Статьи
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 [1, 2]. В устройствах из [1, 2] 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. 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 [1] использовать не учетвери-тель, а удвоитель напряжения. Простой удвоитель напряжения показан на рис.2. В схеме из [2] 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 radiopolyus.ru В современных электронных аппаратурах умножители напряжения нашли широкое применение. Умножитель напряжение - это устройство которое позволяет получить от переменного напряжение - высоковольтное постоянное. Умножители напряжения нашли широкие применения в самых разных аппаратах, где нужно иметь высокое напряжение. В основном умножители используют в телевизионной технике, в электрошоковых устройствах, в медицинских приборах и во многом другом. Умножитель напряжения состоит из конденсаторов и диодов, для получения напряжения свыше киловольта, нужно использовать специальные высоковольтные диоды и неполярные конденсаторы. В современной электронике существует несколько типов применяемых умножителей напряжения это последовательные у параллельные умножители напряжения. Умножители напряжение могут повышать переменное входное напряжение в десятки раз, на выходе умножителя образуются высоковольтные импульсы постоянного тока. Умножитель низковольтного напряжения (на выходе меньше киловольта) могут состоять из конденсаторов постоянного тока. Главный недостаток умножителей напряжения - это маленькая сила тока на выходе, также если в умножитель напряжение добавить слишком много секций конденсаторов, то в таком случае последние секции не будут нормально заряжаться и напряжение на выходе может быть ниже ожидаемого. Умножитель напряжения, или генератор Кокрофта-Уолтона был назван в честь двух изобретателей, которые в 1932 году построил первый умножитель напряжения. Генератор был сооружен для исследования в ядерной физике, за что и изобретатели в 1951 году получили нобелевскую премию. Но иногда создателя умножителя напряжения считают швейцарского физика Генриха Грейнахера. Обычно на вход напряжение подаётся с выхода высокочастотного трансформатора и повышается до нужной величины в генераторе Кокрофта-Уолтона. Умножители напряжения также применяются в лазерной технике также для подсветки больших дисплеях. Радиолюбителями умножитель очень часто применяется в высоковольтных конструкциях, например в люстре Чижского, самодельных электрошокерах, в ионизаторах воздуха, счётчиках Гейгера. В последнее время маленькие умножители напряжение стали использовать в электронных устройствах для питания микросхем. Умножитель по сравнениями с другими видами преобразователей напряжения работает бесшумно, выделение тепла на нем не наблюдается, но мощность на выходе слишком маленькая. Пожалуй с ознакомлением умножителей напряжения достаточно, думаю принцип его работы и области применения понятны, по возникшим вопросам обращайтесь на форум - Артур Касьян (АКА). Форум по радиолюбительской теории Обсудить статью УМНОЖИТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ radioskot.ru До недавнего времени умножители напряжения недооценивали. Многие разработчики рассматривают эти схемы с точки зрения ламповой технологии, и поэтому упускают некоторые прекрасные возможности. Хорошо известно, каким удачным решением стало применение утроителей и учетверителей напряжения в телевизорах. К счастью, нам не надо решать задачи, касающиеся рентгеновского излучения в ИИП, но схема умножения напряжения часто может быть полезна для дальнейшего сокращения габаритов после того, как достигнут очевидный предел обычными методами, использующими высокочастотную коммутацию и удалены трансформаторы, работающие с частотой 60 Гц. В других случаях умножители напряжения могут обеспечить изящный способ получения дополнительного выходного напряжения, используя одну вторичную обмотку трансформатора. Многие учебники подробно останавливаются на недостатках умножителей напряжения. Утверждается, что у них плохая стабильность