Как сделать удвоитель напряжения постоянного тока
Добавил пользователь Skiper Обновлено: 04.10.2024
Суть работы умножителя заключается в преобразовании переменного напряжения, получаемого из низковольтного источника, в высокое напряжение постоянного тока. Есть разные варианты данных приборов такие как, умножитель напряжения Шенкеля и другие схемы, проектируемые для конкретной аппаратуры.
В электронике к умножителям напряжения относятся специальные схемы, с помощью которых уровень входящего напряжения преобразуется в сторону увеличения. Одновременно эти устройства выполняют еще и функцию выпрямления. Умножители применяются в тех случаях, когда нежелательно использовать в общей схеме дополнительный повышающий трансформатор из-за сложности его устройства и больших размеров.
В некоторых случаях трансформаторы не могут поднять напряжение до требуемого уровня, поскольку между витками вторичной обмотки может случиться пробой. Данные особенности следует учитывать при решении задачи, как сделать различные варианты удвоителей своими руками.
В схемах умножителей обычно используются свойства и характеристики однофазных однополупериодных выпрямителей, работающих на емкостную нагрузку. В процессе работы этих устройств между определенными точками создается напряжение с величиной, превышающей значение входного напряжения. В качестве таких точек выступают выводы диода, входящего в схему выпрямителя. При подключении к ним еще одного такого же выпрямителя, получится схема несимметричного удвоителя напряжения.
Таким образом, каждый умножитель напряжения как повышающее устройство может быть симметричным и несимметричным. Кроме того, все они разделяются на категории первого и второго рода. Схема симметричного умножителя представляет собой две несимметричные схемы, соединенные между собой. У одной из них происходит изменение полярности конденсаторов и проводимости диодов. Симметричные умножители имеют лучшие электрические характеристики, в частности выпрямляемое напряжение обладает удвоенной частотой пульсаций.
Электрик в доме
Автор: admin, 16 Июн 2013
Умножителем напряжения называют устройство преобразующее переменное напряжение или постоянное пульсирующее в более высокое постоянное напряжение. Как правило умножитель увеличивает напряжение в такое число раз, которое соответствует количеству каскадов умножения. Рассмотрим как сделать своими руками самый простой и известный умножитель напряжения Кокрофта-Уолтона, который был использован для ускорителей элементарных частиц для разработки атомной бомбы.
С помощью умножителя напряжения можно отказаться от тяжёлых и габаритных повышающих трансформаторов. Преимущество этой схемы в том, что на конденсаторах развивается всего лишь удвоенное амплитудное значение входного напряжения. Соответственно конденсаторы и диоды схемы могут быть рассчитаны на это напряжение.
Работа схемы
На схеме изображён универсальный умножитель с произвольным количеством каскадов. То есть берём число каскадов для создания необходимого нам напряжения. Примерно Uвых = n*Uвх.
При отрицательной полуволне Uвх заряжается конденсатор С1 до амплитудного значения Uвх через диод D1. При положительной полуволне заряжается конденсатор С2 через диод D2, но поскольку конденсатор С1 уже заряжен, то он будет выполнять роль дополнительного источника питания и поскольку он оказывается включённым последовательно с основным источником питания, то конденсатор С2 зарядится уже до удвоенного амплитудного значения напряжения Uвх.
Таким же образом работают и последующие ступени умножителя, снимается же выходное напряжение Uвых с последовательно соединённых конденсаторов с чётными (по схеме) номерами. Соответственно результирующее напряжение Uвых будет равно сумме напряжений на чётных конденсаторах.
Расчёт умножителя напряжения
Для расчёта умножителя нужно знать ток нагрузки (Iн), требуемое выходное напряжение (Uвых) и желаемый коэффициент пульсаций (Кп).
Минимальная ёмкость конденсаторов (в мкФ) рассчитывается по упрощённой формуле:
С(n) = 2,85*n*Iн/(Кп*Uвых), где
n—кратность умножения Uвх в В; Iн — ток нагрузки в мА; Кп — коэффициент пульсаций выходного напряжения в процентах; Uвыx—выходное напряжение в В.
Ёмкость первого конденсатора С1 нужно увеличить в 2-3 раза от расчётной ёмкости других конденсаторов, иначе полное напряжение на выходе схемы появится через несколько периодов входного напряжения. Если это не важно для работы нагрузки, то можно поставить конденсатор такой же ёмкости, как и остальные.
Для примера скажу, что коэффициент пульсаций считается отличным при значении 0,1% и меньше, хорошим при значении 1 — 3%. Если коэффициент не важен, то примите его равным 100.
Максимальный ток, протекающий через диоды будет равен удвоенному току нагрузки.
Также умножитель можно рассчитать более точно по следующей формуле:
Uвых = n* Uвх — (Iн*(n3 + 9*n2/4 + n/2 )/(12 *f* C)
), где
Iн — ток нагрузки в А; n — кратность умножения; f — частота входного напряжения в Гц; С — емкость конденсатора в Ф.
Детали умножителя
Сложно назвать конкретные типы и номиналы деталей не зная требуемых параметров умножителя, поэтому рассмотрю детали для умножителя со средними показателями, питающегося от сети переменного тока 220В.
