жают амплитудное значение входного переменного напряжения в восемь раз. В схеме на рис. 16.5А, ни на одном конденсаторе напряжение не превышает величины 2К Отличительной особенностью схемы, изобра­женной на рис. 16.5В является общая точка земли для входа и выхода. Однако номинальные напряжения конденсаторов должны постепенно повышаться по мере того, как они приближаются к выходу схемы. Хотя при частоте 60 Гц это приводит к увеличению габаритов и стоимость, но при высоких частотах эти недостатки менее чувствительны. Диоды в обе­их схемах должны выдержать пиковое входное напряжение Е, но для на­дежности следует применять диоды с номинальным напряжением, по крайней мере, в несколько раз выше, чем Е, В этих схемах обычно ис­пользуются конденсаторы, имеющие одинаковые емкости. Чем больше емкость конденсаторов, тем лучше стабильность и меньше пульсации. Однако конденсаторы большой емкости накладывают повышенные тре­бования к диодам в отношении максимальных значений токов.

Схема, показанная на рис. 16.6, оказалась очень полезной для при­менения в электронике. Заметьте, что она работает от однополярной последовательности импульсов. Это схема умножителя напряжения Кок-рофта-Уолтона, которая часто встречается в литературе. Хотя все кон­денсаторы могут иметь одну и ту же емкость и одно и то же номиналь­ное напряжение Е, но лучше воспользоваться следующим подходом:

Сначала рассчитываем емкость выходного конденсатора

где /q — выходной ток в амперах, а / – длительность однополярного им­пульса в микросекундах. Пусть в качестве примера = 40 мА. Если Вы принимаете, что частота равна 20 кГц, то t составляет половину величи­ны обратной 20 кГц, или

В качестве напряжения V принимается максимальная величина пульсаций. Разумной можно считать величину 100 мВ, тогда

Рис. 16.5. Два варианта многокаскадного умножителя напряжения. (А) В этой схеме ни на одном конденсаторе нет напряжения выше 2Е. (В) Особенностью этой схемы является общая точка заземления для входа и выхода.

По мере приближения ко входу схемы емкость конденсаторов посте­пенно увеличивается в несколько раз по сравнению с емкостью после­днего конденсатора С^. Эти вычисления простые, но могут оказаться не­верными, если на них не обратить пристального внимания. Отметьте числа, стоящие рядом с конденсаторами в схеме на рис. 16.6. Это коэф­фициенты, на которые надо умножать емкость С^, чтобы получить фак­тическую величину емкости. Таким образом, емкость конденсатора, обозна­ченного номером 2 равна 2С^ или в нашем примере 10 мкФ х 2 =20 мкФ. Конденсатор имеет емкость 5С^ или 50 мкФ. А первый конденсатор имеет емкость IIС^ или ПО мкФ.

Откуда берутся эти числа? Они представляют относительные значе­ния токов вдоль цепи. Если рядом с конденсаторами нет чисел, пока­занных на рис. 16.6, Вы можете определить их, используя выражение (2/1-1). Здесь п представляет коэффициент умножения входного напря­жения. Очевидно, что в умножителе на шесть л = 6. Вы начинаете с входного конденсатора и находите, что 2п—\ = 11. Затем продолжаете вдоль нижнего ряда конденсаторов, получая последовательно 2/1-3, 2/2-5, 2/1-7, 2/2-9 и, наконец, для – (2/2-11). Затем, следуя этой про­цедуре, начинаем с первого конденсатора слева в верхнем ряду. На сей раз, множители С^, следующие: 2/2-2, 2/2-4, 2/2-6, 2/2-8 и, наконец, для правого замыкающего конденсатора 2/2-10.

Рис. 16.6. Умножитель напряжения на шесть, работающий от источ­ника однополярных импульсов. Назначение чисел рядом с конденса­торами объяснено в тексте.

То, что конденсаторы около входа имеют большую емкость, чем те, ко­торые ближе к выходу, связано, с перекачкой заряда, который естественно должен быть достаточно большим на входе. В течение одного цикла про­исходит 2/2—1 переносов заряда. При каждом из таких переносов, происхо­дит естественная потеря энергии. Эти потери энергии минимальны, если емкости конденсаторов рассчитаны так, как было сказано выше.

Первое испытание любого умножителя напряжения должно прово­диться с переменным автотрансформатором или с каким-нибудь другим устройством, позволяющим плавно повышать входное напряжение. В противном случае скачком тока могут быть разрушены диоды. Строгость соблюдения этого правила зависит от таких факторов, как емкость кон­денсаторов, уровень мощности, частота, ESR конденсаторов и, конечно, номинальный пиковый ток диодов. Возможно, на входе умножителя не­обходимо поместить терморезистор, или резистор, включаемый с помо­щью реле. С другой стороны, во многих случаях можно обойтись вообще без защиты, потому что вполне доступны диоды, работающие с большими пиковыми токами. Иногда, защита «невидима», например, трансформатор на входе просто не может обеспечить большой скачок тока.

При работе с высокими напряжениями величина прямого падения напряжения на диодах не существенна. При низком напряжении накап­ливающееся падение напряжения на диодах может помешать достиже­нию требуемого выходного напряжения и существенно понизить к.п.д. умножителя напряжения. Следует убедиться, что время обратного вос­становления диодов совместимо с частотой входного напряжения. Ина­че, рассчитанный коэффициент умножения напряжения будет «загадоч­но» отсутствовать.

nauchebe.net

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 >

www.club155.ru

---

• 
  Пгв 1000мкп расшифровка
• 
  Лампы аварийного освещения
• 
  Схемы импульсные зарядные устройства для автомобильных аккумуляторов
• 
  Не вовремя включили горячую воду
• 
  Светодиодная лампа схема
• 
  Монтаж подстанции
• 
  По электрик
• 
  Цифровые схемы
• 
  Три фазы
• 
  Последовательное включение конденсаторов
• 
  Какие плакаты из перечисленных относятся к предупреждающим