Умножитель напряжения на диодах и конденсаторах. Умножитель напряжения: принцип работы, расчет схемы

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.

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.

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).

Обратите внимание, что выходной сигнал v(5) на рисунке ниже достигает своего конечного значения за один период входного сигнала v(2).

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.

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.

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.

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.

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.

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

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 .

Рис. 3.4-20. Схемы умножения на три

Рис. 3.4-21. Схемы умножения на четыре

Рис. 3.4-22. Схемы умножения на шесть

В настоящее время многие популярные радиолюбительские устройства содержат в своем составе умножитель напряжения , преобразующий напряжение электрической сети 220 В в высокое напряжение 2000...4000 В. Это могут быть устройства, предназначенные для борьбы с тараканами, устройства для ионизации воздуха. Схемы таких устройств неоднократно были опубликованы в радиолюбительской литературе, например, в .

В устройствах из для изготовления высоковольтного умножителя, который является основной частью этих конструкций, используют современные малогабаритные детали, поэтому габариты этих устройств незначительны. Однако следует отметить, что практически все малогабаритные высоковольтные детали, входящие в состав высоковольтного умножителя, являются достаточно дорогостоящими.

Часто нет необходимости в изготовлении малогабаритной версии этих устройств. В этом случае для изготовления умножителя напряжения можно использовать старые радиодетали, имеющие высокое рабочее напряжение - 600, 1000, 2000 В, но и большие габариты. Это могут быть старые конденсаторы типа МБГ, старые высоковольтные диодные столбы типа D1004-D1010 и им подобные радиодетали прошлого века, которые сейчас не используют в современной технике и продают на радиорынках по низким ценам. Стоимость устройств, выполненных с применением старых радиодеталей, тоже будет невысокой.

В простых умножителях высокого напряжения начальное напряжение для последующего умножения берется прямо из электрической сети 220 В. Однако в случае использования высоковольтных деталей для построения умножителей напряжения целесообразно использовать начальное напряжение умножения не из бытовой электрической сети, а повышенное в несколько раз, во столько, сколько смогут выдержать используемые высоковольтные детали. Использование повышенного входного напряжения на входе умножителя позволит сократить количество каскадов умножения и тем самым уменьшит количество используемых деталей для построения умножителя напряжения.

Наиболее просто первоначально "умножить" напряжение сети можно, используя резонансный метод, как это показано на рис.1. Как видно из этого рисунка, резонансный умножитель напряжения представляет собой последовательный контур, имеющий резонанс в области частот 50 Гц. Следовательно, на элементах этого контура, на катушке или конденсаторе, будет повышенное напряжение. Оно будет тем выше, чем резонанс цепи будет ближе к частоте 50 Гц, которая используется в электрической сети. Однако необходимо избегать равенства частот резонанса сети и контура, так как в этом случае на элементах контура L1 и С1 будет чрезвычайно высокое напряжение, которое может привести к выходу этих элементов из строя.

В качестве катушки индуктивности L1 используют дроссель фильтра лампового телевизора или приемника. Дроссели фильтра сейчас практически нигде не применяют, и их стоимость на рынках низка. Вполне можно использовать в качестве L1 первичную обмотку малогабаритного сетевого трансформатора или анодную обмотку старого "звукового" трансформатора от лампового приемника или телевизора, или первичную обмотку ТВК. Емкость конденсатора С1 зависит от величины индуктивности L1 и желаемого первоначального напряжения на входе умножителя напряжения. Емкость конденсатора целесообразно подбирать экспериментально, начиная с небольших значений, например с 0,1 мкФ. Резонансную частоту контура необходимо установить выше частоты электрической сети 50 Гц. Это скажется благоприятно на условиях работы катушки L1. Для большинства дросселей фильтра, используемых в старой аппаратуре для получения резонансного напряжения в пределах 600... 1000 В, емкость конденсатора С1 может находиться в пределах 0,25...2 мкФ. Конденсатор С1 должен иметь как можно большее рабочее напряжение, во всяком случае оно должно быть не менее, чем напряжение, существующее на конденсаторе во время резонанса.

Наибольшее напряжение будет на одном из элементов цепи, показанной на рис.1, причем на том элементе, который имеет более высокое сопротивление переменному току 50 Гц. В нашем случае, когда резонансная частота контура выше частоты сети, это будет конденсатор. На конденсаторе будет более высокое напряжение, чем на катушке индуктивности -это важное условие для надежной и долговременной работы этого элемента.

Как уже отмечалось, вполне реально получение напряжения на конденсаторе С1 в пределах 600... 1000 В. Это позволит в схеме из использовать не учетвери-тель, а удвоитель напряжения. Простой удвоитель напряжения показан на рис.2. В схеме из вместо умножения сетевого напряжения на 8 можно использовать утроение напряжения, существующего на конденсаторе С1 (см рис.1). Простой ут-роитель напряжения показан на рис.З. В некоторых случаях целесообразно использовать схему учетверения напряжения, которая показана на рис.4. Естественно, при конструировании подобных умножителей нельзя забывать, что они должны быть подключены к источнику высокого напряжения через токоограничивающие резисторы сопротивлением не менее 1 МОм. Это условие необходимо соблюдать для безопасности работы с высоковольтными источниками напряжения.

Но не всегда умножение напряжения сети на элементах резонансной цепи является оптимальным решением Иногда ситуация бывает иная. В распоряжении радиолюбителя есть много диодов и конденсаторов, которые имеют сравнительно низкое рабочее напряжение 200...300 В. В этом случае умножитель напряжения, собранный с их использованием, нельзя напрямую подключить к электрической сети 220 В. Ведь переменное напряжение электрической сети 220 В в пике при этом будет достигать 310 В! А это уже приведет к выходу из строя радиодеталей, используемых в этом умножителе напряжения!

В данном случае рационально использовать другой вариант: снизить напряжение на входе умножителя, но при этом увеличив количество умножающих цепочек. Напряжение на входе умножителя можно понизить, подключив этот умножитель напряжения к электрической сети через конденсаторный делитель напряжения, как это показано на рис.5. При этом соотношения емкостей, следовательно, и их реактивного сопротивления будут определять выходное напряжение на выходе делителя. Конечно, при увеличении числа умножающих цепочек габариты устройства возрастут. Но это может быть оправдано дешевизной используемых компонентов.

При построении умножителей напряжения следует помнить, что не рекомендуется соединять последовательно диоды и конденсаторы для увеличения их рабочего напряжения, поскольку надежность такой цепочки будет невелика. Надежнее для конструкции умножителя напряжения пойти по пути наращивания каскадов умножения.

Литература

1. Таракан; таракан , тараканище//Левша. - 1991. - №9. - С.20.

2. Белецкий. П. Умножитель - ионизатор воздуха//Радиолюбитель. - 1995. - №10. -С. 17.

И.Григорьев, Белгород