Что если заряжать конденсаторы параллельно или по очереди, а затем соединять их последовательно и использовать получившуюся батарею как источник более высокого напряжения? А ведь это – известный способ повышения напряжения, называемый умножением.
Используя умножитель напряжения, можно от источника низкого напряжения получить напряжение более высокое без необходимости прибегать для этой цели к повышающему трансформатору. В некоторых применениях трансформатор вообще не подойдет, и порой куда удобнее воспользоваться для повышения напряжения именно умножителем.
Так например, в телевизорах производства СССР напряжение в 9 кВ могло быть получено от строчного трансформатора, а затем уже повышено до 27 кВ с помощью умножителя УН9/27-1.3 (маркировка обозначает, что 9 кВ подается на вход, 27 кВ при токе в 1,3 мА получается на выходе).
А представьте себе, если бы пришлось получать такое напряжение для ЭЛТ телевизора при помощи одного только трансформатора? Сколько витков пришлось бы мотать в его вторичную обмотку, и какой толщины должен был бы быть тогда провод? Это привело бы к перерасходу материалов. В итоге и выходит, что для получения высоких напряжений, если требуемая мощность не велика, - вполне подойдет умножитель.
Схема умножителя напряжения, независимо от того, низковольтный он или высоковольтный, содержит всего два вида компонентов: диоды и конденсаторы.
Функция диодов - направить ток заряда в соответствующие конденсаторы, а затем - направить ток разряда из соответствующих конденсаторов в правильном направлении, чтобы цель (получение повышенного напряжения) была бы достигнута.
Конечно, на умножитель подается переменное или пульсирующее напряжение, и зачастую это исходное напряжение берется от трансформатора. А на выходе умножителя, благодаря диодам, напряжение будет уже постоянным.
Рассмотрим на примере удвоителя принцип работы умножителя. Когда ток в самом начале движется от источника вниз - первым и интенсивнее всего заряжается ближний верхний конденсатор С1 через ближний нижний диод D1, при этом второй по схеме конденсатор не получает заряд, ведь он блокирован диодом.
Далее, поскольку у нас здесь источник переменного тока, ток движется от источника вверх, но здесь на пути имеется C1, который сейчас оказывается подключен к источнику последовательно, и через диод D2 заряд при более высоком напряжении получает конденсатор C2, на нем таким образом напряжение получается выше, чем амплитуда источника (минус потери в диоде, в проводах, в диэлектрике и т. д.).
Дальше ток снова движется от источника вниз - конденсатор C1 дозаряжается. И если нет нагрузки, то через пару периодов напряжение на конденсаторе C2 станет поддерживаться на уровне примерно 2 амплитудных напряжения источника. Таким же путем можно, добавив больше секций, получить более высокое напряжение.
Однако с ростом количества каскадов в умножителе выходное напряжение сначала получается больше и больше, но затем быстро уменьшается. Практически более 3 ступеней в умножителях применяют редко. Ведь если поставить слишком много ступеней, то потери возрастут, а напряжение на дальних секциях будет меньше желаемого, не говоря уже о массогабаритных показателях такого изделия.
Кстати, в микроволновых печах традиционно применяют удвоение напряжения (частота 50 Гц), а вот утроение, в умножителях типа УН, применяется к напряжению высокочастотному, измеряемому десятками килогерц.
На сегодняшний день во многих технических областях, где требуется высокое напряжение с малым током: в лазерной и рентгеновской технике, в системах подсветки дисплеев, в цепях питания магнетронов, в ионизаторах воздуха, ускорителях частиц, в копировальной технике - умножители прижились хорошо.
Среди различных схем выпрямляющих устройств особую труппу составляют схемы, в которых посредством соответствующего включения выпрямительных элементов.и конденсаторов осуществляется не только выпрямление, но одновременно и умножение выпрямленного напряжения.
Преимущество таких схем заключается в возможности построения высоковольтных бестрансформаторных выпрямителей и выпрямителей с трансформаторами, только для питания цепей накала кенотронов. Отсутствие в силовом трансформаторе повышающей обмотки значительно облегчает его изготовление и повышает эксплуатационные качества выпрямителя. К недостаткам этих схем относятся сравнительно сильная зависимость выпрямленного напряжения от тока в нагрузке и относительная трудность получения больших мощностей.
Схемы выпрямителей с умножением напряжения получили наиболее широкое распространение в рентгенотехнических установках. В радиотехнической практике они используются в основном для питания маломощной аппаратуры, потребляющей ток не более 50-70 мА при напряжении около 200 в. Однако и здесь область их применения можно значительно расширить, построив, например, по схеме с утроением или учетверением напряжения достаточно мощные бестрансформаторные выпрямители. Подобные выпрямители при напряжении сети переменного тока 110, 127 или 220 в позволяют получить постоянное напряжение 300- 400 в при токе до 100-150 мА, что обеспечивает питание анодных цепей приёмников, усилителей низкой частоты средней мощности.