напряжения и они слишком сложны. Констатация этих недостатков имеет под собой почву, но основана она на опыте применения ламповых схем, которые всегда работали с синусоидальными напряжениями с частотой 60 Гц. Свойства умножителей напряжения значительно улучшаются, когда они работают с прямоугольными, а не с синусоидальными напряжениями, и особенно при работе с высокими частотами. При частоте переключения 1 кГц, и тем более при 20 кГц, умножитель напряжения заслуживает переоценки его возможностей. Учитывая, что для прямоугольного колебания пиковое и среднее квадратичное значение равны, конденсаторы в схеме умножителя имеют намного большее время накопления заряда, по сравнению со случаем синусоидальных колебаний. Это проявляется в повышении стабильности напряжения и улучшении фильтрации. Известно, что очень хорошая стабильность возможна и при синусоидальном напряжении, но только за счет конденсаторов большой емкости. Некоторые полезные схемы умножителей напряжения показаны на рис. 16.4. Два различных изображения одной и той же схемы на рис. (А) показывает, что способ начертания схемы может иногда вводить в заблуждение. Хотя стабильность теперь не является большой проблемой в умножителях напряжения, очень хорошая стабильность вовсе не обязательна в системе, где об окончательной стабилизации выходного постоянного напряжения позаботятся один или несколько контуров обратной связи. В частности, некоторые умножители напряжения очень хорошо работают при 50-процентном рабочем цикле инвертора. Соответствующие умножители напряжения рекомендуются в качестве нестабилизированного источника питания, обычно предшествующего схеме стабилизации с петлей обратной связи. Как правило, такое использование связано с преобразователем постоянного напряжения в постоянное. Например, напряжение сети с частотой 60 Гц можно выпрямить и удвоить. Затем это постоянное напряжение используется в мощном преобразователе постоянного напряжения в постоянное, который можно выполнить в виде импульсного стабилизатора. Заметьте, что этот метод дает возможность получить высокое выходное напряжение без трансформатора, работающего на частоте 60 Гц. Умножитель напряжения облегчает создание хорошего инвертора. Трансформатор инвертора лучше всего работает с коэффициентом трансформации около единицы. Значительные отклонения от этой величины, особенно при повышении напряжения, часто приводят к появлению достаточно большой индуктивности рассеяния в обмотках трансформатора, что вызывает неустойчивую работу инвертора. Так, те, кто экспериментировали с инверторами и преобразователями хорошо знают, что наиболее вероятным сбоем в работе даже простой схемы являются колебания, частота которых отличается от расчетной. А индуктивность рассеяния может легко привести к разрушению переключающих транзисторов. Этой проблемы можно избежать, применяя умножитель напряжения, чтобы использовать трансформатор с коэффициентом трансформации около единицы. Рис. 16.4. Схемы умножителей напряжения. Обе схемы на рис. (А) электрически идентичны. Обратите внимание на допустимые и запрещенные варианты заземления различных цепей – в некоторых случаях генератор и нагрузка не могут использовать одну и ту же точку заземления. Когда мы имеем дело с напряжениями синусоидальной формы, следует помнить, что умножители напряжения оперируют с пиковым значением напряжения. Таким образом, так называемый удвоитель напряжения, работающий с входным напряжением, имеющим эффективное значение 100 В, даст на выходе напряжение холостого хода 2 х 1,41 х 100 = 282 В. Таким образом, если емкость конденсаторов велика, а нагрузка относительно небольшая, то результат больше похож на утроение входного эффективного значения напряжения. Подобное рассуждение справедливо и для других умножителей. Если принять равными емкости всех конденсаторов и синусоидальное напряжение на входе, то умножители напряжения должны иметь величину (ocr не менее 100, где (0=2К /, рабочая частота выражена в герцах, емкость в фарадах, а – эффективное сопротивление в