Простой умножитель напряжения. Удвоитель напряжения: особенности и принцип работы
После того как на современном рынке электроники появились миниатюрные конденсаторы, имеющие большую емкость, стало возможным использование в электронных схемах методики, связанной с умножением напряжения. Для этих целей разработано специальное устройство - умножитель напряжения, основой которого являются диоды и конденсаторы, подключенные в определенном порядке. Суть работы этого устройства заключается в преобразовании переменного напряжения, получаемого из низковольтного источника, в высокое напряжение постоянного тока.
Благодаря малым габаритам данных приборов, существенно снизились и конечные размеры проектируемых электронных устройств. Существуют различные варианты данных приборов, в том числе умножитель напряжения Шенкеля и другие схемы, проектируемые для конкретной аппаратуры.
Общие сведения об умножителях напряжения
В электронике к умножителям напряжения относятся специальные схемы, с помощью которых уровень входящего напряжения преобразуется в сторону увеличения. Одновременно эти устройства выполняют еще и функцию выпрямления. Умножители применяются в тех случаях, когда нежелательно использовать в общей схеме дополнительный повышающий трансформатор из-за сложности его устройства и больших размеров.
В некоторых случаях трансформаторы не могут поднять напряжение до требуемого уровня, поскольку между витками вторичной обмотки может случиться пробой. Данные особенности следует учитывать при решении задачи, как сделать различные варианты удвоителей своими руками.
В схемах умножителей обычно используются свойства и характеристики однофазных однополупериодных выпрямителей, работающих на емкостную нагрузку. В процессе работы этих устройств между определенными точками создается напряжение с величиной, превышающей значение входного напряжения. В качестве таких точек выступают выводы диода, входящего в схему . При подключении к ним еще одного такого же выпрямителя, получится схема несимметричного удвоителя напряжения.
Таким образом, каждый умножитель напряжения как повышающее устройство может быть симметричным и несимметричным. Кроме того, все они разделяются на категории первого и второго рода. Схема симметричного умножителя представляет собой две несимметричные схемы, соединенные между собой. У одной из них происходит изменение полярности конденсаторов и проводимости диодов. Симметричные умножители имеют лучшие электрические характеристики, в частности выпрямляемое напряжение обладает удвоенной частотой пульсаций.
Различные типы таких приборов повсеместно используются в электронной аппаратуре и оборудовании. С помощью этих устройств появилась возможность осуществлять умножение и получать напряжение в десятки и сотни тысяч вольт. Сами умножители напряжения отличаются незначительной массой, малыми габаритами, они просты в изготовлении и дальнейшей эксплуатации.
Принцип работы
Для того чтобы представить себе как работает умножитель напряжения, рассматривается простейшая устройства, показанного на рисунке. Когда начинает действовать отрицательный полупериод напряжения, диод Д1 открывается и через него осуществляется зарядка конденсатора С1. Заряд должен сравняться с амплитудным значением подаваемого напряжения.
При наступлении периода с положительной волной происходит зарядка следующего конденсатора С2 через диод Д2. В этом случае заряд приобретает высокие удвоенные значения по сравнению с поданным напряжением.
Далее наступает отрицательный полупериод, в течение которого до удвоенного значения заряжается конденсатор С3. Таким же образом, во время дальнейшей смены полупериода, выполняется зарядка конденсатора С4, вновь с удвоенным значением.
Для того чтобы запустить устройство, требуются полные периоды напряжения в количестве нескольких циклов, создающие напряжения на диодах. Величина напряжения, получаемая на выходе, состоит из суммы напряжений конденсаторов С2 и С4, соединенных последовательно и заряжаемых постоянно. В конечном итоге, образуется величина выходного переменного напряжения, которое в 4 раза превышает значение напряжения на входе. В этом и заключается принцип работы умножителя напряжения.
Самый первый конденсатор С1, полностью заряженный, имеет постоянное значение напряжения. То есть, он выполняет функцию постоянной составляющей Ua, применяемой в расчетах. Следовательно, можно и дальше наращивать потенциал умножителя, подключая дополнительные звенья, сделанные по тому же принципу, поскольку напряжение на диодах в каждом из этих звеньев будет равно сумме входного напряжения и постоянной составляющей. За счет этого получается любой коэффициент умножения с требуемым значением. Напряжение на всех конденсаторах, кроме первого будет равным 2х Ua.