Конденсаторы лучше всего брать с минимальным током утечки, например серии К73. Рабочее напряжение конденсаторов должно быть для Uвх=220В: С1 — не ниже 300В, С2-Сn — не ниже 600В. Ёмкость конденсаторов порядка 0,1 — 1 мкФ.
Диоды можно взять, например, КД411 или КД226Г(Д,Е). Ток нагрузки в этом случае может быть до 1А.
Будьте крайне осторожны при эксплуатации данной схемы, опасное напряжение остаётся на конденсаторах даже после отключения умножителя от источника питания.
Поделитесь с друзьями этой статьёй, нажав на кнопки социальных сетей внизу статьи.
Будет интересно почитать:
Зарядка для батареек
Электричество и магнетизм
Рубрики: Электронные устройства, Электросхемы Метки: своими руками, электроника, электросхема
Принцип работы
Для того чтобы представить себе как работает умножитель напряжения, рассматривается простейшая схема однополупериодного устройства, показанного на рисунке. Когда начинает действовать отрицательный полупериод напряжения, диод Д1 открывается и через него осуществляется зарядка конденсатора С1. Заряд должен сравняться с амплитудным значением подаваемого напряжения.
При наступлении периода с положительной волной происходит зарядка следующего конденсатора С2 через диод Д2. В этом случае заряд приобретает высокие удвоенные значения по сравнению с поданным напряжением. Далее наступает отрицательный полупериод, в течение которого до удвоенного значения заряжается конденсатор С3. Таким же образом, во время дальнейшей смены полупериода, выполняется зарядка конденсатора С4, вновь с удвоенным значением.
Для того чтобы запустить устройство, требуются полные периоды напряжения в количестве нескольких циклов, создающие напряжения на диодах. Величина напряжения, получаемая на выходе, состоит из суммы напряжений конденсаторов С2 и С4, соединенных последовательно и заряжаемых постоянно. В конечном итоге, образуется величина выходного переменного напряжения, которое в 4 раза превышает значение напряжения на входе. В этом и заключается принцип работы умножителя напряжения.
Самый первый конденсатор С1, полностью заряженный, имеет постоянное значение напряжения. То есть, он выполняет функцию постоянной составляющей Ua, применяемой в расчетах. Следовательно, можно и дальше наращивать потенциал умножителя, подключая дополнительные звенья, сделанные по тому же принципу, поскольку напряжение на диодах в каждом из этих звеньев будет равно сумме входного напряжения и постоянной составляющей. За счет этого получается любой коэффициент умножения с требуемым значением. Напряжение на всех конденсаторах, кроме первого будет равным 2х Ua.
Умножитель напряжения — схема выпрямителя особого типа, амплитуда напряжение на выходе которой теоретически в целое число раз выше, чем на входе. То есть, с помощью удвоителя напряжения можно получить 200 В постоянного тока из 100 В переменного тока источника, а с помощью умножителя на четыре — 400 В постоянного. Это если не учитывать падение напряжения на диодах (0,7В на каждом).
В реальных схемах любая нагрузка будет уменьшать полученное напряжение. Умножитель содержит в себе конденсаторы и диоды. Нагрузочная способность умножителя пропорциональна частоте, величине емкости входящих в его состав конденсаторов и обратно пропорциональна числу звеньев.
- Удвоитель напряжения Латура-Делона-Гренашера
Особенности: хорошая нагрузочная способность.
Несимметричный умножитель напряжения (Кокрофта-Уолтона)
Особенности: универсальность, низкая нагрузочная способность.
Генераторы Кокрофта-Уолтона применяются во многих областях техники, в частности, в лазерных системах, в источниках высокого напряжения, в системах рентгеновского излучения, подсветке жидкокристаллических экранов, лампах бегущей волны, ионных насосах, электростатических системах, ионизаторах воздуха, ускорителях частиц, копировальных аппаратах, осциллографах, телевизорах и во многих других устройствах, где необходимо одновременно высокое напряжение и постоянный ток.
Особенности: хорошая нагрузочная способность.
Утроитель, 2-й вариант
Особенности: хорошая нагрузочная способность.
Утроитель, 3-й вариант
Особенности: хорошая нагрузочная способность.
Умножитель на 4, 1-й вариант
Особенности: симметричная схема, хорошая нагрузочная способность.
Умножитель на 4, 2-й вариант
Особенности: симметричная схема, хорошая нагрузочная способность.
Умножитель на 4, 3-й вариант
Особенности: симметричная схема, хорошая нагрузочная способность, две полярности относительно общей точки.
Умножитель на 5, 1-й вариант
Особенности: хорошая нагрузочная способность.
Умножитель на 6, 1-й вариант
Особенности: хорошая нагрузочная способность.
Умножитель на 6, 2-й вариант
Особенности: симметричная схема, хорошая нагрузочная способность, две полярности относительно общей точки.
Умножитель на 8, 1-й вариант
Особенности: симметричная схема, хорошая нагрузочная способность.
Умножитель на 8, 2-й вариант
Особенности: симметричная схема, хорошая нагрузочная способность, две полярности относительно общей точки.