омах, соответствующее самой низкоомной нагрузке, которая может быть подключена. В этом случае выходное напряжение составит не менее 90% от максимально достижимого постоянного напряжения и будет относительно слабо изменяться. Для напряжения прямоугольной формы величина cocr может быть значительно меньше 100. При выборе схемы умножения напряжения следует уделить внимание заземлению. На рис. 16.4, символ генератора обычно представляет вторичную обмотку трансформатора. Заметьте, что если один из выводов нагрузки должен быть заземлен, то в однополупериодных схемах возможно заземление одного вывода трансформатора, а в двухполупериодных вариантах нет. Двухполупериодные схемы удобны для получения источников с двуполярным выходом, у которых один выход имеет положительный потенциал относительно земли, а другой – отрицательный, и на каждом выходе имеется половина полного выходного напряжения. Схемы, показанные на рис. 16.4(A), идентичны и являются двухполупериодными выпрямителя с удвоением напряжения. Схема на рис. В представляет собой однополупериодный выпрямитель с удвоением напряжения. Схема рис. С работает как однополупериодный утроитель. Двухполупериодный учетверитель показан на рис. D, а однополупериодный учетверитель на рис. Е. Подобные умножители напряжения, находят широкое применение в телевизионных источниках питания обратного хода, обеспечивающих кинескопы высоким напряжением. Они используются также в счетчиках Гейгера, лазерах, электростатических сепараторах и т.д. Хотя двухполупериодные умножители напряжения имеют лучшую стабильность и меньшие пульсации, чем однополупериодные, практически различия становятся небольшими, если используются прямоугольные колебания высокой частоты. Используя конденсаторы большой емкости, всегда можно улучшить стабильность напряжения и уменьшить пульсации. Вообще, при частоте 20 кГц и выше, наличие у однополупериодных умножителей общей точки заземления оказывает определяющее влияние на выбор конструктора. Соединяя большое число элементарных каскадов, можно получать очень высокие постоянные напряжения. Хотя этот способ не нов, реально осуществить его, используя полупроводниковые диоды, оказалось проще, чем с прежними ламповыми выпрямителями, которые осложняли задачи изоляции и стоимости из-за цепей накала. Два примера многокаскадных умножителей напряжения показаны на рис. 16.5. Они умножают амплитудное значение входного переменного напряжения в восемь раз. В схеме на рис. 16.5А, ни на одном конденсаторе напряжение не превышает величины 2К Отличительной особенностью схемы, изображенной на рис. 16.5В является общая точка земли для входа и выхода. Однако номинальные напряжения конденсаторов должны постепенно повышаться по мере того, как они приближаются к выходу схемы. Хотя при частоте 60 Гц это приводит к увеличению габаритов и стоимость, но при высоких частотах эти недостатки менее чувствительны. Диоды в обеих схемах должны выдержать пиковое входное напряжение Е, но для надежности следует применять диоды с номинальным напряжением, по крайней мере, в несколько раз выше, чем Е, В этих схемах обычно используются конденсаторы, имеющие одинаковые емкости. Чем больше емкость конденсаторов, тем лучше стабильность и меньше пульсации. Однако конденсаторы большой емкости накладывают повышенные требования к диодам в отношении максимальных значений токов. Схема, показанная на рис. 16.6, оказалась очень полезной для применения в электронике. Заметьте, что она работает от однополярной последовательности импульсов. Это схема умножителя напряжения Кок-рофта-Уолтона, которая часто встречается в литературе. Хотя все конденсаторы могут иметь одну и ту же емкость и одно и то же номинальное напряжение Е, но лучше воспользоваться следующим подходом: Сначала рассчитываем емкость выходного конденсатора где /q — выходной ток в амперах, а / – длительность однополярного импульса в микросекундах. Пусть в качестве примера = 40 мА. Если Вы принимаете, что частота равна 20 кГц, то t составляет половину величины обратной 20 кГц, или В качестве