Если в умножителе используется нечетный коэффициент, для подключения нагрузки используются конденсаторы, расположенные в верхней части схемы. При четном, наоборот, задействуются нижние конденсаторы.
Примерный расчет схемы умножителя
Перед тем как начинать расчет, задаются основные характеристики устройства. Это особенно важно, когда необходимо изготовить умножитель напряжения своими руками. В первую очередь, это значения входного и выходного напряжения, мощность и габаритные размеры. Следует учитывать и некоторые ограничения, касающиеся параметров напряжения. Его величина на входе должна быть не более 15 кВ, границы диапазона частоты составляют от 5 до 100 кГц.
Рекомендуемое значение выходного высоковольтного напряжения - не выше 150 кВ. Величина выходной мощности умножителя напряжения составляет в пределах 50 Вт, хотя можно создать устройство и с более высокими параметрами, в котором мощность достигает даже 200 Вт.
Выходное напряжение находится в прямой зависимости с токовыми нагрузками и его можно рассчитать с помощью формулы: U вых = N х Uвх - (I (N3 + +9N2 /4 + N/2)) / 12FC, в которой N соответствует количеству ступеней, I - токовой нагрузке, F - частоте напряжения на входе, С - емкости генератора. Если заранее задать требуемые параметры, данная формула поможет легко рассчитать, какая емкость должна быть у конденсаторов, применяемых в схеме.
Габариты и масса высоковольтных трансформаторов из-за необходимости обеспечения электрической прочности становятся очень большими. Поэтому удобнее использовать в высоковольтных маломощных источниках питания умножители напряжения. Умножители напряжения создаются на базе схем выпрямления с емкостной реакцией нагрузки. Принцип действия таких схем в том, что последовательно соединенные конденсаторы заряжаются каждый отдельно от сравнительно низковольтной вторичной обмотки трансформатора через свои вентили (диоды), но так как по отношению к нагрузке конденсаторы соединены последовательно, то общее напряжение будет равно сумме напряжений на всех конденсаторах, то есть выходное напряжение схемы умножится по сравнению с напряжением обычного выпрямителя.
Внутренне сопротивление схемы умножения возрастает с увеличением числа каскадов, поэтому она должна работать на высокоомные нагрузки. Наибольшее распространение получили однофазные симметричные и несимметричные схемы умножения напряжения.
Симметричные схемы умножения напряжения отличаются от несимметричных способом подключения к вторичной обмотке трансформатора.
Однофазные несимметричные схемы умножения представляют собой последовательное соединение нескольких одинаковых однотактных схем выпрямления с емкостной реакцией.
В схеме показанной на рисунке каждый последующий конденсатор заряжается до более высокого напряжения. Если ЭДС вторичной обмотки трансформатора направлена от точки а к точке б , то открывается первый вентиль и происходит заряд конденсатора С1. Этот конденсатор зарядится до напряжения равного амплитуде напряжения на вторичной обмотке трансформатора U2m. При изменении ЭДС вторичной обмотки будет протекать ток заряда второго конденсатора по цепи: точка а , конденсатор С1, вентиль VD2, конденсатор С2, точка б . При этом конденсатор С2 зарядится до напряжения UC2 = U2m+UC1 = 2U2m , так как вторичная обмотка трансформатора и конденсатор С1 оказались включенными последовательно и согласованно. При последующем изменении направления ЭДС вторичной обмотки происходит заряд третьего конденсатора С3 по цепи: точка б , С2, VD3, С3 точка а вторичной обмотки. Конденсатор С3 будет заряжаться до напряжения UC3 = U2m+UC2≈3U2m и так далее.
Таким образом, на каждом последующем конденсаторе кратность напряжения соответствует UCn = nU2m .
Необходимое высокое напряжение снимается с одного конденсатора Сn.
В схеме показанной на следующем рисунке наибольшее напряжение на конденсаторах равно удвоенному напряжению на вторичной обмотке.
В первый полупериод напряжения вторичной обмотки через вентиль VD1 заряжается до амплитудного значения напряжения вторичной обмотки U2m конденсатор С1. Во второй полупериод напряжение вторичной обмотки трансформатора изменит свое направление и будет включено согласно с напряжением конденсатора С1. Конденсатор С2 зарядится через вентиль VD2 до суммы этих напряжений 2U2m.
В следующий по порядку полупериод через вентиль VD3 заряжается конденсатор С3. Он зарядится до напряжения:
UC3 = -UC1 + U2m + UC2 = — U2m+U2m + 2U2m = 2U2m
Нетрудно заметить, что и остальные конденсаторы схемы заряжаются до удвоенного напряжения вторичной обмотки. В этой схеме в отличии от первой умноженное напряжение снимается не с одного, а нескольких конденсаторов.
В схемах умножения при росте тока нагрузки выходное напряжение существенно снижается. Частота пульсаций в рассмотренных схемах умножения равна частоте сети.
Напряжение на последнем конденсаторе схемы умножения появится только после того полупериода напряжения вторичной обмотки трансформатора, который соответствует коэффициенту умножения, то есть через время tт = nT/2 , где Т — период выпрямленного напряжения.
Схема Латура (удвоение напряжения)
Схема Латура представляет собой мостовую схему у которой два плеча моста включены вентили VD1 VD2, а два другие плеча — конденсаторы С1 С2. К одной из диагоналей моста подключена вторичная обмотка трансформатора, к другой нагрузка. Схему удвоения напряжения можно представить в виде двух однополупериодных схем, соединенных последовательно и работающих от одной вторичной обмотки трансформатора. В первый полупериод, когда потенциал точки а вторичной обмотки положителен относительно точки б , откроется вентиль VD1 и начинается заряд конденсатора С1. Ток в этот момент протекает через вторичную обмотку, VD1 и С1.
Во второй полупериод заряжается конденсатор С2. Ток заряда конденсатора С2 протекает через вторичную обмотку, С2 и VD2.
С1 и С2 по отношению к сопротивлению нагрузки Rн1 соединены последовательно, и напряжение на нагрузке равно сумме напряжений UC1 UC2.
Схема удвоения напряжения применяется при выходной мощности до 50 Вт и выпрямленном напряжении 500-1000В и выше.
Основное преимущество схемы это повышенная частота пульсации, низкое обратное напряжение на диодах по сравнению с двухфазной схемой и достаточно полное использование трансформатора. К недостаткам можно отнести повышенное значение тока диодов.
В статье описаны основные варианты умножителей напряжения, применяемых в самых различных электронных устройствах, и приведены расчетные соотношения. Этот материал будет интересен радиолюбителям, занимающимся разработкой аппаратуры, в которой применяются умножители.
В современных радиоэлектронных устройствах умножители нашли широкое применение. Они используются в телевизионной и медицинской аппаратуре (источники анодного напряжения кинескопов, питания маломощных лазеров), в измерительной технике (осциллографы, приборы для измерения уровня и доз радиоактивного излучения), в приборах ночного видения и электрошоковых устройствах, бытовых и офисных электронных устройствах (ионизаторы, "люстра Чижевского", ксерокопировальные аппараты) и многих других областях техники. Произошло это благодаря главным свойствам умножителей - возможности формировать высокое, до нескольких десятков и сотен тысяч вольт, напряжение при малых габаритах и массе. Еще одно их важное преимущество - простота расчета и изготовления.
Умножитель напряжения состоит из включенных определенным образом диодов и конденсаторов и представляет собой преобразователь напряжения переменного тока низковольтного источника в высокое напряжение постоянного тока.
Принцип его работы понятен из рис. 1, на котором приведена схема однополупериодного умножителя. Рассмотрим происходящие в нем процессы поэтапно.
Во время действия отрицательного полупериода напряжения конденсатор С1 заряжается через открытый диод VD1 до амплитудного значения приложенного напряжения U. Когда к входу умножителя приложено напряжение положительного полупериода, конденсатор С2 через открытый диод VD2 заряжается до напряжения 2Ua. Во время следующего этапа - отрицательного полупериода - через диод VD3 до напряжения 2U заряжается конденсатор C3. И. наконец, при очередном положительном полупериоде до напряжения 2U заряжается конденсатор С4.
Очевидно, что запуск умножителя происходит за несколько периодов переменного напряжения. Постоянное выходное напряжение складывается из напряжений на последовательно включенных и постоянно подзаряжаемых конденсаторах С2 и С4 и составляет 4Ua.
Изображенный на рис. 1 умножитель относится к последовательным умножителям. Существуют также параллельные умножители напряжения, для которых требуется меньшая емкость конденсатора на ступень умножения. На рис. 2 приведена схема такого однополупериодного умножителя.
Наиболее часто применяют последовательные умножители. Они более универсальны, напряжение на диодах и конденсаторах распределены равномерно, можно реализовать большее число ступеней умножения. Имеют свои достоинства и параллельные умножители. Однако такой их недостаток, как увеличение напряжения на конденсаторах с увеличением числа ступеней умножения, ограничивает их применение до выходного напряжения примерно 20 кВ.
На рис. 3 и 4 приведены схемы двухполупериодных умножителей. К достоинствам первого (рис. 3) следует отнести следующие: к конденсаторам С1, C3 приложено только амплитудное напряжение, нагрузка на диоды равномерна, достигается хорошая стабильность выходного напряжения. Второй умножитель, схема которого приведена на рис. 4. отличают такие качества, как возможность обеспечения высокой мощности, простота в изготовлении, равномерное распределение нагрузки между компонентами, большое число ступеней умножения.
В таблице приведены типовые значения параметров и область применения умножителей напряжения.
При расчете умножителя следует задать его основные параметры: выходное напряжение, выходную мощность, входное переменное напряжение, требуемые габариты, условия работы (температура, влажность).
Кроме того, необходимо учесть некоторые ограничения: входное напряжение может быть не более 15 кВ, частота переменного напряжения ограничена в пределах 5... 100 кГц. выходное напряжение - не более 150 кВ, интервал рабочей температуры от -55 до +125*С, а влажности - 0...100 %. На практике разрабатывают и применяют умножители с выходной мощностью до 50 Вт, хотя реально достижимы значения в 200 Вт и более.
Выходное напряжение умножителя зависит от тока нагрузки. При условии, что входное напряжение и частота постоянны, оно определяется формулой: Uвых = N · Nвх - /12FC, где I - тoк нагрузки. A; N - число ступеней умножителя; F - частота входного напряжения. Гц; С - емкость конденсатора ступени, ф. Задавая выходное напряжение, ток. частоту и число ступеней, из нее вычисляют требуемую емкость конденсатора ступени.
Эта формула приведена для расчета последовательного умножителя. В параллельном для получения того же выходного тока необходимая емкость меньше. Так, если в последовательном емкость конденсатора 1000 пФ, то для трехступенчатого параллельного умножителя потребуется емкость 1000 пФ / 3 = 333 пФ. В каждой последующей ступени такого умножителя следует применять конденсаторы с большим номинальным напряжением.
Обратное напряжение на диодах и рабочее напряжение конденсаторов в последовательном умножителе равно полному размаху входного напряжения.
При практической реализации умножителя следует уделить особое внимание выбору его элементов, их размещению и изоляционным материалам. Конструкция должна обеспечивать надежную изоляцию во избежание возникновения коронного разряда, который снижает надежность умножителя, приводит к выходу его из строя.
Если требуется изменить полярность выходного напряжения, полярность включения диодов следует изменить на обратную.
Повышение напряжения без трансформатора. Умножители. Рассчитать онлайн. Преобразование переменного и постоянного тока (10+)
Бестрансформаторные источники питания - Повышающие
Этот процесс иллюстрирует рисунок:
Синим помечена область, где конденсаторы C заряжаются, а красным, где они отдают накопленный заряд в конденсатор C1 и в нагрузку.
К сожалению в статьях периодически встречаются ошибки, они исправляются, статьи дополняются, развиваются, готовятся новые. Подпишитесь, на новости , чтобы быть в курсе.
Если что-то непонятно, обязательно спросите!
Задать вопрос. Обсуждение статьи. сообщений.
Добрый вечер. Как ни старался, не смог по приведенным формулам для рис 1.2 пол учить значения ёмкостей конденсаторов С1 и С2 при приведенных значениях данных в вашей таблице (Uвх~220V, Uвых 15V, Iвых 100мА, f 50Hz). У меня проблема, включить катушку малогабаритного реле постоянного тока на рабочее напряжение -25V в сеть ~220V, рабочий ток катушки I= 35мА. Возможно я что то не
Все чаще и чаще радиолюбители стали интересоваться схемами питания, которые построены по принципу умножения напряжения. Этот интерес связан с появлением на рынке миниатюрных конденсаторов с большой емкостью и повышением стоимости медного провода, который используется для намотки катушек трансформаторов. Дополнительным плюсом упомянутых устройств являются их малые габариты, что значительно снижает конечные размеры проектируемой аппаратуры. А что же представляет собой умножитель напряжения? Этот прибор состоит из подключенных определенным образом конденсаторов и диодов. По сути, это преобразователь переменного напряжения низковольтного источника в высокое постоянное напряжение. А зачем нужен умножитель напряжения постоянного тока?
Область применения
Такое устройство нашло широкое применение в телевизионной аппаратуре (в источниках анодного напряжения кинескопов), медицинском оборудовании (при питании мощных лазеров), в измерительной технике (приборы измерения радиации, осциллографы). Кроме того, оно используется в устройствах ночного видения, в электрошоковых приборах, бытовой и офисной аппаратуре (ксерокопировальные аппараты) и т. д. Умножитель напряжения завоевал такую популярность благодаря возможности формировать напряжение до десятков и даже сотен тысяч вольт, и это при незначительных размерах и массе устройства. Еще один немаловажный плюс упомянутых приборов - это простота изготовления.
Типы схем
Рассматриваемые устройства делятся на симметричные и несимметричные, на умножители первого и второго рода. Симметричный умножитель напряжения получается путем соединения двух несимметричных схем. У одной такой схемы меняется полярность конденсаторов (электролитов) и проводимость диодов. Симметричный умножитель обладает лучшими характеристиками. Одним из главных достоинств является удвоенное значение частоты пульсаций выпрямляемого напряжения.
Принцип работы
На фото показана простейшая схема однополупериодного прибора. Рассмотрим принцип работы. При действии отрицательного полупериода напряжения через открытый диод Д1 начинает заряжаться конденсатор С1 до амплитудного значения поданного напряжения. В тот момент, когда наступает период положительной волны, заряжается (через диод Д2) конденсатор С2 до удвоенного значения поданного напряжения. При начале следующего этапа отрицательного полупериода происходит заряд конденсатора С3 - также до удвоенного значения напряжения, а при смене полупериода и конденсатор С4 также заряжается до указанного значения. Запуск устройства осуществляется за несколько полных периодов напряжения переменного тока. На выходе получается постоянная физическая величина, которая складывается из показателей напряжений последовательных, постоянно заряжаемых конденсаторов С2 и С4. В результате получим величину, в четыре раза большую, чем на входе. Вот по такому принципу и работает умножитель напряжения.
Расчет схемы
При расчете необходимо задать требуемые параметры: выходное напряжение, мощность, переменное входное напряжение, габариты. Не следует пренебрегать и некоторыми ограничениями: входное напряжение не должно превышать 15 кВ, частота его колеблется в пределах 5-100 кГц, значение на выходе - не более 150 кВ. На практике применяют устройства с выходной мощностью 50 Вт, хотя реально сконструировать умножитель напряжения с выходным показателем, приближающимся к 200 Вт. Значение выходного напряжения напрямую зависит от тока нагрузки и определяется по формуле:
U вых = N*U вх - (I (N3 + +9N2 /4 + N/2)) / 12FC, где
I - ток нагрузки;
N - число ступеней;
F - частота входного напряжения;
С - емкость генератора.
Таким образом, если задать значение выходного напряжения, тока, частоты и количества ступеней, возможно высчитать необходимую