Умножитель напряжения Шенкеля – Вилларда
Особенности: симметричная схема, превосходная нагрузочная способность, ступенчатое увеличение напряжения на каждом звене.
Умножитель со ступенчатой нагрузочной способностью
Особенности: нагрузочная характеристика имеет две области — область низкой мощности – в диапазоне выходных напряжений от 2U до U и область повышенной мощности – при выходном напряжении ниже U.
Выпрямитель с вольтодобавкой
Особенности: наличие дополнительного маломощного выхода с удвоенным напряжением питания.
Умножитель из диодных мостов
Особенности: хорошая нагрузочная способность. Одна из классических схем умножения напряжения в высоковольтных источниках питания для физических экспериментов. На рисунке изображен удвоитель напряжения, но число каскадов в умножителе может быть увеличено.
А удвоитель напряжения представляет собой электронную схему, которая заряжает конденсаторы от входного напряжения и переключает эти заряды таким образом, что в идеальном случае на выходе создается ровно в два раза больше напряжения, чем на его входе.
Простейшие из этих схем представляют собой форму выпрямитель которые принимают переменное напряжение в качестве входа и выдают удвоенное постоянное напряжение. Переключающие элементы представляют собой простые диоды, и их переключение приводится в действие только переменным напряжением на входе. Удвоители напряжения постоянного тока не могут переключаться таким образом и требуют схемы управления для управления переключением. Для них также часто требуется переключающий элемент, которым можно управлять напрямую, например, транзистор, а не полагаться на напряжение на переключателе, как в простом случае преобразования переменного тока в постоянный.
Удвоители напряжения - это разновидности умножитель напряжения цепь. Многие, но не все схемы удвоителя напряжения можно рассматривать как одну ступень умножителя более высокого порядка: каскадирование идентичных ступеней вместе обеспечивает большее умножение напряжения.
Содержание
Выпрямители с удвоением напряжения
Автодром Виллар
Схема Грайнахера
В Greinacher Удвоитель напряжения является значительным усовершенствованием схемы Вилларда за небольшую стоимость дополнительных компонентов. Пульсации значительно уменьшаются, номинально они равны нулю в условиях нагрузки разомкнутой цепи, но время прохождения тока зависит от сопротивления нагрузки и емкости используемых конденсаторов. Схема работает, следуя этапу ячейки Виллара с тем, что по сути является пиковый детектор или детектор конверта сцена. Ячейка пикового детектора устраняет большую часть пульсаций при сохранении пикового напряжения на выходе. Трасса Грайнахера также широко известна как полуволна удвоитель напряжения. [2]
Эта схема была впервые изобретена Генрих Грайнахер в 1913 г. (опубликовано в 1914 г. [стр. 2] ) для обеспечения 200–300 В, необходимых для его недавно изобретенного ионометр, 110 В переменного тока, подаваемого Цюрих электростанций того времени недостаточно. [3] Позже он расширил эту идею до каскада множителей в 1920 году. [стр. 3] [4] [стр. 4] Этот каскад ячеек Грейнахера часто неточно называют каскадом Виллара. Его также называют Множитель Кокрофта – Уолтона после ускоритель частиц машина построена Джон Кокрофт и Эрнест Уолтон, который самостоятельно открыл схему в 1932 году. [стр. 5] [5] Концепция этой топологии может быть расширена до схемы учетверения напряжения за счет использования двух ячеек Грайнахера противоположной полярности, питаемых от одного источника переменного тока. Выходной сигнал принимается через два отдельных выхода. Как и в случае мостовой схемы, невозможно одновременно заземлить вход и выход этой схемы. [6]
Схема Делона
В Схема Делона использует топология моста для удвоения напряжения; [стр. 6] следовательно, его также называют полноволновой удвоитель напряжения. [2] Эта форма цепи когда-то была широко распространена в электронно-лучевая трубка телевизоры, где он использовался для обеспечения Очень высокое напряжение (EHT) поставка. Генерация напряжений более 5 кВ с трансформатор имеет проблемы с безопасностью бытового оборудования и в любом случае является неэкономичным. Однако для черно-белых телевизоров требовалось e.h.t. 10 кВ и цветовых наборов и больше. Удвоители напряжения использовались либо для удвоения напряжения на обмотке эл.в.т. сетевого трансформатора, либо подавались на форму волны на линии. катушки обратного хода. [7]
Схема состоит из двух полуволновых пиковых детекторов, работающих точно так же, как и пиковая ячейка детектора в схеме Грейнахера. Каждая из двух ячеек пикового детектора работает на противоположных полупериодах входящего сигнала. Поскольку их выходы включены последовательно, выходное напряжение в два раза превышает пиковое входное напряжение.
