Как работает умножитель напряжения – Умножитель напряжения: принцип работы и схемы

Умножитель напряжения: принцип работы и схемы

Содержание:

1. Общие сведения об умножителях напряжения
2. Принцип работы
3. Примерный расчет схемы умножителя
4. Видео

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 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.

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 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.

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.

electric-220.ru

Как работает умножитель напряжения — Меандр — занимательная электроника

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.

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.

Рис. 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.

Рис. 2

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

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.

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.

Возможно, вам это будет интересно:

meandr.org

принцип работы, расчет схемы :: SYL.ru

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 емкость конденсаторов.

www.syl.ru

Инверторы, умножители напряжения: схемы, принцип работы, диаграммы

Инверторы— это устройства, преобразующие постоянный ток в переменный. Изобразим упрощенную схему инвертора на биполярных транзисторах (рис. 2.87), где имеет место соотношение u_c1 = u_c2 = ½ u_вх

В схеме часто используют электролитические конденсаторы (большой емкости). Транзисторы работают в ключевом режиме:

включаются и выключаются поочередно. На выходе схемы возникает переменное напряжение.

Умножители напряжения 

Умножители напряжения преобразуют переменное напряжение в постоянное, причем выходное постоянное напряжение значительно превышает амплитуду входного переменного напряжения. Различают симметричные и несимметричные умножители напряжения.

Рассмотрим схему симметричного удвоителя напряжения (схему Латура) (рис. 2.88). Диоды включаются в разные полупериоды входного напряжения. В те полупериоды, когда u_вх< 0, включается диод D₁ и заряжается конденсатор С₁ в другие полупериоды (u_вх< 0), включается диод D₂ и заряжается конденсатор С₂.
Напряжения на конденсаторах при холостом ходе приближаются к амплитудному значению U_вx.m входного напряжения, поэтому u_вых= 2U_вx.m
Схема несимметричного удвоителя напряжения имеет вид, показанный на рис. 2.89.
В отрицательные полупериоды входного напряжения (u_вх< 0) через диод D₁ заряжается конденсатор С₁ до амплитудного значения входного напряжения, а в положительные полупериоды (u_вх> 0) через диод D₂ под действием суммы напряжений u_вхи u_c1, действующих согласно, заряжается конденсатор С₂ до удвоенного амплитудного значения входного напряжения.

Аналогичным образом строят утроители (рис. 2.90, а), учетверители (рис. 2.90, б) и другие умножители напряжения.
В этих схемах напряжение на конденсаторе С₁ равно амплитудному значению входного напряжения, а на всех остальных конденсаторах — удвоенному амплитудному значению входного напряжения. Входное напряжение на такие умножители поступает обычно с вторичной обмотки трансформатора, и тогда такое устройство называют выпрямителем с умножением напряжения. Обычно они применяются в высоковольтных выпрямителях, потребляющих небольшой ток (единицы миллиампер), например для питания кинескопов телевизоров.

Рассмотренные ранее выпрямители являлись нерегулируемыми, так как величина выходного постоянного напряжения однозначно определялась входным напряжением выпрямителя.

Управляемые выпрямители позволяют регулировать выходное напряжение. Они, как правило, построены на основе однооперационных (обычных, незапираемых) тиристоров.

Для примера рассмотрим схему однофазного двухполупериодного управляемого выпрямителя со средней точкой (рис. 2.91).

 

Однофазного двухполупериодного управляемого выпрямителя

Если импульсы управления подаются сразу после появления на тиристорах положительных напряжений, то схема будет работать точно так же, как схема на диодах.
Изобразим временную диаграмму выходного напряжения для случая, когда импульсы управления подаются с некоторой задержкой по отношению к указанным моментам времени (рис. 2.92, жирная линия).
Через t_вкл обозначена указанная выше задержка. Часто временные диаграммы подобных схем изображают, откладывая по горизонтальной оси не время t, а величину ωt (ω — круговая частота). Тогда указанной задержке соответствует определенный угол α_вкл сдвига по фазе между напряжением на тиристоре и импульсами управления, причем α_вкл = ω · t_вкл
Угол α_вкл называют углом управления. Для рассматриваемой схемы угол управления, как легко заметить, может изменяться в пределах от 0 до π (от 0 до 180 град.). Чем больше угол управления, тем меньше среднее напряжение на выходе выпрямителя.

Пунктиром изображена временная диаграмма, соответствующая отсутствию задержки.

pue8.ru

мир электроники — Умножитель напряжения

Электронные устройства

  материалы в категории

Ну многие, наверняка, слышали такое слово: умножитель. Некоторые даже знают как он выглядел в старых телевизорах… Да чего там знают: даже и меняли сами когда-то…

А вот как работает умножитель напряжения сейчас мы и разберемся.

---

Ну в общем-то по самому названию «умножитель напряжения» и так понятно что так  называют устройство, на выходе которого можно получить напряжение, в любое число раз превышающее напряжение на его входе.

Кстати: выпускаемые промышленность умножители так и маркировались: указывался  коэффициент умножения и выходное напряжение. Например УН9/27 обозначает: умножение в 9 раз, на выходе 27 кВольт.

Еще один момент: умножить можно лишь переменное напряжение, но на выходе мы получим уже постоянное. Другими словами, умножитель — это устройство, преобразующее переменное напряжение в постоянное, превышающее амплитуду входного переменного напряжения. К числу достоинств можно отнести небольшие габариты и массу, стабильность работы. К недостаткам же относятся низкий ток нагрузки, небольшой КПД и, как следствие, небольшая мощность. Умножители напряжения чаще применяют в устройствах, где не требуется значительный ток в нагрузке, но важно высокое напряжение. Самый яркий пример- применение умножителя в кинескопных телевизорах: с его помощью получают напряжение для аквадага кинескопа (25 кВ) и напряжение для фокусировки кинескопа (около 8 кВ).

Итак, начнем с простого: удвоитель напряжения. Схема на рисунке ниже:

В отрицательный полупериод входного напряжения конденсатор С1 заряжается до амплитудного значения входного напряжения — U_m.
Во время положительного полупериода начинает заряжаться С2 до значения U_C2 = U_m + U_C1 = 2U_m, т. е. на выходе получается удвоенное значение амплитуды входного напряжения. Все очень просто.

Если прилепить еще один диод с конденсатором, то получится утроитель напряжения:

В положительный полупериод С1 заряжается через VD1 до значения U_m. В следующий полупериод С2 заряжается через VD2 до значения, равного сумме напряжений на конденсаторе С1 и U_m, т. е. U_C2 = U_C1 + U_m = 2U_m.
В следующий (третий) положительный полупериод, когда прошла повторная зарядка С1 через диод VD1, диод VD2 закрывается, кондер С2 разряжается через диод VD3 на С3, зарядив последний до 2U_m, т. е. до удвоенного амплитудного значения. По окончанию заряда С1 нагрузка окажется под суммарным напряжением кондеров С1 и С3.
Поскольку на С3 удвоенное значение напряжения, на нагрузке выделяется напряжение U_вых = U_C1 + U_C3 = 3U_m.

Ну и так далее: добавляя по диоду с конденсатором получаем следующий коэффициент умножения.

Внимание: до амплитудного значения напряжения заряжается только первый конденсатор.
На каждом последующем напряжение больше на величину входного. Другими словами, необходимо обеспечить защиту схемы от электрического пробоя, т. е. использовать диоды и конденсаторы на соответствующее напряжение.

radio-uchebnik.ru