напряжения V принимается максимальная величина пульсаций. Разумной можно считать величину 100 мВ, тогда Рис. 16.5. Два варианта многокаскадного умножителя напряжения. (А) В этой схеме ни на одном конденсаторе нет напряжения выше 2Е. (В) Особенностью этой схемы является общая точка заземления для входа и выхода. По мере приближения ко входу схемы емкость конденсаторов постепенно увеличивается в несколько раз по сравнению с емкостью последнего конденсатора С^. Эти вычисления простые, но могут оказаться неверными, если на них не обратить пристального внимания. Отметьте числа, стоящие рядом с конденсаторами в схеме на рис. 16.6. Это коэффициенты, на которые надо умножать емкость С^, чтобы получить фактическую величину емкости. Таким образом, емкость конденсатора, обозначенного номером 2 равна 2С^ или в нашем примере 10 мкФ х 2 =20 мкФ. Конденсатор имеет емкость 5С^ или 50 мкФ. А первый конденсатор имеет емкость IIС^ или ПО мкФ. Откуда берутся эти числа? Они представляют относительные значения токов вдоль цепи. Если рядом с конденсаторами нет чисел, показанных на рис. 16.6, Вы можете определить их, используя выражение (2/1-1). Здесь п представляет коэффициент умножения входного напряжения. Очевидно, что в умножителе на шесть л = 6. Вы начинаете с входного конденсатора и находите, что 2п—\ = 11. Затем продолжаете вдоль нижнего ряда конденсаторов, получая последовательно 2/1-3, 2/2-5, 2/1-7, 2/2-9 и, наконец, для – (2/2-11). Затем, следуя этой процедуре, начинаем с первого конденсатора слева в верхнем ряду. На сей раз, множители С^, следующие: 2/2-2, 2/2-4, 2/2-6, 2/2-8 и, наконец, для правого замыкающего конденсатора 2/2-10. Рис. 16.6. Умножитель напряжения на шесть, работающий от источника однополярных импульсов. Назначение чисел рядом с конденсаторами объяснено в тексте. То, что конденсаторы около входа имеют большую емкость, чем те, которые ближе к выходу, связано, с перекачкой заряда, который естественно должен быть достаточно большим на входе. В течение одного цикла происходит 2/2—1 переносов заряда. При каждом из таких переносов, происходит естественная потеря энергии. Эти потери энергии минимальны, если емкости конденсаторов рассчитаны так, как было сказано выше. Первое испытание любого умножителя напряжения должно проводиться с переменным автотрансформатором или с каким-нибудь другим устройством, позволяющим плавно повышать входное напряжение. В противном случае скачком тока могут быть разрушены диоды. Строгость соблюдения этого правила зависит от таких факторов, как емкость конденсаторов, уровень мощности, частота, ESR конденсаторов и, конечно, номинальный пиковый ток диодов. Возможно, на входе умножителя необходимо поместить терморезистор, или резистор, включаемый с помощью реле. С другой стороны, во многих случаях можно обойтись вообще без защиты, потому что вполне доступны диоды, работающие с большими пиковыми токами. Иногда, защита «невидима», например, трансформатор на входе просто не может обеспечить большой скачок тока. При работе с высокими напряжениями величина прямого падения напряжения на диодах не существенна. При низком напряжении накапливающееся падение напряжения на диодах может помешать достижению требуемого выходного напряжения и существенно понизить к.п.д. умножителя напряжения. Следует убедиться, что время обратного восстановления диодов совместимо с частотой входного напряжения. Иначе, рассчитанный коэффициент умножения напряжения будет «загадочно» отсутствовать. nauchebe.net В последнее время радиолюбители все чаще и чаще интересуются схемами питания построенным по принципу умножения напряжения. Причин этому можно назвать много, одни из самых главных – появление на рынке малогабаритных конденсаторов большой емкости и резкое удорожание медного провода, использовавшегося при намотке трансформаторов. Немаловажно и то, что схемы с умножением напряжения позволяют значительно снизить вес и габариты аппаратуры. Однако многие попытки выбора радиолюбителями таких схем заканчиваются неудачей, поскольку не соблюдаются несколько непременных условий для достаточно надежной и качественной работы таких, казалось бы, простых схем. Для того чтобы понять, как правильно выбрать схему и элементы умножителя, рассмотрим принципы работы таких устройств. Схемы умножителей напряжения разделяются на симметричные и несимметричные. Для начала рассмотрим принцип работы и построения несимметричных схем. Несимметричные схемы умножителей подразделяются на два типа: Схемы умножителей первого рода и схемы умножителей второго рода. Схема умножения первого рода представлена на рисунке. В полупериод напряжения, когда в точке “А” имеется отрицательный потенциал относительно точки “F” конденсатор С1 будет заряжаться по цепи “F” -VD1 –“B” - С1 –“A” до амплитудного значения напряжения на входе схемы ( в точках “А” –“F”). Одновременно с зарядом С1 будет также заряжаться конденсатор С3 по цепи “F” –VD1 –“B” – VD2 – “C” - VD3 –“D” – C3 – “A” также до амплитудного значения напряжения на входе схемы. Также будут заряжаться и другие конденсаторы схемы умножения, которые могут быть и которые подключены одним выводом к точке “А”. Обратим внимание на то, что все эти конденсаторы заряжаются по цепочке последовательно соединенных диодов. Через диод VD1 течет ток заряда конденсаторов всех ступеней умножения, через диоды VD2, VD3 и далее – ток заряда всех остальных конденсаторов, подключенных одним выводом к точке “А”, кроме первого. Таким образом, через диоды в первоначальный момент проходят значительные токи заряда емкостей. Это необходимо учесть при выборе элементов для схемы умножения. Конденсаторы С2 и все которые могут быть в других ступенях и подключаются одним выводом к точке “F” в этот полупериод не заряжаются, поскольку оказываются шунтироваными парами диодов VD1-VD2, VD3-VD4 и далее VD(N)-VD(N+1). С началом другого полупериода положительный потенциал будет в точке “А”. Поскольку конденсатор С1 уже заряжен до такого же потенциала, как максимальный Uo, то он оказываются включенным последовательно с источником питания и будут разряжаться по цепи “В” - VD2 –“С” - С2 –“F” – Источник – “А” . Поскольку конденсатор С2 был разряжен, то теперь он зарядится почти до удвоенного амплитудного напряжения Uo. “Почти” потому, что С1 за этот небольшой промежуток времени отдаст часть своего заряда конденсатору С2. Если емкость конденсатора С1 намного больше емкости конденсатора С2, то С2 зарядится до удвоенного амплитудного значения напряжения Uo. Если емкости этих конденсаторов равны, то все равно, через несколько периодов напряжение на конденсаторе С2 достигнет удвоенного Uo. Аналогично, по цепи “D” –VD(N) – “E” - C(N) – “F” – Источник – “А” произойдет заряд конденсатора С(N) до удвоенного напряжения Uo. В следующий полупериод напряжения конденсатор С2, заряженный до удвоеннного напряжения Uo, будет включен последовательно и по цепи “С” – VD3 –“D”- C3 – “А” – Источник – “F” зарядит конденсатор С3 почти до утроенного напряжения Uo. А конденсатор С1 будет подзаряжен до напряжения Uo. В следующий полупериод конденсатор С2 будет заряжен так же как уже было описано, до удвоенного напряжения, а конденсатор С(N) будет заряжен по цепи D – VD(N) – E – C(N) –F – Источник – А – С3. Причем за счет утроенного напряжения на конденсаторе С3 и напряжения на входе конденсатор С(N) зарядится до учетверенного Uo. Если наращивать ступени умножения и дальше, их работа ничем не будет отличаться от работы первых стtпеней умножения. Следует отметить, что в один из полупериодов будут заряжаться конденсаторы, подключенные одним выводом к точке “А”, а в другой – конденсаторы, подключенные одним выводом к точке “F”, поэтому частота пульсаций на выходе схемы умножения первого рода равна частоте питающего напряжения. Минимально допустимую величину конденсатора на выходе схемы умножения С(N) можно посчитать, исходя из заданного уровня пульсаций выпрямленного напряжения. Для начала определим сопротивление нагрузки: Rн (Ком) = Uвых (В) / Iн (mA) Для питания анодной цепи усилителя мощности на 3-х ГУ-50 зададим: напряжение на выходе умножителя 1200 Вольт при токе 400 мА. Подставляя данные в формулу, получим сопротивление нагрузки выпрямителя Rн = 3 Ком. (Далее все практические расчеты будут сделаны именно для усилителя этого типа.) Теперь определим емкость конденсатора на выходе схемы умножения. С(n) = 5,7 / Kп* Rн ( мкф) Для усилителей мощности КВ радиостанций, работающих в телеграфном режиме, коэффициент пульсаций выбирается в пределах 0,5 – 3,0 % Для передатчиков ,работающих в SSB коэффициент пульсаций должен быть значительно ниже. Выберем Кп = 0, 1% , тогда: С(n) = 19 мкф (выберем 20 мкф) Для того, чтобы получить как можно более пологую статическую характеристику важно соблюдать определенные пропорции в емкостях конденсаторов, которые обеспечат равенство энергий, накапливаемых каждым конденсатором при работе на реальную нагрузку. Наилучшие результаты дает ряд емкостей, для которого: С(N) = M * С(n) Где: C(N) –емкость конкретного конденсатора, С(n) – емкость конденсатора на выходе схемы, М – коэффициент увеличения емкости, определяемый по таблице: Номер конденсатора по схеме Кратность умножения напряжения Конкретный номинал для усилителя на 3- х лампах ГУ- 50 при Uвых =1200В Iвых =0,4А 5 4 3 2 С1 25 16 9 4 320 Х 300 В С2 6,25 4 2,25 1 80 Х 600 В С3 2,78 1,78 1 - 35,6 Х 900 В С4 1,56 1 - - 20 Х 1200 В С5 1 - - - - Несимметричная схема умножения второго рода. Принцип работы этого умножителя аналогичен работе умножителя первого рода. Основное отличие заключается в том, что в этой схеме все конденсаторы за исключением С1 заряжаются только до удвоенного напряжения Uo. Конденсатор С1 заряжается только до Uo. Таким образом рабочее напряжение конденсаторов и диодов в умножителе напряжения второго рода может быть значительно ниже, чем в умножителе первого рода. “Пусковой” ток через диоды в этой схеме тоже меньше, поскольку определяется емкостью только одного конденсатора С1. Диоды могут быть выбраны с током Iпр. = 2,1 * Iн = 2,1 * 0,4 = 0, 82 А Необходимая емкость конденсаторов в этой схеме определяется по формуле: С (мкф) = 2,85 * N / Кп*Rн = 2,85* 4 / 3*0,1 = 38 мкф Несмотря на увеличение каждой емкости в два раза, общая емкость конденсаторов в такой схеме будет меньше, при тех же пульсациях. Необходимо только увеличить емкость конденсатора С1 в 4 раза по сравнению с остальными. Хотя в большинстве случаев достаточно и двух-трехкратное увеличение емкости конденсатора С1. О включении нагрузки в такой схеме: При четном количестве ступеней умножения (например 2,4,6,8 и т.д.) напряжение на нагрузку снимается с конденсаторов с четными номерами ( точки “С” “Е” и т.д.) Если необходимо получить нечетное количество ступеней умножения (3,5,7 и т.д.) Нагрузка подключается к конденсаторам с нечетными номерами (точки “А”, “D” и т.д. Симметричные схемы умножителей напряжения. Симметричная схема умножения напряжения получается, если применить две несимметричных схемы, у одной из которых необходимо сменить полярность электролитических конденсаторов и изменить проводимость диодов. Симметричные схемы обладают теми же свойствами, но лучшими характеристиками. Немаловажное достоинство симметричных схем – удвоенная частота пульсаций выпрямленного напряжения. Практические схемы умножителей напряжения: Схемы самые обычные, слева схема симметричного удвоителя, справа –схема несимметричного удвоителя. Как видно эту схему удвоения можно отнести и к 1-му роду и ко 2-му роду одновременно. Внизу схема умножения напряжения первого рода, вверху - схемы умножения второго рода. Схемы с нечетной кратностью умножения не могут быть полностью симметричными. Слева (вверху и внизу) схемы умножения первого рода, справа вверху – схема умножения второго рода. Справа внизу – схема симметричного умножителя на 4. Умножитель на 6 представляет собой схему умножения второго рода, умножитель на 8 – два последовательно включенных умножителя на 4 первого рода. Если вам нужно получить степень умножения 5 или 7 можно подключить нагрузку к верхнему диоду с левой стороны. Разнообразие схем удвоителей очень велико. Зная основные принципы их построения, можно строить умножители различной кратности умножения. Всего вам доброго! Источник: https://www.cqham.ru/ ingeneryi.info Умножитель напряжения будет проще понять, если начать с обычного однополупериодного выпрямителя. В этом выпрямителе, как обычно, напряжение на выходе больше действующего значения переменного напряжения на входе (выходе вторичной обмотки трансформатора) в √2 раз. Выходное напряжение, как правило, уменьшается с ростом тока нагрузки. Для объяснения этого факта лучше всего воспользоваться понятием "постоянной времени", которое описывает скорость заряда и разряда конденсатора C. Постоянная времени заряда невелика, ибо конденсатор заряжается в цепи, в которой ток течёт последовательно через вторичную обмотку трансформатора, резистор R и диод D. (Резистор R установлен для ограничения импульсного тока через диод. Общее сопротивление всех перечисленных элементов мало: сопротивление резистора не более 100 Ом, а диод в момент заряда конденсатора пропускает прямой ток, ибо включен в прямом направлении. Разряд конденсатора осуществляется через нагрузку. Её общее сопротивление в сотни раз выше сопротивления зарядной цепи конденсатора. С уменьшением сопротивления разрядной цепи законно увеличивается ток разряда конденсатора и, соответственно, уменьшается выходное напряжение выпрямителя. Описанный выше конденсаторный накопитель энергии используется в выпрямителях с умножением напряжения для увеличения выходного напряжения. Чем больше таких накопителей энергии конденсаторного типа используется в умножителях, тем в большее число раз выходное напряжение умножителя выше выходного амплитудного напряжения вторичной обмотки трансформатора. Существуют различные схемы умножителей. Удвоитель напряжения, утроитель, учетверитель напряжения. Далее мы рассмотрим умножитель напряжения на четыре. Как понятно из определения, это устройство выдаёт на выходе напряжение, в 4 (почти) раза превышающее амплитудное напряжение на входе. Можно заметить, что данный умножитель составлен из двух однополупериодных удвоителей напряжения путём их соединения между собой выводами, противоположными по полярности. На рисунке это явно выделено. Элементы обеих частей имеют одинаковое обозначение и отличаются только наличием штриха в обозначении. Для начала объяснения работы схемы установим, что при включении входное напряжение в точке А имеет отрицательную полярность. Конденсатор С1 при этом через диод D1 заряжается до амплитудного значения переменного напряжения. Следующий полупериод - напряжение меняет свою полярность и в точке А будет положительный потенциал по отношению к другому выводу вторичной обмотки трансформатора. Здесь произойдёт два момента. Конденсатор С2 будет заряжаться от вторичной обмотки через диод D2 и конденсатор С1. При этом он зарядится соответственно двойным напряжением. Ибо С1 последовательно соединён с обмоткой трансформатора. Второй момент - откроется диод D1' и через него до амплитудного значения напряжения вторичной обмотки зарядится конденсатор С1'. Следующая отрицательная полуволна будет заряжать С2' от вторичной обмотки через открытый в этот момент диод D2' и конденсатор С1'. Напряжение на выводах С2', также как и на С2, составит двойное значение входного амплитудного. Всё, с этого момента схема "насытилась" и далее будут чередоваться, если можно так выразиться, два двойных момента. В полупериод, когда открыт диод D2, напряжение конденсатора С1 складывается с напряжением с трансформатора и заряжает С2 до удвоенного напряжения. И тогда же открытый диод D1' заряжает С1'. Когда полярность меняется, через диод D2' до двойного напряжения (С1' и обмотка тр-ра) заряжается C2' и тогда же через диод D1 заряжается конденсатор С1. Выходное напряжение всего устройства равно сумме напряжений конденсаторов С2 и C2', каждый из которых заряжен до удвоенного амплитудного значения переменного напряжения вторичной обмотки трансформатора. (Резисторы R1 и R1' имеют сопротивление десятки Ком и в основном служат для разряда