Коммутируемые конденсаторные схемы
Рисунок 5. Удвоитель напряжения на коммутируемом конденсаторе достигается простым переключением заряженных конденсаторов с параллельного на последовательный
Можно использовать описанные выше простые диодно-конденсаторные схемы, чтобы удвоить напряжение источника постоянного тока, перед удвоителем напряжения с помощью цепь прерывателя. Фактически, это преобразует постоянный ток в переменный перед подачей на удвоитель напряжения. [8] Более эффективные схемы могут быть построены путем управления переключающими устройствами от внешних часов так, чтобы обе функции, прерывание и умножение, выполнялись одновременно. Такие схемы известны как переключаемый конденсатор схемы. Этот подход особенно полезен в приложениях с низковольтным батарейным питанием, где интегральным схемам требуется напряжение, большее, чем может обеспечить батарея. Часто тактовый сигнал легко доступен на плате интегральной схемы, и для его генерации не требуется дополнительных схем. [9]
Концептуально, возможно, самая простая конфигурация переключаемого конденсатора схематически показана на рисунке 5. Здесь два конденсатора одновременно заряжаются до одинакового напряжения параллельно. Затем питание отключается, и конденсаторы включаются последовательно. Выходной сигнал берется через два последовательно соединенных конденсатора, в результате чего выходное напряжение вдвое превышает напряжение питания. В такой схеме можно использовать множество различных переключающих устройств, но только в интегральных схемах. МОП-транзистор устройства часто используются. [10]
Еще одна основная концепция - это зарядный насос, вариант которого схематично показан на рисунке 6. Конденсатор накачки заряда, Cп, сначала заряжается до входного напряжения. Затем он переключается на зарядку выходного конденсатора CО, последовательно с входным напряжением, в результате чего CО в конечном итоге заряжается до удвоенного входного напряжения. Может пройти несколько циклов, прежде чем зарядный насос полностью зарядит CО но после достижения устойчивого состояния это необходимо только для Cп для перекачки небольшого количества заряда, эквивалентного тому, которое подается на нагрузку от CО. Хотя CО отключается от зарядного насоса, он частично разряжается в нагрузку, в результате чего рябь по выходному напряжению. Эта пульсация меньше для более высоких тактовых частот, так как время разряда короче, а также ее легче фильтровать. В качестве альтернативы, конденсаторы можно сделать меньшего размера для заданных характеристик пульсации. Практическая максимальная тактовая частота в интегральных схемах обычно составляет сотни килогерц. [11]
Зарядный насос Диксона
Зарядный насос Диксона, или Множитель Диксона, состоит из каскада диодно-конденсаторных ячеек, нижняя пластина каждого конденсатора приводится в действие тактовый импульс поезд. [стр. 7] Схема является модификацией умножителя Кокрофта-Уолтона, но использует вход постоянного тока с последовательностями тактовых импульсов, обеспечивающими сигнал переключения вместо входа переменного тока. Умножитель Диксона обычно требует, чтобы чередующиеся ячейки управлялись тактовыми импульсами противоположной фазы. Однако, поскольку для удвоителя напряжения, показанного на рисунке 7, требуется только один этап умножения, требуется только один тактовый сигнал. [12]
Умножитель Диксона часто используется в интегральных схемах, где напряжение питания (например, от батареи) ниже, чем требуется для схемы. При изготовлении интегральных схем выгодно, чтобы все полупроводниковые компоненты были в основном одного типа. МОП-транзисторы обычно являются стандартным логическим блоком во многих интегральных схемах. По этой причине диоды часто заменяют на этот тип транзисторов, но они подключены для работы в качестве диода - устройство, называемое MOSFET с диодной проводкой. На рисунке 8 показан удвоитель напряжения Диксона, использующий полевые МОП-транзисторы с n-канальным соединением с диодной проводкой. [13]
Есть много вариации и улучшения к основному зарядному насосу Диксона. Многие из них связаны с уменьшением влияния напряжения сток-исток транзистора. Это может быть очень важно, если входное напряжение небольшое, например, от низковольтной батареи. С идеальными переключающими элементами выход является целым кратным входу (два для удвоителя), но с одноэлементной батареей в качестве источника входа и переключателями MOSFET выход будет намного меньше этого значения, поскольку большая часть напряжения будет падать через транзисторы. Для схемы с дискретными компонентами Диод Шоттки будет лучшим выбором переключающего элемента из-за его чрезвычайно низкого падения напряжения во включенном состоянии. Однако разработчики интегральных схем предпочитают использовать легкодоступный полевой МОП-транзистор и компенсировать его недостатки повышенной сложностью схемы. [14]
Перекрестно-коммутируемые конденсаторы
Схемы с перекрестной коммутацией конденсаторов отлично подходят для очень низких входных напряжений. Для беспроводного оборудования с батарейным питанием, такого как пейджеры, устройства Bluetooth и т.п., может потребоваться одноэлементный аккумулятор для продолжения подачи энергии, когда он разряжен до уровня ниже напряжения. [18]
Потери в этой схеме невелики, поскольку отсутствуют полевые МОП-транзисторы с диодной проводкой и связанные с ними проблемы с пороговым напряжением. Схема также имеет то преимущество, что частота пульсаций удваивается, потому что фактически имеется два удвоителя напряжения, оба из которых подают выходной сигнал синфазных тактовых импульсов. Основным недостатком этой схемы является то, что паразитные емкости гораздо более значительны, чем у умножителя Диксона, и составляют большую часть потерь в этой схеме. [20]
Суть работы умножителя заключается в преобразовании переменного напряжения, получаемого из низковольтного источника, в высокое напряжение постоянного тока. Есть разные варианты данных приборов такие как, умножитель напряжения Шенкеля и другие схемы, проектируемые для конкретной аппаратуры.
