Меню

Умножители напряжения питает себя



Как работает умножитель напряжения

Умножители напряжения нашли широкое применение в современной электронной технике. Под умножителем напряжения подразумевают устройство, которое позволяет получить от переменного напряжения — высоковольтное постоянное. К примеру, умножители напряжения используют в телевизионной технике, в электрошоковых устройствах, в медицинских приборах и т.п.

Любительский умножитель напряжения

Любительская конструкция умножителя напряжения

Удвоитель напряжения

Поначалу рассмотрим схему удвоителя напряжения.

Симметричный удвоитель напряжения или, по фамилии ученого, выпрямитель На­тура — это устройство, представляющее собой два последовательно включенных однополупериодных выпрямителя. Оно предназначено для питания нагрузки посто­янным напряжением. Принципиальная схема симметричного удвоителя переменно­го напряжения дана на рис. 1.

1

Пусть в течение одного полупериода к катоду диода VD1 и к аноду диода VD2 приложено положительное напряжение. Диод VD1 будет закрыт, и обратный ток через него будет мал, а диод VD2 будет открыт, и через него будет течь ток, заря­жающий конденсатор С2.

В течение второго полупериода к катоду диода VD1 и к аноду диода VD2 будет приложено отрицательное напряжение. Диод VD1 будет открыт, и через него будет течь ток, заряжающий конденсатор С1, а в это время диод VD2 будет закрыт. На­пряжение на нагрузке будет в два раза больше, чем на одном конденсаторе, ввиду того, что конденсаторы включены последовательно. Емкость конденсаторов выби­рают так, чтобы в течение периода они не сильно разрядились. Если ток нагрузки невелик и высока частота питающей сети, то емкость конденсаторов С1 и С2 может быть небольшой.

Реакция нагрузки рассматриваемого удвоителя — емкостная. Наиболее рацио­нально использовать симметричный удвоитель напряжения для обеспечения высо­кого выпрямленного напряжения, составляющего от сотен вольт до нескольких ки­ловольт, при мощности нагрузки примерно до 100 Вт и при небольшом токе нагруз­ки от единиц до сотен миллиампер.

Чем выше частота питающей сети, тем ниже внутреннее сопротивление удвои­теля напряжения и тем выше его эффективность. При протекании через диоды оди­наковых постоянных составляющих тока подмагничивание сердечника отсутствует. Пульсация на каждом из конденсаторов С1 и С2 равна частоте сети переменного то­ка, а частота пульсации на нагрузке равна удвоенной частоте питающей сети.

Достоинства:

  • отсутствие подмагничивания магнитопровода трансформатора ТV1;
  • возможно функционирование удвоителя напряжения без трансформатора.

Недостаток: при неравной величине потребления нагрузкой тока в течение по­лупериодов или при наличии неодинаковых емкостей конденсаторов С1 и С2 не ис­ключено возникновение пульсаций выпрямленного напряжения с частотой питаю­щей сети. По этой причине емкость конденсаторов необходимо выбирать с сущест­венным запасом с учетом неравномерного уменьшения емкостей при старении кон­денсаторов, а параллельно с каждым конденсатором желательно включить по рези­стору с одинаковыми номинальными сопротивлениями, которые будут выравнивать напряжения на конденсаторах.

Однофазный умножитель напряжения

Для получения из относительно низкого пе­ременного напряжения питающей сети в несколько раз более высокое выпрямлен­ное напряжение используют умножители с большим числом диодов и конденсаторов. Увеличить напряжение можно в определенное целое число раз, что отражает коэффициент умножения. Принципиальная схема однофазного умножите­ля переменного напряжения с коэффициентом умножения 5 показана на рис. 2.

2

Поскольку выходное напряжение рассматриваемого умножителя напряжения в пять раз выше входного, говорят, что коэффициент умножения равен 5.

Читайте также:  Как убрать перепады напряжения

Изучим принцип действия умножителя напряжения, пренебрегая падением на­пряжения на диодах в прямом включении. Напряжения на вторичной обмотке тран­сформатора могут быть неравны условно при положительной и при отрицательной полярности, что имеет место в трансформаторе блока строчной развертки, и поэто­му при описании принципа действия будем указывать эти два напряжения, соответ­ственно как U1 и U2, отдельно. На вход умножителя с вторичной обмотки транс­форматора ТV1 поступает переменное напряжение, причем положительное напря­жение U1 приложено к конденсатору С1, а отрицательное — к катоду диода VD1 и конденсатору С2. Конденсатор С1 заряжается через открытый диод VD1 до на­пряжения U1.

При смене полярности напряжения на вторичной обмотке трансформатора ТV1 диод VD1 заперт. Ток течет по цепи от вторичной обмотки трансформатора ТV1, через конденсатор С2, диод VD2, конденсатор С1 и притекает во вторичную обмот­ку трансформатора. Конденсатор С2 заряжается до напряжения, равного сумме об­ратного напряжения U2 на вторичной обмотке трансформатора ТV1 и напряжения на заряженном конденсаторе С1, т.е. U1 + U2.

При новой смене полярности питающего переменного напряжения диод VD2 закрывается, а диод VDЗ открывается, и через него заряжается конденсатор СЗ. К правой обкладке конденсатора СЗ приложена сумма напряжений на заряженном конденсаторе С2 и на вторичной обмотке трансформатора, т.е. U1+(U1+U2), а к левой обкладке приложено напряжение -U1 с заряженного конденсатора С1. Пос­кольку оба приложенных к обкладкам конденсатора напряжения направлены встречно, конденсатор СЗ заряжается до разности напряжений: UСЗ = U1+(U1+U2)-U1 = U1+U2.

При очередной смене полярности переменного напряжения на вторичной об­мотке трансформатора ТV1 диод VDЗ закрывается, а диод VD4 открывается. Через открытый диод VD4 заряжается конденсатор С4. К правой обкладке конденсатора С4 приложено напряжение заряженных конденсаторов С1 и СЗ, а к левой — напря­жение на конденсаторе С2 и напряжение U2 с вторичной обмотки трансформатора ТV1. Эти два напряжения направлены встречно, поэтому напряжение на конденса­торе С4 можно найти следующим образом: UС4= U1+U1+U2-(U1+ U1-U2)=U1+U2.

При следующей смене полярности переменного напряжения на обмотке транс­форматора ТV1 диод VD4 закрывается, а диод VD5 открывается, и через него заря­жается конденсатор С5. Напряжение на конденсаторе С5 — это разность между приложенными к его обкладкам напряжениями U1+UC2+UС4 и UC1+UCЗ, что можно записать в виде формулы: UC5 = U1+U1+U2+U1+U2-(U1+U1+U2) = U1+U2.

Как видим, к конденсаторам C2, CЗ, С4 и C5 приложено напряжение U1 + U2, а напряжение, приложенное к нагрузке умножителя, равно сумме напряжений на конденсаторах С1, СЗ и С5 ввиду того, что они включены последовательно. Напря­жение на нагрузке будет равно: URн = U1+U1+U2+U1+U2 = 3U1 + 2U2.

Обычно конструктивно умножители напряжения представляют собой соеди­ненные определенным образом диоды и конденсаторы, залитые эпоксидным компа­ундом и выполненные в виде монолитного компонента.

Умножители напряжения используют для получения высокого напряжения, ко­торым, например, питают второй анод кинескопа телевизионного приемника с элек­тронно-лучевой трубкой. В таких умножителях напряжения обычно применяют пять диодов и четыре конденсатора или пять конденсаторов и шесть диодов. Кроме того, умножители напряжения в телевизорах вырабатывают напряжение, подаваемое на фокусирующий электрод кинескопа. С этой целью в корпусе умножителя напряжения предусмотрен специальный вывод.

Читайте также:  Какое напряжение у заряженного аккумулятора для ибп

Зачастую в каскадах строчной развертки телевизоров используют не отдельные умножители напряжения, а высоковольтные трансформаторно-выпрямительные блоки. Такие блоки содержат залитые компаундом диоды, конденсаторы и строч­ный трансформатор. Использование монолитного умножителя напряжения вместо высоковольтного трансформатора позволяет повысить надежность изделия ввиду отсутствия внешних соединений высоковольтных цепей и меньшего напряжения между обмотками трансформатора.

Достоинство умножителя напряжения: напряжение на всех конденсаторах, ис­ключая первый, равно сумме напряжений на вторичной обмотке трансформатора при его положительной и отрицательной полярности.

Недостатки:

  • требуется большое количество диодов, число которых зависит от желаемого коэффициента умножения;
  • необходимо использовать запасающие энергию конденсаторы;
  • частота пульсации выходного напряжения равна частоте питающей сети.

Источник

УМНОЖИТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЯ

УМНОЖИТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЯ

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 Uа. Когда к входу умножителя приложено напряжение положительного полупериода, конденсатор С2 через открытый диод VD2 заряжается до напряжения 2Uа. Во время следующего этапа — отрицательного полупериода — через диод VD3 до напряжения 2Uа заряжается конденсатор С3. И, наконец, при очередном положительном полупериоде до напряжения 2Uа 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 4Uа.

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.

Читайте также:  Чтобы электроприборы были защищены от перепадов напряжения

На рис. 3 и 4 приведены схемы двухполупериодных умножителей. К достоинствам первого (рис. 3) следует отнести следующие: к конденсаторам С1, С3 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.

При расчете умножителя следует задать его основные параметры: выходное напряжение, выходную мощность, входное переменное напряжение, требуемые габариты, условия работы (температура, влажность). В таблице приведены типовые значения параметров и область применения умножителей напряжения.

Выходное напряжение, В Выходная мощность, Вт Типовые значения входного напряжения, В Однополу-
периодный умножитель
Двухполу-
периодный умножитель
1000 200 200. 500
500
500
+


+
+
2500 200 250. 500
1000
1000
+


+
+
5000 200 250. 2500
2500
2500
+


+
+
10000 200 2500. 5000
5000
5000
+


+
+
20000 200 2500. 10000
5000. 10000
5000. 10000
+


+
+
30000 200 2500. 10000
5000. 10000
5000. 10000
+


+
+
50000 100 5000. 10000
5000. 10000
5000. 15000
+


+
+
75000 = 30 7500. 15000
более 5000
+


+
100000 = 30 7500. 15000
более 5000
+


+
150000 = 30 7500. 15000
более 5000
+

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 град. 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 Uвх — [ I ( N 3 + 9 N 2 / 4 + N / 2 ) / 12 F C , где I — ток нагрузки, А; 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.

Источник

Мощность и напряжение © 2021
Внимание! Информация, опубликованная на сайте, носит исключительно ознакомительный характер и не является рекомендацией к применению.