Особенностью работы выпрямителей с умножением напряжения является использование свойств конденсаторов накапливать и в течение некоторого времени сохранять электрическую энергию. При работе выпрямителя от обычной сети 50-периодного переменного тока время, в течение которого конденсатор должен сохранять заряд, не превышает 0,02 сек. Чем больше ёмкость (входящих в схему конденсаторов, тем большее количество электрической энергии они сохраняют и тем выше при одной и той же.нагрузке получается выпрямленное напряжение. Поэтому в таких выпрямителях удобнее всего применять электролитические конденсаторы, которые, имея небольшие размеры, обладаю! значительной ёмкостью.
Ниже описывается ряд практических схем выпрямителей с умножением напряжения, причём для большинства из них приводятся нагрузочные характеристики, снятые при различных ёмкостях накопительных конденсаторов. Такие характеристики позволяют достаточно полно судить о возможных областях применения той или иной схемы, а также по заданным выпрямленному току, выпрямленному напряжению и напряжению питающей сети выбрать схему выпрямителя и определить основные данные его деталей.
СХЕМЫ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ С УМНОЖЕНИЕМ НАПРЯЖЕНИЯ
Схемы с удвоением напряжения. Схемы выпрямителей с удвоением напряжения, получившие наиболее широкое распространение в радиолюбительской практике, приведены на фиг. 1.
Фиг. 1. Принципиальные схемы выпрямителей с удвоением напряжения.
а - схема двухполупериодного выпрямителя; б - схема однополупериодного выпрямителя.
Для того чтобы можно было достаточно полно сравнить и оценить достоинства и недостатки обеих схем, на фиг. 2 приведены их нагрузочные характеристики. Характеристики были сняты при различных ёмкостях конденсаторов С1 и С2. В выпрямителях использовались селеновые столбики В1 и В2, собранные каждый из 13 шайб диаметром 45 мм. Напряжение питающей сети поддерживалось равным 120 в. Для ограничения пускового тока, который из-за ёмкостного характера нагрузки может достигать значительных величин, последовательно в цепь питания включалось сопротивление R, равное 20 Ом. Благодаря этому создавались более благоприятные условия для работы выпрямителей.
Фиг. 2. Нагрузочные характеристики выпрямителей с удвоением напряжения (сняты при напряжении питающей электросети, равном 120 в).
а - характеристики двухполупериодного выпрямителя; б - характеристики однополупериодного выпрямителя.
Сравнивая нагрузочные характеристики обоих выпрямителей, снятые при одних и тех (же значениях ёмкости конденсаторов С1 и С2, можно заметить, что для схемы двухполупериодного выпрямления они лежат заметно выше, чем для схемы однополупериодного. Следовательно, выпрямленное напряжение на нагрузке при одинаковом токе получается большим для первой схемы (фиг. 1, а), чем для второй (фиг. 1, б).
Приведённые характеристики позволяют также судить о реальных рабочих напряжениях, при которых работают конденсаторы схемы.
Благодаря тому, что частота пульсации при двухполупериодном выпрямлении получается в два раза большей, чем при однополупериодном, для первой схемы (фиг. 1, а) значительно облегчается дальнейшая фильтрация выпрямленного напряжения, и кроме того, коэффициент пульсации показывающий, какую часть выпрямленного напряжения на выходе выпрямителя составляет амплитуда переменной составляющей этого напряжения) для одинаковой нагрузки и одинаковых значений ёмкости конденсаторов С1 и С2 получается несколько меньшим. Так, например, при сопротивлении нагрузки 2000 Ом и ёмкости конденсаторов С1 и С2 по 48 мкФ коэффициент пульсаций для первой схемы составлял 6,5 %, а для второй - 7,6% (несмотря на то, что в первой схеме суммарная ёмкость на выходе выпрямителя в два раза меньше, чем во второй).
Следует также отметить, что рабочие напряжения на конденсаторах в первой схеме одинаковы и равны половине выпрямленного напряжения, т. е. не превышают 150 в (если только выпрямитель не работает без нагрузки), тогда как во второй схеме под таким напряжением работает только конденсатор С1 а конденсатор С2 находится под полным выпрямленным напряжением и, следовательно, должен быть рассчитан на рабочее напряжение не менее чем 300 в.
При работе выпрямителей с удвоением напряжения без нагрузки, т. е. вхолостую, выпрямленное напряжение примерно равно удвоенному амплитудному значению напряжения питающей сети, и следовательно, может превысить 350 в (если эффективное напряжение сети равно 127 в). Такое повышение напряжения может привести к пробою конденсаторов, селеновых шайб или изоляции между нитью накала и катодом в кенотронах. Поэтому, если по техническим условиям выпрямитель должен работать без нагрузки или на очень высокоомную нагрузку, то детали, применяемые в нём, должны быть рассчитаны на соответствующее рабочее напряжение. Последнее условие относится также и к схемам, приводимым в последующих разделах брошюры.
Некоторым преимуществом однополупериодной схемы является возможность весьма простого переключения её на питание от сети с напряжением 220 в. Чтобы произвести такое переключение, нужно соединить последовательно выпрямительные элементы В1 и В2 и закоротить конденсатор С1. В этом случае выпрямитель будет работать по схеме однополупериодного выпрямления без удвоения напряжения. Нагрузочные характеристики выпрямителя при этом почти не изменятся.
Область применения описанных выше схем выпрямителей - питание 4...5 ламповых приёмников (имеющих выходную мощность не более 2-3 Вт), маломощных усилителей низкой частоты и малоламповой измерительной аппаратуры.
Во всех этих случаях в качестве выпрямительного элемента удобнее всего использовать кенотрон 30Ц6С, нить накала которого соединяется последовательно с нитями накала других ламп аппарата. Выпрямитель с этим кенотроном и конденсаторами С1 и С2 ёмкостью по 20-40 мкф даёт напряжение 200-220 в при токе около 70 мА. Применяя вместо кенотрона 30Ц6С селеновые столбики, собранные из шайб диаметром 35 или 45 мм, и конденсаторы большей ёмкости, можно несколько увеличить выпрямленное напряжение и получить ток вдвое (для шайб диаметром 35 мм) и втрое (для шайб диаметром 45 мм) больший. Выпрямители в этом случае могут питать более мощные приёмники (до 4 вт выходной мощности), усилители низкой частоты, малоламповые телевизоры и т. п.
Фиг. 3. Принципиальная схема выпрямителя с утроением напряжения.
Фиг. 4. Нагрузочные характеристики выпрямителя с утроением напряжения (сняты при напряжении питающей электросети, равном 120 в).
Схема с утроением напряжения. Схема выпрямителя с утроением напряжения приведена на фиг. 3. Она представляет собой комбинацию двух схем однополупериодных выпрямителей: схемы с удвоением напряжения и схемы без умножения. К питающей сети обе схемы подключаются параллельно, а их выходы (выпрямленные напряжения) соединяются между собой последовательно. Таким образом, напряжение на выходе выпрямителя, равное сумме выпрямленных напряжений (удвоенному напряжению сети на конденсаторе С2 и одинарному - на конденсаторе С3), оказывается равным, примерно, утроенному напряжению сети.
Нагрузочные характеристики, выпрямителя, приведённые на фиг. 4, показывают, что при токе около 200 мА такой выпрямитель может отдавать напряжение свыше 300 в. Характеристики снимались при сопротивлении R = 10 Ом с выпрямителя, в котором (в качестве выпрямительных элементов В1, В2 и В3 использовались одинаковые селеновые столбики, собранные каждый в 13 шайб диаметром 45 мм.
Напряжение питающей сети поддерживалось равным 120 в, а ёмкости конденсаторов С1, С2 и С3 менялись в пределах от 32 до 100 мкф.
Характер пульсации выпрямленного напряжения этой схемы при равных значениях ёмкости всех трёх конденсаторов такой же, как и в схеме двухполупериодного выпрямления, а коэффициент пульсации при нагрузке выпрямителя сопротивлением 2000 ом и ёмкости конденсаторов по 50 мкф - порядка 7%. Рабочие напряжения на конденсаторах С1 и С3 не превышают 150 в, а на конденсаторе С2 - 300 в.
Следует иметь в виду, что в схеме с утроением напряжения при отсутствии нагрузки и напряжении питающей сети 120-127 в выпрямленное напряжение превышает 500 в.
Приведённые выше данные показывают, что выпрямитель с утроением напряжения может получить ещё более широкое применение, чем с удвоением. Вопрос о выборе выпрямительных элементов для такого выпрямителя будет рассмотрен ниже.
Схемы с учетверением напряжения. Схема выпрямителя с учетверением напряжения может быть двух видов: симметричной и несимметричной.
Симметричная схема, изображённая на фиг. 5, представляет собой комбинацию двух схем однополупериодных выпрямителей с удвоением, работающих в разные полупериоды напряжения питающей сети. Работа этой схемы происходит следующим образом- Во время полупериода одного знака заряжаются конденсаторы С1 и С4, причём напряжение на конденсаторе С1 достигает, примерно, одинарного, а на конденсаторе С4 - удвоенного эффективного значения напряжения питающей сети (конденсатор С4 заряжается, используя уже имеющийся заряд на конденсаторе С2). Во время полупериода противоположного знака таким же образом заряжаются конденсаторы С2 и С3. Выпрямленное напряжение снимается с соответствующих полюсов конденсаторов С3 и С4, соединённых между собою последовательно. Таким образом, оно удваивается вторично.
Фиг. 5. Симметричная схема выпрямителя с учетверением напряжения.
Напряжение, до которого заряжаются конденсаторы С1 и С2, оказывается тем большим, чем больше нагрузочное сопротивление или, иначе говоря, меньше отдаваемая выпрямителем мощность. Максимального значения зарядное напряжение достигает в случае отключения от выпрямителя нагрузки, становясь равным амплитудному значению напряжения сети (в 1,41 раза больше эффективного значения) на конденсаторах С1 и С2 и удвоенному амплитудному значению (в 2,82 раза больше эффективного значения) - на конденсаторах С3 и С4.
Фиг. 6. Нагрузочные характеристики выпрямителя с учетверением напряжения (сняты при напряжении питающей сети, равном 120 в).
Для того чтобы можно было быстро определить требуемые ёмкости конденсаторов C1, С2, С3 и С4, на фиг. 6 приведены нагрузочные характеристики, снятые с выпрямителя при различных значениях этих ёмкостей (во всех случаях С1 = С2 и С3 = С4). Приведённые характеристики показывают, что уже при конденсаторах С1 и С2 ёмкостью по 60 мкф и С3 и С4 - по 16 мкф напряжение на выходе выпрямителя при токе 150 мА достигает 400 в.
Конденсаторы С1 и С2 должны быть рассчитаны на рабочее напряжение не меньшее чем 150 в, а С3 и С4 - не меньшее чем 250 в.
Коэффициент пульсации выпрямленного напряжения в случае нагрузки выпрямителя сопротивлением 3000 Ом оказывается равным, примерно, 6%, а форма напряжения на нагрузке та же, что и при двухполупериодном выпрямлении.
Следует иметь в ввиду, что в симметричных схемах выпрямителей с умножением напряжения шасси находится под сравнительно высоким потенциалом относительно земли и питающего источника.
Фиг. 7. Несимметричная схема выпрямителя с учетверением напряжения.
Несимметричная схема выпрямителя с учетверением напряжения показана на фиг. 7. Работает она по несколько иному принципу, чем предыдущая. Здесь в полупериод соответствующего знака через выпрямительный элемент В1 и сопротивление R, примерно до напряжения сети, заряжается конденсатор С1. В следующий полупериод через выпрямительный элемент В2 и сопротивление R, используя заряд на конденсаторе С1, примерно до двойного напряжения сети, заряжается конденсатор С3. До такого же напряжения заряжается в последующий полупериод конденсатор С2 через выпрямительный элемент В3. В это же время вновь заряжается конденсатор С1. Затем заряд конденсатора С2 через выпрямительный элемент В4 заряжает конденсатор С4. Выпрямленное напряжение снимается с последовательно соединённых конденсаторов С3 и С4. Вся схема работает по принципу однополупериодного выпрямления.
Фиг. 8. Нагрузочные характеристики несимметричного учетверяющего выпрямителя (сняты при напряжении питающей сети, равном 120 в).
Снятые с выпрямителя нагрузочные характеристики (фиг. 8) имеют значительный наклон. Это показывает на невозможность использования таких схем для радиотехнических аппаратов повышенной мощности. Рабочее напряжение распределяется на конденсаторах весьма своеобразно, причём характер распределения зависит от величины нагрузки. В табл. 1 приведены рабочие напряжения на конденсаторах при двух различных нагрузках и без нагрузки.
Таблица 1
| Конденсаторы на схеме фиг. 7 | Ёмкость, мкф | Рабочее напряжение при нагрузке 2000 Ом, в | Рабочее напряжение при нагрузке 7500 Ом, в | Напряжение без нагрузки, в |
| C1 | 60 | 100 | 125 | 170 |
| С2 | 48 | 125 | 220 | 340 |
| С3 | 48 | 175 | 240 | 340 |
| С4 | 48 | 100 | 105 | 340 |
Примечание. Напряжение питающей сети 120 в.
Такое неравномерное распределение напряжения сопровождается весьма неравномерной формой пульсации, и поэтому коэффициент пульсации на выходе выпрямителя составляет при сопротивлении нагрузки 5000 Ом около 10%, а при сопротивлении нагрузки 1700 Ом повышается до 23%. Вследствие этого несимметричную схему выпрямителя с учетверением напряжения можно использовать только при больших сопротивлениях нагрузки или, иначе говоря, при малых потребляемых токах.
Выпрямители, собранные по симметричной схеме с учетверением, в которых применяются селеновые выпрямительные элементы, могут широко использоваться для питания различных радиотехнических устройств, требующих достаточно высоких напряжений при токах 150-200 мА.
Схемы с многократным умножением напряжения. Принцип выпрямления с учетверением напряжения, изложенный выше, действителен для любой чётной кратности умножения. Для каждого последующего увеличения выпрямленного напряжения на удвоенное напряжение сети схему выпрямителя нужно дополнить лишь двумя выпрямительными элементами и двумя конденсаторами, как показано на фиг. 9.
Схема, приведённая на фиг. 9, хорошо работает только при весьма малом потребляемом токе, но зато может давать очень высокое выпрямленное напряжение. Её удобно применять в телевизорах для питания анода кинескопа и т. д. В качестве выпрямительных элементов здесь могут быть использованы селеновые шайбы самого малого диаметра, собранные в столбики с таким расчётом, чтобы допустимое обратное напряжение было равным двойной амплитуде напряжения, даваемого источником переменного напряжения. На такое же рабочее напряжение должны быть рассчитаны и все конденсаторы схемы, кроме (конденсатора С1 находящегося под одинарным амплитудным напряжением источника. Так как схема рассчитывается на малые рабочие токи,
Фиг. 9. Несимметричная схема выпрямителя с многократным умножением напряжения.
ёмкости конденсаторов могут быть небольшими, в пределах от 0,25 до 0,5 мкФ. Из-за большого сопротивления нагрузки коэффициент пульсации на выходе выпрямителя получается незначительным даже при таких малых значениях ёмкости конденсаторов. Полное напряжение, даваемое выпрямителем, подсчитывается для ненагруженного выпрямителя путём умножения амплитуды переменного напряжения на число пар элементов схемы. За одну пару элементов принимаются конденсатор и выпрямительный элемент.
На фиг. 10 показана симметричная схема многократного умножения напряжения, имеющая по сравнению со схемой
Фиг. 10. Симметричная схема выпрямителя с многократным умножением напряжения.
фиг. 9 те же преимущества, что и симметричная схема с учетверением напряжения по сравнению с несимметричной. Эту схему можно рекомендовать для выпрямителей, питающих выходные ступени любительских коротковолновых передатчиков и устройств, требующих высоких напряжений и сравнительно больших токов. При этом, конечно, должны быть соответственно подобраны выпрямительные элементы и конденсаторы выпрямителя.
Для приведённых выше схем выпрямителей характер нагрузочных характеристик определяется ёмкостями применяемых конденсаторов. Чем больше эти ёмкости, тем меньший наклон имеет характеристика, и следовательно, большим получается напряжение на данной нагрузке.
Для случая работы выпрямителя без нагрузки существуют определённые минимальные значения ёмкостей конденсаторов, при занижении которых схемы с умножением напряжения перестают работать. В тех случаях, когда от выпрямителя необходимо получить ток в несколько десятков или сотен, миллиампер, конденсаторы следует брать возможно большей ёмкости. Это способствует также и улучшению фильтрации выпрямленного напряжения. Кроме того, подбором ёмкостей конденсаторов можно эффективно устанавливать нужное по режиму питания анодное напряжение.
В промышленных и любительских телевизорах для питания анодов кинескопов нашла применение схема с умножением напряжения, изображённая на фиг. 11. Эта схема отличается от приведённых ранее наличием дополнительных сопротивлений и ёмкостей. Работает она следующим образом. Во время положительного полупериода питающего напряжения через выпрямительный элемент В1 заряжается до амплитудного значения напряжения конденсатор C1, а во время отрицательного - через сопротивление R1 конденсатор С2.
Фиг. 11. Схема умножения напряжения с сопротивлениями.
В последующий положительный полупериод напряжение на конденсаторе С2 складывается с питающим напряжением, и этот конденсатор разряжается через выпрямительный элемент В2 на последовательно соединённые конденсаторы С1 и С3, с концов которых полученное удвоенное выпрямленное напряжение и подводится к нагрузке. Наращивая в схеме звенья так, как показано пунктиром на фиг. 11, можно получить умножение напряжения любой кратности.
Преимущества такой схемы заключаются в облегчении условий работы выпрямительных элементов и ёмкостей, так как обратное напряжение на каждом выпрямительном элементе не превышает двойного, а на каждом конденсаторе - одинарного амплитудного напряжения, подводим ото к выпрямителю. Сопротивления R1, R2 и т. д. позволяют в случае использования селеновых столбиков иметь значительный разброс их обратных сопротивлений.
Рассмотренная схема пригодна только для работы выпрямителя при большом сопротивлении нагрузки. Конденсаторы могут иметь ёмкость порядка 500...1000 нФ, а сопротивления около 2...4 мОм. В качестве выпрямительных элементов могут применяться соответствующие селеновые столбики или кенотроны, однако для питания нитей накала последних на силовом трансформаторе необходимо иметь отдельные хорошо изолированные обмотки.
(однополупериодный)
Удвоитель напряжения означает, что напряжение на его выходе в два раза выше чем на выходе обычного выпрямителя . Удвоители, также как и обычные выпрямители, бывают двух типов: однополупериодные и двухполупериодные. На рисунке справа представлена схема обычного однополупериодного удвоителя с положительным напряжением на выходе. Однополупериодным умножителям напряжения присущи теже недостатки, что и аналогичным выпрямителям. Можно увидеть, что частота заряда конденсатора C1 равна частоте входного напряжения. Т.е. он заряжается один раз за период. Между этими циклами зарядки идёт цикл разрядки такой же длительности. Поэтому в этой схеме необходимо серьёзно отнестись к сглаживанию пульсаций.
Двухполупериодный удвоитель напряжения
Но более распространён двухполупериодный удвоитель напряжения
. Сразу надо сказать, что как предыдущая схема, так и эта, может быть подключена к сети переменного напряжения напрямую, минуя трансформатор . Это если требуется напряжение, вдвое превышающее сетевое и не требуется гальваническая развязка с сетью.
В этом случае серьёзно повышаются требования к соблюдению техники безопасности!
(двухполупериодный)
Резистор R0, как обычно, установлен для ограничения импульсов тока в диодах. Его значение сопротивления невелико и, как правило не превышает сотен ом. Резисторы R1 и R2 необязательны. Они установлены параллельно конденсаторам C1 и C2 для того, чтобы обеспечить разряд конденсаторов после отключения от сети и от нагрузки. Также, они обеспечивают выравнивание напряжения на C1 и C2.
Работа удвоителя очень похожа на работу обычного двухполупериодного выпрямителя. Разница в том, что здесь выпрямитель в каждом из полупериодов нагружен на свой конденсатор и заряжает его до амплитудного значения переменного напряжения. Удвоенное выходное напряжение получается путём сложения напряжения на конденсаторах.
В тот момент, когда напряжение в точке А относительно точки B положительно, через диод D1 заряжается конденсатор C1. Его напряжение практически равно амплитуде переменного напряжения вторичной обмотки конденсатора. В следующий полупериод напряжение в точке А отрицательно по отношению к точке B. В этом момент ток идёт через диод D2 и заряжает конденсатор C2 до такого же амплитудного значения. Так как конденсаторы соединены последовательно по отношению к нагрузке, то мы получаем сумму напряжений на этих конденсаторах, т.е. удвоенное напряжение.
Конденсаторы C1 и C2 желательно должны иметь одинаковую ёмкость. Напряжение этих электролитических конденсаторов должно превышать амплитудное значение переменного напряжения. Также должны быть равны и номиналы резисторов R1 и R2.
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 U. Когда к входу умножителя приложено напряжение положительного полупериода, конденсатор С2 через открытый диод VD2 заряжается до напряжения 2Ua. Во время следующего этапа - отрицательного полупериода - через диод VD3 до напряжения 2U заряжается конденсатор C3. И. наконец, при очередном положительном полупериоде до напряжения 2U заряжается конденсатор С4.
Очевидно, что запуск умножителя происходит за несколько периодов переменного напряжения. Постоянное выходное напряжение складывается из напряжений на последовательно включенных и постоянно подзаряжаемых конденсаторах С2 и С4 и составляет 4Ua.
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, C3 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.
В таблице приведены типовые значения параметров и область применения умножителей напряжения.
При расчете умножителя следует задать его основные параметры: выходное напряжение, выходную мощность, входное переменное напряжение, требуемые габариты, условия работы (температура, влажность).
Кроме того, необходимо учесть некоторые ограничения: входное напряжение может быть не более 15 кВ, частота переменного напряжения ограничена в пределах 5... 100 кГц. выходное напряжение - не более 150 кВ, интервал рабочей температуры от -55 до +125*С, а влажности - 0...100 %. На практике разрабатывают и применяют умножители с выходной мощностью до 50 Вт, хотя реально достижимы значения 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 · Nвх - /12FC, где I - тoк нагрузки. A; 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.
Умножитель напряжения представляет собой специальную схему выпрямителя, вырабатывающую выходное напряжение, которое теоретически равно пиковому переменному входному напряжению, увеличенному в целое число раз; например, переменное входное напряжение умноженное в 2, 3 или 4 раза. Таким образом, можно получить 200 В пост из 100 В пик, используя удвоитель, или 400 В пост из учетверителя. Любая нагрузка в реальной схеме снижает эти напряжения.
Применение удвоителя напряжения - это источник постоянного напряжения, способный использовать источник 240 В перемен или 120 В перемен. Источник использует переключатель для выбора двухполупериодного мостового выпрямителя для получения примерно 300 В пост из источника 240 В перемен. Положение 120 В переключателя пересоединяет диодный мост в удвоитель, выдающий примерно 300 В пост из 120 В перемен. В обоих случаях источник выдает 300 В пост. Такая схема может использоваться в переключаемых источниках питания схем с более низкими напряжениями, например, персонального компьютера.
Однополупериодный умножитель напряжения на рисунке ниже (a) состоит из двух цепей: из фиксатора уровня на рисунке (b) и пикового детектора (однополупериодного выпрямителя) из предыдущей главы, который показан в модифицированной форме на рисунке (c). К пиковому детектору (однополупериодному выпрямителю) был добавлен конденсатор C2.
Относительно рисунка выше (b), конденсатор C2 заряжается до 5 В (4,3 В с учетом падения напряжения на диоде) во время отрицательного полупериода входного переменного напряжения. Его правый вывод соединен с общим проводом через проводящий диод D2. Его левый вывод заряжается отрицательным пиком входного переменного напряжения. Это работа фиксатора уровня.
Во время положительного полупериода начинает работать однополупериодный выпрямитель на рисунке выше (c). Диод D2 убирается из схемы, так как он смещен в обратном направлении. Конденсатор С2 теперь последовательно соединен с источником напряжения. Обратите внимание, что полярности генератора и C2 направлены в одну сторону и складываются. Таким образом, выпрямитель D1 видит итоговые 10 В на пике синусоиды, 5 В от генератора и 5 В от конденсатора C2.
D1 проводит сигнал v(1) (рисунок ниже), заряжая конденсатор C1 до пика синусоиды, смещенной на 5 В пост (рисунок ниже v(2)). Сигнал v(2) представляет собой сигнал на выходе удвоителя, который стабилизируется на уровне 10 В (8,6 В с учетом падений напряжения на диодах) после нескольких циклов входного синусоидального сигнала.
Удвоитель напряжения: v(4) входной сигнал, v(1) выход фиксатора уровня, v(2) выход однополупериодного выпрямителя, который является и выходом удвоителя. *SPICE 03255.eps
C1 2 0 1000p
D1 1 2 diode
C2 4 1 1000p
D2 0 1 diode
V1 4 0 SIN(0 5 1k)
.model diode d
.tran 0.01m 5m
.end
Двухполупериодный удвоитель напряжения состоит из пары включенных последовательно однополупериодных выпрямителей (рисунок ниже). Соответствующий Нижний выпрямитель заряжает C1 во время отрицательного полупериода входного сигнала. Верхний выпрямитель заряжает C2 во время положительного полупериода. Каждый конденсатор заряжается до 5 В (4,3 В с учетом падения напряжения на диоде). На выходе в точке 5 последовательно соединенные конденсаторы C1 + C2 дают общее напряжение 10 В (8,6 В с учетом падений напряжения на диодах).
Двухполупериодный удвоитель напряжения состоит из двух однополупериодных выпрямителей, работающих для разных полярностей *SPICE 03273.eps
*R1 3 0 100k
*R2 5 3 100k
D1 0 2 diode
D2 2 5 diode
C1 3 0 1000p
C2 5 3 1000p
V1 2 3 SIN(0 5 1k)
.model diode d
.tran 0.01m 5m
.end
Обратите внимание, что выходной сигнал v(5) на рисунке ниже достигает своего конечного значения за один период входного сигнала v(2).
Двухполупериодный удвоитель напряжения: v(2) вход, v(3) напряжение в средней точке, v(5) напряжение на выходе Рисунок ниже показывает построение двухполупериодного удвоителя из пары однополупериодных выпрямителей противоположных полярностей (a). Отрицательный выпрямитель пары перерисовывается для ясности (b). Оба выпрямителя объединяются на (c), используя одну и ту же точку общего провода. На (d) отрицательный выпрямитель переподключается для совместного использования с положительным выпрямителем одного источника напряжения. Это дает источник питания ±5 В (4,3 В с учетом падений напряжения на диодах); хотя между выходами можно измерить 10 В. Точка земли перемещается так, чтобы +10 В были доступны относительно общего провода.
Утроитель напряжения (рисунок ниже) строится из соединения удвоителя и однополупериодного выпрямителя (C3, D3). Однополупериодный выпрямитель вырабатывает 5 В (4,3 В) в точке 3. Удвоитель обеспечивает 10 В (8,6 В) между точками 2 и 3. В итоге получаем 10 В (12,9 В) на выходной точке 2 относительно земли.
Список соединений показан ниже.
Утроитель напряжения состоит из удвоителя, помещенного над одним звеном выпрямителя *SPICE 03283.eps
C3 3 0 1000p
D3 0 4 diode
C1 2 3 1000p
D1 1 2 diode
C2 4 1 1000p
D2 3 1 diode
V1 4 3 SIN(0 5 1k)
.model diode d
.tran 0.01m 5m
.end
Обратите внимание, что v(3) на рисунке ниже поднимается до 5 В (4,3 В) за первый отрицательный полупериод. Входной сигнал v(4) сдвигается на 5 В (4,3 В) из-за напряжения 5 В на однополупериодном выпрямителе. И еще 5 В на v(1) добавляются из-за фиксатора уровня (C2, D2). D1 заряжает C1 (диаграмма v(2)) до пикового значения v(1).
Учетверитель напряжения является комбинацией двух удвоителей и показан на рисунке ниже. Каждый удвоитель обеспечивает 10 В (8,6 В), чтобы при последовательном включении дать в точке 2 напряжение 20 В (17,2 В) относительно общего провода.
Список соединений показан ниже.
Учетверитель напряжения состоит из двух удвоителей, включенных последовательно с выходом в точке 2 *SPICE 03441.eps
*SPICE 03286.eps
C22 4 5 1000p
C11 3 0 1000p
D11 0 5 diode
D22 5 3 diode
C1 2 3 1000p
D1 1 2 diode
C2 4 1 1000p
D2 3 1 diode
V1 4 3 SIN(0 5 1k)
.model diode d
.tran 0.01m 5m
.end
Диаграммы напряжений в учетверителе показаны на рисунке ниже. Доступны два выхода постоянного напряжения: v(3), выход удвоителя, и v(2), выход учетверителя. Некоторые из промежуточных напряжений показывают, что входная синусоида (не показана) с амплитудой 5 В последовательно фиксируется на более высокие уровни: v(5), v(4) и v(1). Строго говоря, v(4) не является выходом фиксатора уровня. Это просто источник переменного напряжения, соединенный последовательно с v(3), выходом удвоителя. Тем не менее, v(1) является зафиксированной версией v(4).
На данный момент необходимо сделать несколько замечаний относительно умножителей напряжения. Параметры, используемые в примерах схем (V = 5В 1кГц, C = 1000 пФ), не обеспечивают большие токи, а только микроамперы. Кроме того, не были приведены резисторы нагрузки. Нагрузка уменьшает напряжения, показанные выше. Если схема управляется низковольтным источником с частотой в килогерцы, как в примерах, то конденсаторы обычно составляют от 0,1 до 1,0 мкФ, чтобы на выходе были доступны миллиамперы. Если на умножители подается напряжение с частотой 50/60 Гц, конденсатор составляет от нескольких сотен до нескольких тысяч микрофарад, чтобы обеспечить выходной ток в сотни миллиампер. Если вы работаете с сетевым напряжением, то обратите внимание на полярности и номиналы напряжений конденсаторов.
Наконец, любой источник питания, подключенный напрямую (без трансформатора), опасен для экспериментатора и тестового оборудования. Промышленные источники, работающие напрямую от сети, безопасны, поскольку опасные схемы находятся в корпусе для защиты пользователя. При макетировании этих схем с электролитическими конденсаторами любых напряжений, если полярность конденсатора меняется на противоположную, то конденсатор взрывается. Такие схемы должны быть закрыты защитным экраном.
Умножитель напряжения из каскадно включенных однополупериодных выпрямителей произвольной длины известен как умножитель Кокрофта-Уолтона и показан на рисунке ниже. Этот умножитель используется, когда требуется высокое напряжение при малом токе. Его преимущество перед обычным источником питания заключается в том, что не требуется дорогостоящий трансформатор напряжения.
Умножитель напряжения Кокрофта-Уолтона на 8, выход в точке v(8) D1 7 8 diode
C1 8 6 1000p
D2 6 7 diode
C2 5 7 1000p
D3 5 6 diode
C3 4 6 1000p
D4 4 5 diode
C4 3 5 1000p
D5 3 4 diode
C5 2 4 1000p
D6 2 3 diode
D7 1 2 diode
C6 1 3 1000p
C7 2 0 1000p
C8 99 1 1000p
D8 0 1 diode
V1 99 0 SIN(0 5 1k)
.model diode d
.tran 0.01m 50m
.end
Пара диодов и конденсаторов слева от узлов 1 и 2 на рисунке выше составляют однополупериодный удвоитель. Вращение диодов на 45° против часовй стрелки, а нижний конденсатор на 90° делают их похожими на первый рисунок (a). Четыре секции удвоителей включаются каскадно для получения теоретического коэффициента умножения 8. Узел 1 имеет форму сигнала фиксатора уровня (не показана), синусоида сдвинута вверх на 1x (5В). Остальные узлы с нечетными номерами - это синусоиды, последовательно фиксируемые на более высоких напряжениях.
Узел 2, выход первого удвоителя, равен удвоенному постоянному напряжению, v(2) на рисунке ниже. Последующие четные узлы заряжаются последовательно более высокими напряжениями: v(4), v(6), v(8).
Без учета падений напряжения на диодах, каждый удвоитель дает 2V in или 10 В; реально, с учетом падений напряжения на двух диодах, (10 - 1,4) = 8,6 В. В общей сложности 4 удвоителя ожидаемо дают 4·8,6=34,4 В из 40 В. Если посмотреть на рисунок выше, v(2) соответствует ожиданиям; однако, v(8) < 30 В, вместо ожидаемых 34,4 В. Недостаток умножителя Кокрофта-Уолтона заключается в том, что каждая дополнительная ступень добавляет меньше предыдущей. Таким образом, существует практическое ограничение в добавлении ступеней. Это ограничение можно преодолеть модификацией базовой схемы. Также обратите внимание на шкалу времени длиной 40 мс по сравнению с 5 мс для предыдущих схем. Чтобы напряжения достигли предельных значений в этой схеме, требуется 40 мс.
В список соединений выше добавлена команда " .tran 0.010m 50m ", чтобы расширить время симуляции до 50 мс; хотя на графике показаны только 40 мс.
Умножитель Кокрофта-Уолтона служит более эффективным источником высокого напряжения для трубок фотоэлектронных умножителей, требующих напряжение до 2000 В. Кроме того, трубка имеет множество динодов , выводов, которые требуют подключения к четным узлам с более низкими напряжениями. Рад удвоителей умножителя заменяет собой нагревающийся резистивный делитель напряжения, используемый в предыдущих конструкциях.
Умножитель Кокрофта-Уолтона, работающий от сети переменного тока, обеспечивает высокое напряжения для "ионных генераторов" для нейтрализации электростатического заряда и для очистителей воздуха.
Подведем итоги
- Умножители напряжения выдают постоянное напряжение, равное умноженному (на 2, 3, 4 и т.д.) пиковому значению входного переменного напряжения.
- Самый базовый умножитель - это однополупериодный удвоитель.
- Двухполупериодный удвоитель - это лучшая схема удвоителя.
- Утроитель представляет собой однополупериодный удвоитель и обычный выпрямительный каскад (пиковый детектор).
- Учетверитель - это пара однополупериодных удвоителей.
- Длинная цепочка однополупериодных удвоителей известна как умножитель Кокрофта-Уолтона.