В электронике к умножителям напряжения относятся специальные схемы, с помощью которых уровень входящего напряжения преобразуется в сторону увеличения. Одновременно эти устройства выполняют еще и функцию выпрямления. Умножители применяются в тех случаях, когда нежелательно использовать в общей схеме дополнительный повышающий трансформатор из-за сложности его устройства и больших размеров.
В некоторых случаях трансформаторы не могут поднять напряжение до требуемого уровня, поскольку между витками вторичной обмотки может случиться пробой. Данные особенности следует учитывать при решении задачи, как сделать различные варианты удвоителей своими руками.
В схемах умножителей обычно используются свойства и характеристики однофазных однополупериодных выпрямителей, работающих на емкостную нагрузку. В процессе работы этих устройств между определенными точками создается напряжение с величиной, превышающей значение входного напряжения. В качестве таких точек выступают выводы диода, входящего в схему выпрямителя. При подключении к ним еще одного такого же выпрямителя, получится схема несимметричного удвоителя напряжения.
Таким образом, каждый умножитель напряжения как повышающее устройство может быть симметричным и несимметричным. Кроме того, все они разделяются на категории первого и второго рода. Схема симметричного умножителя представляет собой две несимметричные схемы, соединенные между собой. У одной из них происходит изменение полярности конденсаторов и проводимости диодов. Симметричные умножители имеют лучшие электрические характеристики, в частности выпрямляемое напряжение обладает удвоенной частотой пульсаций.
Электрик в доме
Автор: admin, 16 Июн 2013
Умножителем напряжения называют устройство преобразующее переменное напряжение или постоянное пульсирующее в более высокое постоянное напряжение. Как правило умножитель увеличивает напряжение в такое число раз, которое соответствует количеству каскадов умножения. Рассмотрим как сделать своими руками самый простой и известный умножитель напряжения Кокрофта-Уолтона, который был использован для ускорителей элементарных частиц для разработки атомной бомбы.
С помощью умножителя напряжения можно отказаться от тяжёлых и габаритных повышающих трансформаторов. Преимущество этой схемы в том, что на конденсаторах развивается всего лишь удвоенное амплитудное значение входного напряжения. Соответственно конденсаторы и диоды схемы могут быть рассчитаны на это напряжение.
Работа схемы
На схеме изображён универсальный умножитель с произвольным количеством каскадов. То есть берём число каскадов для создания необходимого нам напряжения. Примерно Uвых = n*Uвх.
При отрицательной полуволне Uвх заряжается конденсатор С1 до амплитудного значения Uвх через диод D1. При положительной полуволне заряжается конденсатор С2 через диод D2, но поскольку конденсатор С1 уже заряжен, то он будет выполнять роль дополнительного источника питания и поскольку он оказывается включённым последовательно с основным источником питания, то конденсатор С2 зарядится уже до удвоенного амплитудного значения напряжения Uвх.
Таким же образом работают и последующие ступени умножителя, снимается же выходное напряжение Uвых с последовательно соединённых конденсаторов с чётными (по схеме) номерами. Соответственно результирующее напряжение Uвых будет равно сумме напряжений на чётных конденсаторах.
Расчёт умножителя напряжения
Для расчёта умножителя нужно знать ток нагрузки (Iн), требуемое выходное напряжение (Uвых) и желаемый коэффициент пульсаций (Кп).
Минимальная ёмкость конденсаторов (в мкФ) рассчитывается по упрощённой формуле:
С(n) = 2,85*n*Iн/(Кп*Uвых), где
n—кратность умножения Uвх в В; Iн — ток нагрузки в мА; Кп — коэффициент пульсаций выходного напряжения в процентах; Uвыx—выходное напряжение в В.
Ёмкость первого конденсатора С1 нужно увеличить в 2-3 раза от расчётной ёмкости других конденсаторов, иначе полное напряжение на выходе схемы появится через несколько периодов входного напряжения. Если это не важно для работы нагрузки, то можно поставить конденсатор такой же ёмкости, как и остальные.
Для примера скажу, что коэффициент пульсаций считается отличным при значении 0,1% и меньше, хорошим при значении 1 — 3%. Если коэффициент не важен, то примите его равным 100.
Максимальный ток, протекающий через диоды будет равен удвоенному току нагрузки.
Также умножитель можно рассчитать более точно по следующей формуле:
Uвых = n* Uвх — (Iн*(n3 + 9*n2/4 + n/2 )/(12 *f* C)
), где
Iн — ток нагрузки в А; n — кратность умножения; f — частота входного напряжения в Гц; С — емкость конденсатора в Ф.
Детали умножителя
Сложно назвать конкретные типы и номиналы деталей не зная требуемых параметров умножителя, поэтому рассмотрю детали для умножителя со средними показателями, питающегося от сети переменного тока 220В.
Конденсаторы лучше всего брать с минимальным током утечки, например серии К73. Рабочее напряжение конденсаторов должно быть для Uвх=220В: С1 — не ниже 300В, С2-Сn — не ниже 600В. Ёмкость конденсаторов порядка 0,1 — 1 мкФ.
Диоды можно взять, например, КД411 или КД226Г(Д,Е). Ток нагрузки в этом случае может быть до 1А.
Будьте крайне осторожны при эксплуатации данной схемы, опасное напряжение остаётся на конденсаторах даже после отключения умножителя от источника питания.
Поделитесь с друзьями этой статьёй, нажав на кнопки социальных сетей внизу статьи.
Будет интересно почитать:
Зарядка для батареек
Электричество и магнетизм
Рубрики: Электронные устройства, Электросхемы Метки: своими руками, электроника, электросхема
Принцип работы
Для того чтобы представить себе как работает умножитель напряжения, рассматривается простейшая схема однополупериодного устройства, показанного на рисунке. Когда начинает действовать отрицательный полупериод напряжения, диод Д1 открывается и через него осуществляется зарядка конденсатора С1. Заряд должен сравняться с амплитудным значением подаваемого напряжения.
При наступлении периода с положительной волной происходит зарядка следующего конденсатора С2 через диод Д2. В этом случае заряд приобретает высокие удвоенные значения по сравнению с поданным напряжением. Далее наступает отрицательный полупериод, в течение которого до удвоенного значения заряжается конденсатор С3. Таким же образом, во время дальнейшей смены полупериода, выполняется зарядка конденсатора С4, вновь с удвоенным значением.
Для того чтобы запустить устройство, требуются полные периоды напряжения в количестве нескольких циклов, создающие напряжения на диодах. Величина напряжения, получаемая на выходе, состоит из суммы напряжений конденсаторов С2 и С4, соединенных последовательно и заряжаемых постоянно. В конечном итоге, образуется величина выходного переменного напряжения, которое в 4 раза превышает значение напряжения на входе. В этом и заключается принцип работы умножителя напряжения.
Самый первый конденсатор С1, полностью заряженный, имеет постоянное значение напряжения. То есть, он выполняет функцию постоянной составляющей Ua, применяемой в расчетах. Следовательно, можно и дальше наращивать потенциал умножителя, подключая дополнительные звенья, сделанные по тому же принципу, поскольку напряжение на диодах в каждом из этих звеньев будет равно сумме входного напряжения и постоянной составляющей. За счет этого получается любой коэффициент умножения с требуемым значением. Напряжение на всех конденсаторах, кроме первого будет равным 2х Ua.
Умножитель напряжения — схема выпрямителя особого типа, амплитуда напряжение на выходе которой теоретически в целое число раз выше, чем на входе. То есть, с помощью удвоителя напряжения можно получить 200 В постоянного тока из 100 В переменного тока источника, а с помощью умножителя на четыре — 400 В постоянного. Это если не учитывать падение напряжения на диодах (0,7В на каждом).
В реальных схемах любая нагрузка будет уменьшать полученное напряжение. Умножитель содержит в себе конденсаторы и диоды. Нагрузочная способность умножителя пропорциональна частоте, величине емкости входящих в его состав конденсаторов и обратно пропорциональна числу звеньев.
- Удвоитель напряжения Латура-Делона-Гренашера
Особенности: хорошая нагрузочная способность.
Несимметричный умножитель напряжения (Кокрофта-Уолтона)
Особенности: универсальность, низкая нагрузочная способность.
Генераторы Кокрофта-Уолтона применяются во многих областях техники, в частности, в лазерных системах, в источниках высокого напряжения, в системах рентгеновского излучения, подсветке жидкокристаллических экранов, лампах бегущей волны, ионных насосах, электростатических системах, ионизаторах воздуха, ускорителях частиц, копировальных аппаратах, осциллографах, телевизорах и во многих других устройствах, где необходимо одновременно высокое напряжение и постоянный ток.
Особенности: хорошая нагрузочная способность.
Утроитель, 2-й вариант
Особенности: хорошая нагрузочная способность.
Утроитель, 3-й вариант
Особенности: хорошая нагрузочная способность.
Умножитель на 4, 1-й вариант
Особенности: симметричная схема, хорошая нагрузочная способность.
Умножитель на 4, 2-й вариант
Особенности: симметричная схема, хорошая нагрузочная способность.
Умножитель на 4, 3-й вариант
Особенности: симметричная схема, хорошая нагрузочная способность, две полярности относительно общей точки.
Умножитель на 5, 1-й вариант
Особенности: хорошая нагрузочная способность.
Умножитель на 6, 1-й вариант
Особенности: хорошая нагрузочная способность.
Умножитель на 6, 2-й вариант
Особенности: симметричная схема, хорошая нагрузочная способность, две полярности относительно общей точки.
Умножитель на 8, 1-й вариант
Особенности: симметричная схема, хорошая нагрузочная способность.
Умножитель на 8, 2-й вариант
Особенности: симметричная схема, хорошая нагрузочная способность, две полярности относительно общей точки.
Умножитель напряжения Шенкеля – Вилларда
Особенности: симметричная схема, превосходная нагрузочная способность, ступенчатое увеличение напряжения на каждом звене.
Умножитель со ступенчатой нагрузочной способностью
Особенности: нагрузочная характеристика имеет две области — область низкой мощности – в диапазоне выходных напряжений от 2U до U и область повышенной мощности – при выходном напряжении ниже U.
Выпрямитель с вольтодобавкой
Особенности: наличие дополнительного маломощного выхода с удвоенным напряжением питания.
Умножитель из диодных мостов
Особенности: хорошая нагрузочная способность. Одна из классических схем умножения напряжения в высоковольтных источниках питания для физических экспериментов. На рисунке изображен удвоитель напряжения, но число каскадов в умножителе может быть увеличено.
А удвоитель напряжения представляет собой электронную схему, которая заряжает конденсаторы от входного напряжения и переключает эти заряды таким образом, что в идеальном случае на выходе создается ровно в два раза больше напряжения, чем на его входе.
Простейшие из этих схем представляют собой форму выпрямитель которые принимают переменное напряжение в качестве входа и выдают удвоенное постоянное напряжение. Переключающие элементы представляют собой простые диоды, и их переключение приводится в действие только переменным напряжением на входе. Удвоители напряжения постоянного тока не могут переключаться таким образом и требуют схемы управления для управления переключением. Для них также часто требуется переключающий элемент, которым можно управлять напрямую, например, транзистор, а не полагаться на напряжение на переключателе, как в простом случае преобразования переменного тока в постоянный.
Удвоители напряжения - это разновидности умножитель напряжения цепь. Многие, но не все схемы удвоителя напряжения можно рассматривать как одну ступень умножителя более высокого порядка: каскадирование идентичных ступеней вместе обеспечивает большее умножение напряжения.
Содержание
Выпрямители с удвоением напряжения
Автодром Виллар
Схема Грайнахера
В Greinacher Удвоитель напряжения является значительным усовершенствованием схемы Вилларда за небольшую стоимость дополнительных компонентов. Пульсации значительно уменьшаются, номинально они равны нулю в условиях нагрузки разомкнутой цепи, но время прохождения тока зависит от сопротивления нагрузки и емкости используемых конденсаторов. Схема работает, следуя этапу ячейки Виллара с тем, что по сути является пиковый детектор или детектор конверта сцена. Ячейка пикового детектора устраняет большую часть пульсаций при сохранении пикового напряжения на выходе. Трасса Грайнахера также широко известна как полуволна удвоитель напряжения. [2]
Эта схема была впервые изобретена Генрих Грайнахер в 1913 г. (опубликовано в 1914 г. [стр. 2] ) для обеспечения 200–300 В, необходимых для его недавно изобретенного ионометр, 110 В переменного тока, подаваемого Цюрих электростанций того времени недостаточно. [3] Позже он расширил эту идею до каскада множителей в 1920 году. [стр. 3] [4] [стр. 4] Этот каскад ячеек Грейнахера часто неточно называют каскадом Виллара. Его также называют Множитель Кокрофта – Уолтона после ускоритель частиц машина построена Джон Кокрофт и Эрнест Уолтон, который самостоятельно открыл схему в 1932 году. [стр. 5] [5] Концепция этой топологии может быть расширена до схемы учетверения напряжения за счет использования двух ячеек Грайнахера противоположной полярности, питаемых от одного источника переменного тока. Выходной сигнал принимается через два отдельных выхода. Как и в случае мостовой схемы, невозможно одновременно заземлить вход и выход этой схемы. [6]
Схема Делона
В Схема Делона использует топология моста для удвоения напряжения; [стр. 6] следовательно, его также называют полноволновой удвоитель напряжения. [2] Эта форма цепи когда-то была широко распространена в электронно-лучевая трубка телевизоры, где он использовался для обеспечения Очень высокое напряжение (EHT) поставка. Генерация напряжений более 5 кВ с трансформатор имеет проблемы с безопасностью бытового оборудования и в любом случае является неэкономичным. Однако для черно-белых телевизоров требовалось e.h.t. 10 кВ и цветовых наборов и больше. Удвоители напряжения использовались либо для удвоения напряжения на обмотке эл.в.т. сетевого трансформатора, либо подавались на форму волны на линии. катушки обратного хода. [7]
Схема состоит из двух полуволновых пиковых детекторов, работающих точно так же, как и пиковая ячейка детектора в схеме Грейнахера. Каждая из двух ячеек пикового детектора работает на противоположных полупериодах входящего сигнала. Поскольку их выходы включены последовательно, выходное напряжение в два раза превышает пиковое входное напряжение.
Коммутируемые конденсаторные схемы
Рисунок 5. Удвоитель напряжения на коммутируемом конденсаторе достигается простым переключением заряженных конденсаторов с параллельного на последовательный
Можно использовать описанные выше простые диодно-конденсаторные схемы, чтобы удвоить напряжение источника постоянного тока, перед удвоителем напряжения с помощью цепь прерывателя. Фактически, это преобразует постоянный ток в переменный перед подачей на удвоитель напряжения. [8] Более эффективные схемы могут быть построены путем управления переключающими устройствами от внешних часов так, чтобы обе функции, прерывание и умножение, выполнялись одновременно. Такие схемы известны как переключаемый конденсатор схемы. Этот подход особенно полезен в приложениях с низковольтным батарейным питанием, где интегральным схемам требуется напряжение, большее, чем может обеспечить батарея. Часто тактовый сигнал легко доступен на плате интегральной схемы, и для его генерации не требуется дополнительных схем. [9]
Концептуально, возможно, самая простая конфигурация переключаемого конденсатора схематически показана на рисунке 5. Здесь два конденсатора одновременно заряжаются до одинакового напряжения параллельно. Затем питание отключается, и конденсаторы включаются последовательно. Выходной сигнал берется через два последовательно соединенных конденсатора, в результате чего выходное напряжение вдвое превышает напряжение питания. В такой схеме можно использовать множество различных переключающих устройств, но только в интегральных схемах. МОП-транзистор устройства часто используются. [10]
Еще одна основная концепция - это зарядный насос, вариант которого схематично показан на рисунке 6. Конденсатор накачки заряда, Cп, сначала заряжается до входного напряжения. Затем он переключается на зарядку выходного конденсатора CО, последовательно с входным напряжением, в результате чего CО в конечном итоге заряжается до удвоенного входного напряжения. Может пройти несколько циклов, прежде чем зарядный насос полностью зарядит CО но после достижения устойчивого состояния это необходимо только для Cп для перекачки небольшого количества заряда, эквивалентного тому, которое подается на нагрузку от CО. Хотя CО отключается от зарядного насоса, он частично разряжается в нагрузку, в результате чего рябь по выходному напряжению. Эта пульсация меньше для более высоких тактовых частот, так как время разряда короче, а также ее легче фильтровать. В качестве альтернативы, конденсаторы можно сделать меньшего размера для заданных характеристик пульсации. Практическая максимальная тактовая частота в интегральных схемах обычно составляет сотни килогерц. [11]
Зарядный насос Диксона
Зарядный насос Диксона, или Множитель Диксона, состоит из каскада диодно-конденсаторных ячеек, нижняя пластина каждого конденсатора приводится в действие тактовый импульс поезд. [стр. 7] Схема является модификацией умножителя Кокрофта-Уолтона, но использует вход постоянного тока с последовательностями тактовых импульсов, обеспечивающими сигнал переключения вместо входа переменного тока. Умножитель Диксона обычно требует, чтобы чередующиеся ячейки управлялись тактовыми импульсами противоположной фазы. Однако, поскольку для удвоителя напряжения, показанного на рисунке 7, требуется только один этап умножения, требуется только один тактовый сигнал. [12]
Умножитель Диксона часто используется в интегральных схемах, где напряжение питания (например, от батареи) ниже, чем требуется для схемы. При изготовлении интегральных схем выгодно, чтобы все полупроводниковые компоненты были в основном одного типа. МОП-транзисторы обычно являются стандартным логическим блоком во многих интегральных схемах. По этой причине диоды часто заменяют на этот тип транзисторов, но они подключены для работы в качестве диода - устройство, называемое MOSFET с диодной проводкой. На рисунке 8 показан удвоитель напряжения Диксона, использующий полевые МОП-транзисторы с n-канальным соединением с диодной проводкой. [13]
Есть много вариации и улучшения к основному зарядному насосу Диксона. Многие из них связаны с уменьшением влияния напряжения сток-исток транзистора. Это может быть очень важно, если входное напряжение небольшое, например, от низковольтной батареи. С идеальными переключающими элементами выход является целым кратным входу (два для удвоителя), но с одноэлементной батареей в качестве источника входа и переключателями MOSFET выход будет намного меньше этого значения, поскольку большая часть напряжения будет падать через транзисторы. Для схемы с дискретными компонентами Диод Шоттки будет лучшим выбором переключающего элемента из-за его чрезвычайно низкого падения напряжения во включенном состоянии. Однако разработчики интегральных схем предпочитают использовать легкодоступный полевой МОП-транзистор и компенсировать его недостатки повышенной сложностью схемы. [14]
Перекрестно-коммутируемые конденсаторы
Схемы с перекрестной коммутацией конденсаторов отлично подходят для очень низких входных напряжений. Для беспроводного оборудования с батарейным питанием, такого как пейджеры, устройства Bluetooth и т.п., может потребоваться одноэлементный аккумулятор для продолжения подачи энергии, когда он разряжен до уровня ниже напряжения. [18]
Потери в этой схеме невелики, поскольку отсутствуют полевые МОП-транзисторы с диодной проводкой и связанные с ними проблемы с пороговым напряжением. Схема также имеет то преимущество, что частота пульсаций удваивается, потому что фактически имеется два удвоителя напряжения, оба из которых подают выходной сигнал синфазных тактовых импульсов. Основным недостатком этой схемы является то, что паразитные емкости гораздо более значительны, чем у умножителя Диксона, и составляют большую часть потерь в этой схеме. [20]
Читайте также: