УМНОЖИТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЯ

Кроме того, существуют некоторые ограничения: входное напряжение не должно превышать 15 кВ, частота переменного тока ограничена 5. 100 кГц, выходное напряжение максимум 150 кВ, диапазон рабочих температур от -55 до +125 град. C и влажности в диапазоне 0. 100 %. На практике разрабатываются и используются умножители с выходной мощностью до 50 Вт, хотя реально достижимы значения 200 Вт и более.

Выходное напряжение умножителя зависит от тока нагрузки. Предполагая, что входное напряжение и частота постоянны, он задается формулой: U out = N Uin – [ I ( N 3 + 9 N 2 / 4 + N / 2 ) / 12 F C где I – ток нагрузки, А; N – количество ступеней умножителя; F – частота входного напряжения, Гц; C – емкость конденсатора ступени, Ф. Учитывая выходное напряжение, ток, частоту и количество ступеней, по ним рассчитывается необходимая емкость конденсатора ступени.

Эта формула приведена для расчета множителя серии. В параллельном умножителе для достижения того же выходного тока требуется меньшая емкость. Так, если емкость последовательно соединенных конденсаторов составляет 1000 пФ, то для трехкаскадного параллельного умножителя требуемая емкость составляет 1000 пФ / 3 = 333 пФ. В каждом последующем каскаде такого умножителя необходимо использовать конденсаторы с более высоким номиналом напряжения. Обратное напряжение диодов и рабочее напряжение конденсаторов в последовательном умножителе равны полной шкале входного напряжения.

При практическом проектировании умножителя особое внимание следует уделить выбору компонентов, их расположению и изоляционным материалам. Конструкция должна обеспечивать надежную изоляцию, чтобы избежать коронного разряда, который снижает надежность умножителя и приводит к его выходу из строя. Если необходимо изменить полярность выходного напряжения, полярность диодов должна быть изменена на противоположную.

Таким образом, любой усилитель напряжения, как повышающее устройство, может быть симметричным и несимметричным. Кроме того, все они делятся на категории первого и второго порядка. Симметричная схема умножителя состоит из двух несимметричных схем, соединенных вместе. В одном из них полярность конденсаторов и проводимость диодов изменены на противоположные. Симметричные умножители имеют лучшие электрические характеристики, в частности, выпрямленное напряжение имеет вдвое большую частоту пульсаций.

Принцип работы

Чтобы дать представление о том, как работает умножитель напряжения, мы рассмотрим простейшую схему с одним полупериодом на схеме. Когда начинает действовать отрицательное полупериодное напряжение, диод D1 открывается, и конденсатор C1 заряжается от него. Заряд должен быть равен амплитуде приложенного напряжения.

Следующий конденсатор C2 заряжается диодом D2, когда возникает положительный период волны. В этом случае заряд становится вдвое больше величины приложенного напряжения. За этим следует отрицательный полупериод, в течение которого конденсатор C3 заряжается в два раза больше своего значения. Таким же образом, во время следующего изменения полупериода, конденсатор C4 заряжается, снова удваивая свое значение.

Для запуска устройства требуются периоды полного напряжения, длящиеся несколько циклов, что приводит к появлению напряжения на диодах. Величина напряжения, полученная на выходе, состоит из суммы напряжений конденсаторов C2 и C4, соединенных последовательно и заряженных непрерывно. Наконец, создается значение выходного переменного напряжения, которое в 4 раза превышает значение входного напряжения. В этом заключается принцип работы умножителя напряжения.

Первый конденсатор C1, который полностью заряжен, имеет постоянное значение напряжения. То есть, он выступает в качестве постоянной составляющей Ua, используемой в расчетах. Поэтому можно еще больше увеличить потенциал умножителя, присоединив другие элементы, сделанные по тому же принципу, поскольку напряжение на диоде каждого из этих элементов будет равно сумме входного напряжения и постоянной составляющей. Таким образом формируется произвольный множитель требуемой величины. Напряжение на всех конденсаторах, кроме первого, будет равно 2x Ua.

Если в умножителе используется нечетный коэффициент, то конденсаторы в верхней части схемы используются для подключения нагрузки. В случае четного коэффициента, наоборот, используются более низкие конденсаторы.

Во время второго полуцикла отрицательное напряжение будет приложено к катоду диода VD1 и аноду диода VD2. Диод VD1 будет открыт и через него будет протекать ток для зарядки конденсатора C1, а диод VD2 будет закрыт. Напряжение на нагрузке будет в два раза больше, чем на одном конденсаторе, из-за того, что конденсаторы соединены последовательно. Конденсаторы подбираются таким образом, чтобы они не разряжались слишком сильно в течение этого периода. Если ток нагрузки мал, а частота сети высока, конденсаторы C1 и C2 могут быть небольшими.

Как работает умножитель напряжения

Умножители напряжения широко используются в современной электронике. Умножитель напряжения – это устройство, преобразующее переменное напряжение в высоковольтное постоянное напряжение. Например, умножители напряжения используются в телевизионном оборудовании, электрошоковом оборудовании, медицинских приборах и т.д.

Конструкция любительского модификатора напряжения

Удвоитель напряжения

Давайте сначала рассмотрим схему удвоителя напряжения.

Симметричный удвоитель напряжения, или, от научного названия, выпрямитель Природы, – это устройство, состоящее из двух последовательно соединенных однополупериодных выпрямителей. Он предназначен для питания нагрузки постоянным напряжением. Принципиальная схема симметричного удвоителя переменного напряжения показана на рисунке чертёж 1.

Пусть на катод диода VD1 и анод диода VD2 в течение одного полупериода подается положительное напряжение. Диод VD1 будет закорочен и обратный ток через него будет мал, а диод VD2 будет открыт и через него будет протекать ток для зарядки конденсатора C2.

Во время второго полуцикла отрицательное напряжение будет приложено к катоду диода VD1 и аноду диода VD2. Диод VD1 будет открыт и через него будет протекать ток, заряжая конденсатор C1, а диод VD2 будет закрыт. Напряжение на нагрузке будет в два раза больше, чем на одном конденсаторе, из-за того, что конденсаторы соединены последовательно. Емкость конденсаторов выбирается таким образом, чтобы они не разряжались слишком сильно в течение этого периода. Если ток нагрузки мал, а частота сети высока, емкость конденсаторов C1 и C2 может быть небольшой.

Нагрузочная характеристика данного удвоителя является емкостной. Симметричный удвоитель напряжения наиболее подходит для высоких выпрямленных напряжений от сотен вольт до нескольких киловольт, с нагрузкой примерно до 100 ватт и токами нагрузки от нескольких миллиампер до сотен миллиампер.

Чем выше частота сети, тем меньше внутреннее сопротивление удвоителя напряжения и тем выше его эффективность. Намагничивание сердечника не происходит, когда через диоды протекают те же компоненты постоянного тока. Частота пульсаций на каждом из конденсаторов C1 и C2 равна частоте сети переменного тока, а частота пульсаций на нагрузке равна удвоенной частоте сети.

Преимущества:

• отсутствие намагничивания трансформатора LV1;
• Удвоитель напряжения может работать без трансформатора.

Недостатки: При неравномерном потреблении тока нагрузкой в полупериоды или при неодинаковой емкости конденсаторов С1 и С2 не исключено возникновение пульсаций выпрямленного напряжения с частотой электросети. По этой причине емкость конденсаторов должна выбираться со значительным запасом, с учетом неравномерного уменьшения емкости конденсатора по мере его старения, и желательно параллельно каждому конденсатору включить резистор равного номинального сопротивления для компенсации напряжений на конденсаторах.

Однофазный умножитель напряжения

Умножители с большим количеством диодов и конденсаторов используются для преобразования относительно низкого напряжения сети переменного тока в несколько раз большее выпрямленное напряжение. Напряжение может быть увеличено на определенное целое число, которое отражает множитель. Принципиальная схема однофазного умножителя переменного напряжения с коэффициентом умножения 5 показана на рисунке рисунок 2.

Поскольку выходное напряжение рассматриваемого умножителя напряжения в пять раз больше входного напряжения, говорят, что умножитель равен 5.

Давайте проанализируем принцип работы умножителя напряжения, пренебрегая падением напряжения на диодах в прямом соединении. Напряжения на вторичной обмотке трансформатора могут быть неравномерными условно с положительной и отрицательной полярностью, что и имеет место в трансформаторе блока строчной развертки, поэтому в описании принципа работы мы будем обозначать эти два напряжения отдельно как U1 и U2 соответственно. На вход умножителя подается переменное напряжение со вторичной обмотки трансформатора TV1, при этом положительное напряжение U1 подается на конденсатор C1, а отрицательное – на катод диода VD1 и конденсатор C2. Конденсатор C1 заряжается открытым диодом VD1 до напряжения U1.

При изменении полярности на вторичной обмотке трансформатора TV1 диод VD1 блокируется. Ток протекает по цепи от вторичной обмотки трансформатора TV1, через конденсатор C2, диод VD2, конденсатор C1 и втекает во вторичную обмотку трансформатора. Конденсатор С2 заряжается до напряжения, равного сумме обратного напряжения U2 на вторичной обмотке трансформатора TV1 и напряжения на заряженном конденсаторе С1, т.е. U1 + U2.

Когда полярность напряжения питания переменного тока снова меняется, диод VD2 закрывается, а диод VDZ открывается, и конденсатор CZ заряжается через него. Сумма напряжений заряженного конденсатора C2 и вторичной обмотки трансформатора, то есть U1+(U1+U2), прикладывается к правому концу конденсатора CZ, а напряжение -U1 от заряженного конденсатора C1 прикладывается к левому концу. Поскольку два напряжения, приложенные к выводам конденсатора, направлены в противоположные стороны, конденсатор CZ заряжается до разности напряжений: UCZ = U1+(U1+U2)-U1 = U1+U2.

При следующей смене полярности переменного напряжения на вторичной обмотке трансформатора TV1 диод VDZ закрывается, а диод VD4 открывается. Открытый диод VD4 заряжает конденсатор C4. Напряжение заряженных конденсаторов С1 и СЗ прикладывается к правому концу конденсатора С4, а напряжение конденсатора С2 и напряжение U2 со вторичной обмотки трансформатора TV1 прикладывается к левому концу. Эти два напряжения противоположно направлены, поэтому напряжение на конденсаторе C4 можно найти следующим образом: UC4= U1+U1+U2-(U1+U1-U2)=U1+U2.

При следующем изменении полярности переменного напряжения на обмотке трансформатора TV1 диод VD4 закрывается, а диод VD5 открывается, тем самым заряжая конденсатор C5. Напряжение на конденсаторе C5 – это разность между напряжениями U1+UC2+UC4 и UC1+UCZ, приложенными к его катушкам, которую можно записать формулой UC5 = U1+U1+U2+U1+U2-(U1+U1+U2) = U1+U2.

Как мы видим, напряжение U1 + U2 приложено к конденсаторам C2, CZ, C4 и C5, а напряжение, приложенное к нагрузке умножителя, равно сумме напряжений конденсаторов C1, CZ и C5, поскольку они соединены последовательно. Напряжение на нагрузке составит URn = U1+U1+U2+U1+U2 = 3U1 + 2U2.

Обычно усилители напряжения представляют собой конструктивно соединенные диоды и конденсаторы, заключенные в эпоксидный компаунд и выполненные в виде монолитного компонента.

Умножители напряжения используются для получения высокого напряжения, которое питает, например, второй анод ЭЛТ-телевизора. В таких умножителях напряжения обычно используются пять диодов и четыре конденсатора или пять конденсаторов и шесть диодов. Кроме того, умножители напряжения в телевизорах генерируют напряжение, которое подается на фокусирующий электрод ЭЛТ. Для этого в корпусе умножителя напряжения имеется специальный вывод.

Часто каскады телевизионной развертки содержат не отдельные усилители напряжения, а высоковольтные трансформаторные и выпрямительные сборки. Эти блоки содержат составные диоды, конденсаторы и сетевой трансформатор. Использование монолитного умножителя напряжения вместо высоковольтного трансформатора повышает надежность изделия благодаря отсутствию внешних высоковольтных соединений и более низкому напряжению между обмотками трансформатора.

Преимущество умножитель напряжения: напряжение всех конденсаторов, кроме первого, равно сумме напряжений вторичных обмоток трансформатора с положительной и отрицательной полярностью.

В результате я получил от производства такую замечательную доску:

Опасное развлечение: простой генератор высокого напряжения Кокрофта-Уолтона

Этот пост будет небольшим и не очень познавательным, но, возможно, он кого-то заинтересует. В ней я расскажу вам, как сделать очень маленький, полностью SMD и легко масштабируемый генератор Кокрофта-Уолтона, или просто умножитель напряжения, который получает на вход переменное напряжение N вольт и выдает постоянное напряжение x*N вольт, где x – количество шагов.

Примечание: поскольку на выходе есть конденсаторы (фактически, как и на входе, в нем нет ничего, кроме конденсаторов и диодов), нынешний скачок напряжения может оказаться для вас фатальным. Собирайте схему на свой страх и риск и только в том случае, если вы знаете, что делаете. Я не беру на себя ответственность за вашу жизнь, здоровье и психику.
Вы не боитесь? Тогда давайте двигаться дальше.

Контекст и история вопроса

На самом деле все очень просто – этот генератор высокого напряжения является одной из самых простых схем, он не содержит огромных катушек, в отличие от трансформатора Теслы, и его довольно легко собрать. Результаты, конечно, тоже менее впечатляющие, чем у Теслы – на выходе нет напряжения высокой частоты, только высокое напряжение. Поэтому, во-первых, не стоит ожидать красивых коронных разрядов, а во-вторых, вопреки мнению Теслы, разряд в генераторе Кокрофта-Уолтона не оказывает кожного эффекта, поэтому он, вероятно, смертелен. Следует проявлять крайнюю осторожность.

В общем, однажды я собрал себе умножитель по традиционной схеме (о которой речь пойдет позже), с большими конденсаторами и диодами, который выглядел примерно так:

Он имел 15 ступеней, конденсаторы 400 В х 0,1 мкФ и диоды 1000 В х 1А. Для питания я собрал небольшой инвертор из трансформатора 220В->6В, который, судя по искре, давал на выходе более киловольта, из-за чего диоды постоянно взрывались (конденсаторы были более живучими, но тоже иногда умирали).

Искра на выходе была около 5 мм, легко пробивала бумагу и звучала как выстрел (думаю, у многих в детстве была такая).

Чтобы получить более впечатляющие результаты, мне пришлось увеличить количество шагов, чего я не хотел делать с этой конструкцией – колбаса конденсатора все равно была слишком большой. В общем, поигравшись с бумажной перфорацией, я отказался от множителя.

Но через несколько лет я увидел несколько действительно отличных конденсаторов на сайте smd.ru. Тем, кто работает с ними каждый день, как мой друг Арегус, они, конечно, были не в новинку. Но для меня SMD конденсатор на 1000В и 0.1мкФ, после больших 400В конденсаторов из моего старого мультипликатора, казался чудом. Поэтому я не смог устоять и собрал небольшую плату умножителя.

Если вы посмотрите видео на youtube на Генератор Кокрофта-УолтонаКонечно, я могу найти гораздо более впечатляющие результаты с многокВ выходом. Но все они собраны с огромными конденсаторами, установленными в отверстия, и в основном просто висят в воздухе, как мой первый осциллятор. Я расположил свою доску так:
1) небольшой по размеру
2) полностью SMD.
3) легко масштабируется.

В итоге у меня получилась плата 35×45 мм, с креплениями по углам для установки в стандартную стойку. Плата имеет 10 ступеней и максимальное входное напряжение до 500 В. Плата может выдержать и больше, но тогда диоды периодически умирают. Если предположить, что напряжение пробоя в воздухе составляет 30 Кв/см, то максимум, что он давал, это несколько разрядов по 10-15 Кв каждый, после чего один из диодов взрывался. В номинальном режиме работы этого, конечно, не происходит – вы можете питать его, например, от 220 В, получая на выходе около 3111 В без повреждения его элементов. И что самое главное – вы можете легко сделать десяток таких досок, расположить их в башне с помощью подставок и получить множитель в 100 раз.

Давайте посмотрим на интегральные схемы на плате.

Оборудование

Схема доски очень проста.

Это типичная схема умножителя напряжения Кокрофта-Уолтона, которая хорошо описана в Википедии.

Там же описан механизм его работы:

Благодаря диодам конденсаторы по очереди заряжаются до удвоенного напряжения питания, поэтому выходное напряжение увеличивается в N раз, где N – количество конденсаторов в цепи. Конечно, конденсаторы должны быть рассчитаны на такое же удвоенное напряжение, поэтому, поскольку конденсаторы в схеме рассчитаны на 1000 В, максимальное напряжение, которое можно подавать на них без опасения выхода из строя, составляет 500 В. Для ровного счета я сделал 10 шагов.

Затем я развернул доску:

Верхняя сторона

нижняя сторона

На самом деле я мог бы уменьшить размер еще больше, но я решил не быть слишком мелким, чтобы случайно не проколоть там, где нужно.
Дорожки были намеренно утолщены, так как я не испытывал недостатка в пространстве из-за предыдущего пункта. В целом, плату легко изготовить в домашних условиях, используя метод LUT или фоторезиста.
Но поскольку мне все равно пришлось заказать несколько плат для этой работы, я собрал три модуля умножителя на одном компоненте, поскольку они почти не занимали места.

Результаты следующие

В результате получилась такая красивая доска:

Я купил в магазине 10 конденсаторов и 10 диодов (на самом деле я купил немного больше, в запас, и не зря – я все равно не удержался и запитал умножитель от своего инвертора, выходное напряжение которого явно выше, чем то, на которое рассчитаны конденсаторы и диоды, так что входной диод взорвался после трех или четырех разрядов).

После сборки мы получаем модуль, как показано ниже:

Это тот самый, окруженный моим старым инвертором, который показан на первой фотографии этой статьи.
Долгое время я не решался подключить его к 220 вольтам, возможно, потому что я цифровой геймер и никогда не любил высокое напряжение.

Я не хотел застрелиться из генератора, который я построил на свой 25-й день рождения. В конце концов, я превзошел себя и запитал модуль от розетки, включив его последовательно с чайником, который выступал в качестве токоограничивающего резистора – при мощности чайника в 1 кВт максимальный ток, который протекал бы в случае короткого замыкания, не превышал 4,5 А.

К счастью, схема сработала с первого раза благодаря своей простоте.
Ниже приведен видеоролик, показывающий, как это работает. К сожалению, моя камера не в состоянии правильно запечатлеть короткие, но яркие разряды и правильно зафиксировать сопровождающий их звук. Но если посмотреть его в HD, то можно четко увидеть, как разряды пробиваются сквозь бумагу.

Для тех, кто не хочет смотреть HD-видео только ради просмотра – изображение перфорированной бумаги (многократный прокол в правом верхнем углу):

Кстати, на видео это, возможно, незаметно, но вживую хорошо видно, что когда вы помещаете бумагу между электродами, искра приобретает красноватый оттенок – видимо, из-за горящего вещества.

В общей сложности конденсаторы и диоды стоили около 200-300 рублей (по 15 штук), сейчас точно не помню, а на сайте они цену не указывают.

Изготовление печатной платы обошлось в 2600 рублей в московском Резоните. Однако я должен помнить, что, во-первых, в заказе было шесть плат, из которых только три были платами умножения. Общий размер заготовки составлял около 100х200 мм.

Во-вторых, из этих 2600 рублей 1800 ушло на предпродажную подготовку и 350 на доставку, так что сами пластины вышли очень дешево. Думаю, многие со мной не согласятся, но при цене этих плат я просто не могу позволить себе делать их дома – сейчас я предпочитаю отрабатывать как можно больше на макетных платах, накопить несколько разных плат и затем заказать их все сразу.

В будущем планируется заказать еще десять плат и построить вышку на 30+ киловольт.

В зависимости от требуемого выходного напряжения Uoutput=0,83Uo определите количество ступеней N по приблизительной формуле:

УМНОЖИТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЯ

Мы предлагаем еще несколько схем умножителей напряжения. Показана мостовая схема умножителя напряжения с двойным циклом. В этой схеме частота пульсаций выпрямленного напряжения равна удвоенной частоте сети (fn=2fc), обратное напряжение на диодах в 1,5 раза больше выпрямленного напряжения, коэффициент использования трансформатора 0,64. Его можно представить как два последовательно соединенных однополупериодных контура, работающих от одной обмотки трансформатора и подключенных к общей нагрузке. Если центральную точку (точку подключения конденсатора) соединить с общим проводом, то получится двухполярный источник с выходным напряжением ±U.
Вторая схема удвоения напряжения показана на рисунке 2 ниже:

Здесь вход (вторичная обмотка трансформатора) и выход имеют общую точку, что может быть полезно в некоторых случаях. Здесь во время отрицательного полупериода входного напряжения конденсатор C1 заряжается диодом VD2 до напряжения, равного амплитуде U-1. Во время положительного полупериода диод VD2 закрыт, а конденсатор C1 соединен последовательно со вторичной обмоткой T1, поэтому конденсатор C2 заряжается до удвоенного напряжения диодом VD1. Добавив к этой схеме еще один диод и конденсатор, мы получим варианты триггера напряжения, показанные на рисунках ниже:

Схема на рисунке 2 может быть каскадирована для получения очень высоких напряжений. Такой каскадный умножитель показан на рисунке:

В этой схеме все конденсаторы, кроме C1, заряжены до удвоенного напряжения Ui (Uc=2Ui), а C1 заряжен только до значения Ui. Это позволяет поддерживать рабочее напряжение конденсаторов и диодов на достаточно низком уровне. Максимальный ток, протекающий через диоды, определяется выражением:

lmax=2.1IH,
где lH – ток, потребляемый нагрузкой.

Необходимая емкость конденсаторов в этой цепи определяется по приближенной формуле:

C=2.85N*In/(Kp*Uv), μF.

где N – кратное напряжение;
IH – ток нагрузки, мА;
Kp- допустимый коэффициент пульсации выходного напряжения, %;
Uvlx – выходное напряжение, В.

Емкость конденсатора C1 следует увеличить до 4-кратного расчетного значения (хотя в большинстве случаев достаточно двух- или трехкратного увеличения). Конденсаторы должны иметь минимальный ток утечки (тип K73 и аналогичные).

Напряжение также может быть умножено с помощью мостовых выпрямителей. Диаграмма показана на рисунке 6:

Здесь удобно использовать небольшие мостовые выпрямители, например, RB156, RB157 и подобные им серии. Конденсаторы CZ. C6 (и так далее) имеют емкость 0,22. 0,56 мкФ. Поскольку напряжение на катушках конденсатора увеличивается, рабочее напряжение конденсатора должно быть выбрано соответствующим образом. То же самое относится к конденсаторам фильтра C1, C2.

Для очень малых токов нагрузки можно использовать схему умножителя с одним периодом:

В зависимости от требуемого выходного напряжения Uout=0,83Uo количество ступеней N определяется по приближенной формуле:

N=0.85U0/U1

где U1 – входное напряжение.

Емкость C конденсаторов C1. Рассчитывается NW:
C=34In*(T+2)/U2
Где lH – ток нагрузки умножителя;
U2 – падение напряжения на R1 (обычно выбирается в пределах 3,5% от U-1).

Для уменьшения коэффициента пульсации в умножителях напряжения можно использовать транзисторные фильтры (рис. 8),

Они значительно снижают пульсации и шумы в выходном напряжении и имеют очень малые размеры. Эффективные транзисторы с допустимым напряжением 1,5 кВ и выше теперь доступны с током нагрузки до 10 А. Диоды выбираются из условия Uобр=1,5U0 и Imax=2Iв – Емкость C конденсаторов C1, C2 рассчитывается по приближенной формуле:

C=125In/U0.

Сопротивление резистора R1 выбирается в диапазоне 20. 100 Ом. Емкость конденсатора рассчитывается из выражения:

где m – количество фаз выпрямителя (t=2);
fc – рабочая частота умножителя (fc=50 Гц).

Сопротивление R2 подбирается экспериментально (в пределах 51. 75кОм), так как это зависит от коэффициента усиления по току транзистора VT1. В этом фильтре можно использовать отечественные транзисторы КТ838, КТ840, КТ872, КТ834 и подобные.

Дискуссионный форум по материалам READY MACHINES

Транзисторный усилитель мощности звука, из схемы радиоприемника DJ200. Протестируйте схему.

Инструкции для начинающих о том, как научиться паять паяльником различные провода, платы, микросхемы и другие детали.

Радиоприемники – обзор основных конфигураций приемников, шаги по созданию схемы.

Узнайте о различных типах датчиков приближения и объектах, которые они могут обнаружить.

Конечно, на умножитель подается переменное или пульсирующее напряжение, и часто это начальное напряжение берется с трансформатора. А на выходе умножителя, благодаря диодам, напряжение уже будет постоянным.

Умножитель напряжения

Что если зарядить конденсаторы параллельно или по отдельности, затем соединить их последовательно и использовать полученную батарею в качестве источника более высокого напряжения? И это хорошо известный способ увеличения напряжения, называемый умножителем напряжения.

С помощью умножителя напряжения можно получить более высокое напряжение от источника низкого напряжения, не прибегая к помощи повышающего трансформатора. В некоторых случаях трансформатор вообще не подходит, и иногда удобнее использовать умножитель напряжения для повышения напряжения.

Например, в телевизоре из СССР можно было взять 9 кВ от сетевого трансформатора, а затем поднять его до 27 кВ в умножителе UH9/27-1,3 (маркировка указывает, что 9 кВ – вход, 27 кВ при 1,3 мА – выход).

Можете ли вы представить, что такое напряжение для ЭЛТ-телевизора нужно вырабатывать с помощью обычного трансформатора? Сколько витков нужно намотать на вторичной обмотке, и какой толщины должна быть проволока? Это приведет к нерациональному использованию материалов. Вывод заключается в том, что для высоких напряжений, если требуемая мощность не слишком высока, умножитель напряжения может быть достаточным.

Схема умножителя напряжения, будь то низковольтная или высоковольтная, содержит только два типа компонентов: диоды и конденсаторы.

Задача диодов – направить зарядный ток в соответствующие конденсаторы, а затем направить разрядный ток из соответствующих конденсаторов в нужном направлении, чтобы цель (получение повышенного напряжения) была достигнута.

Конечно, на умножитель подается переменное или пульсирующее напряжение, часто это начальное напряжение берется с трансформатора. А на выходе умножителя, благодаря диодам, напряжение уже будет постоянным.

Рассмотрим принцип работы умножителя на примере удвоителя. Поскольку ток изначально движется вниз от источника – ближний верхний конденсатор C1 заряжается первым и наиболее интенсивно через ближний нижний диод D1, в то время как другой конденсатор в цепи не заряжается, поскольку он заблокирован диодом.

Далее, поскольку у нас здесь источник переменного тока, ток течет вверх от источника, но на пути стоит заряженный конденсатор С1, который теперь оказывается соединенным последовательно с источником, и через диод D2 конденсатор С2 получает заряд при более высоком напряжении, поэтому на нем напряжение выше амплитуды источника (минус потери в диоде, в проводниках, в диэлектрике и т.д.).

Затем ток снова течет вниз от источника – конденсатор C1 заряжается. И если нет нагрузки, то через несколько периодов напряжение на конденсаторе C2 будет составлять примерно 2 амплитуды напряжения источника. Таким же образом, добавляя больше секций, можно получить более высокое напряжение.

Однако по мере увеличения числа ступеней в умножителе выходное напряжение сначала становится все выше и выше, но затем резко падает. На практике в умножителях редко используется более 3 стадий. Это связано с тем, что при использовании слишком большого количества каскадов потери будут возрастать, а напряжение на дальних секциях будет меньше желаемого, не говоря уже о массогабаритных показателях такого изделия.

Кстати, в микроволновых печах традиционно используется удвоение напряжения MOT (частота 50 Гц), но утроение, в умножителях типа UH, используется для высокочастотного напряжения, измеряемого десятками килогерц.

Сегодня во многих областях техники, где требуется высокое напряжение при малом токе: в лазерной и рентгеновской технике, в системах подсветки экрана, в цепях питания магнетронов, в ионизаторах воздуха, ускорителях частиц, в копировальной технике – мультипликаторы получили очень широкое распространение.

Если вам понравилась эта статья, пожалуйста, поделитесь ею в своих социальных сетях. Это поможет улучшить наш сайт!