конденсаторов после отключения нагрузки от работающего умножителя. Такое устройство часто встречается в высоковольтных бестрансформаторных блоках питания ламповых радиопередатчиков. В них умножается непосредственно напряжение электросети. katod-anod.ru Эрудированный радиолюбитель должен хотя бы представлять основные (классические схемотехнические) решения. Эта статья вкратце расскажет вам про умножитель напряжения Шенкеля-Вилларда (Вийяра). Применить описанный в нашей статье умножитель напряжения, можно в самых различных электронных устройствах, для самых разнообразных опытов и новаторских разработок. Умножитель напряжения Шенкеля-Вилларда (Вийяра), как схемотехническое устройство (рисунок №1), находит широкое применение в бытовой и медицинской аппаратуре а так же в измерительной технике. Умножители, как правило не заменимы при изготовлении ионизатора воздуха (люстра Чижевского). Основное свойство умножителя напряжения Шенкеля-Вилларда – возможности формировать высокое напряжение при малых габаритных размерах и простоте расчёта. Схема умножителя напряжения Шенкеля-Вилларда (Вийяра) включает в себя диоды VD1 — VD 5, включенные своеобразным образом, и конденсаторы, всё это в совокупности и правильной последовательности преобразовывает напряжение переменного тока низковольтного источника питания в высоковольтное напряжение постоянного тока. Принцип работы схемы достаточно понятен из схемы рисунок №1. Я не стану вам приводить основные формулы и расчёты умножителя напряжения Шенкеля-Вилларда (Вийяра) их можно посмотреть в любом справочнике по аналоговой схемотехнике. Хочу лишь обратить ваше в нимание что работая с высоковольтными схемами вам необходимо выбирать диоды и конденсаторы участвующие в вашей схеме умножителя напряжения Шенкеля-Вилларда (Вийяра) с запасом по току и напряжению а также хорошо их изолировать друг от друга дабы исключить электрический пробой схемы. P.S.: Я постарался наглядно показать и описать не хитрые советы. Надеюсь, что хоть что-то вам пригодятся. Но это далеко не всё что возможно выдумать, так что дерзайте, и штудируйте сайт http://bip-mip.com/ bip-mip.com
Умножитель напряжения Шенкеля-Вилларда (Вийяра) схема. Схемы умножителей напряжения
Умножители напряжения из старых деталей
УМНОЖИТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ
Умножители напряжения схема | Техника и Программы
Принципы построения и работы схем умножения напряжения. » Портал инженера
Умножитель напряжения, схемы умножителей напряжения
Схема умножителя напряжения
Умножитель напряжения Шенкеля-Вилларда (Вийяра) схема |
Применеие умножителя напряжения Шенкеля-Вилларда (Вийяра)
Умножитель напряжения Шенкеля-Вилларда (Вийяра) схема:
Рисунок№1 – Умножитель напряжения Шенкеля-Вилларда (Вийяра) схемаУМНОЖИТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЯ
УМНОЖИТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЯ
В статье описаны основные варианты умножителейнапряжения, применяемых в самых различных электронныхустройствах, и приведены расчетные соотношения. Этотматериал будет интересен радиолюбителям, занимающимсяразработкой 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.
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.
| 1000 | < 5050...200 > 200 | 200...500500500 | + | ++ |
| 2500 | < 5050...200> 200 | 250...50010001000 | + | ++ |
| 5000 | < 5050...200> 200 | 250...250025002500 | + | ++ |
| 10000 | < 5050...200> 200 | 2500...500050005000 | + | ++ |
| 20000 | < 5050...200> 200 | 2500...100005000...100005000...10000 | + | ++ |
| 30000 | < 5050...200> 200 | 2500...100005000...100005000...10000 | + | ++ |
| 50000 | < 3030...100> 100 | 5000...100005000...100005000...15000 | + | ++ |
| 75000 | < 30>= 30 | 7500...15000более 5000 | + | + |
| 100000 | < 30>= 30 | 7500...15000более 5000 | + | + |
| 150000 | < 30>= 30 | 7500...15000более 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 ( N3 + 9 N2 / 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.
Д. САДЧЕНКОВ
г. МоскваРадио №10, 2000
www.radio-schemy.ru
Поделиться с друзьями: