Расчет умножителя напряжения: Умножители напряжения параллельные, последовательные, двухполупериодные, однополупериодные

Умножители напряжения параллельные, последовательные, двухполупериодные, однополупериодные

А не забацать ли нам с утреца электроэффлювиальный излучатель?
Наполнить атмосферу лёгким отрицательным аэроионом —
чтоб не слабее воздуха гор, соснового леса или морского прибоя.

Что ещё надо человеку, чтобы встретить безмятежную старость?

А надо-то всего ничего — фруктовый кефир и источник напряжения на пару-тройку десятков киловольт.

Трансформатор на такие напряжения — штука нешуточная, специфическая, подвластная не каждому энтузиасту.
Значительно более простым решением будет использование умножителей напряжения, находящих место не только в радиолюбительских
поделках, но и широко применяющихся в электронных устройствах промышленного производства.

Происходит это благодаря приятным свойствам умножителей — возможности формировать высокое, до нескольких десятков и сотен тысяч вольт,
напряжение при малых габаритах, массе и простоте расчёта и изготовления.

Приведём основные типы умножителей напряжения.

Рис.1 Рис.2

Изображённый на Рис.1 умножитель напряжения относится к последовательным несимметричным умножителям (или несимметричным умножителям
2-го рода).
Подобные устройства наиболее универсальны, напряжение на диодах и конденсаторах распределены равномерно, можно реализовать большое
число ступеней умножения.

В данной схеме все конденсаторы, за исключением С1, заряжаются до удвоенного амплитудного напряжения 2×U, к конденсатору С1 приложено
амплитудное напряжение U, таким образом, рабочее напряжение конденсаторов и диодов получается достаточно низким.

Необходимая ёмкость конденсаторов в этой схеме определяется по приближенной формуле:

С = 2,85×N×Iн / (Кп×Uвых) = 2,85×N / (Кп×Rн),  Мкф ,
где

N—кратность умножения напряжения;

Iн — ток нагрузки, мА;

Кп — допустимый коэффициент пульсаций выходного напряжения, %;

Uвыx—выходное напряжение, В.

Ёмкость конденсатора С1 должна в 4 раза превышать расчётное значение С.

Максимально-допустимый ток через диоды должен как минимум в 2 раза превышать ток нагрузки Iн.

На Рис.2 приведена схема параллельного несимметричного умножителя (или несимметричного умножителя 1-го рода).
Для этого вида умножителей требуются меньшие значения ёмкостей конденсаторов по сравнению с последовательными аналогами,
однако такой их недостаток, как пропорциональный рост напряжения на конденсаторах с увеличением числа ступеней, ограничивает
их применение в устройствах со значительными величинами выходных напряжений.

При одинаковых выходных токах, величины ёмкостей конденсаторов C4 и C6 в параллельном умножителе меньше, чем в последовательном
кратно количеству ступеней. Так, если в последовательном ёмкость конденсатора С6 — 100 МкФ, то для трёхступенчатого параллельного
умножителя потребуется ёмкость 100 / 3 = 33 МкФ.

Представленная формула расчёта ёмкостей умножителей верна для частоты напряжения сети — 50Гц.

Однако, наиболее эффективно использование умножителей напряжения при их питании напряжением высокой частоты от специального преобразователя.
В этом случае величины ёмкостей уменьшаются пропорционально кратности увеличения частоты преобразователя.

Приведу для наглядности калькулятор для расчёта элементов умножителей напряжения.

Здесь Rн = Uвых / Iн, либо Rн = Uвых² / Pн.

Тип умножителя	&nbsp Последовательный Параллельный
Количество ступеней умножителя	&nbsp 1 (2U)2 (4U)3 (6U)4 (8U)5 (10U)
Сопротивление нагрузки (кОм)
Частота входного напряжения (по умолчанию 50), Гц
Допустимый коэффициент пульсаций Uвых, %
Ёмкость конденсатора C1 (МкФ)
Ёмкость конденсатора C2 (МкФ)
Ёмкость конденсатора C3 (МкФ)
Ёмкость конденсатора C4 (МкФ)
Ёмкость конденсатора C5 (МкФ)
Ёмкость конденсатора C6 (МкФ)
Ёмкость конденсатора C7 (МкФ)
Ёмкость конденсатора C8 (МкФ)
Ёмкость конденсатора C9 (МкФ)
Ёмкость конденсатора C10 (МкФ)

Количество ступеней умножителя нельзя увеличивать до бесконечности — с ростом числа секций их вклад в увеличение выходного напряжения
быстро уменьшается. К тому же представленные несимметричные умножители напряжения являются однополупериодными и не обладают высокой
нагрузочной способностью.

В связи с этим, при необходимости дальнейшего наращивания выходного напряжения и мощности, подводимой к нагрузке свыше 50 Вт — прямая
дорога у нас лежит к симметричным двухполупериодным умножителям напряжения.


Симметричная схема умножения напряжения получается, если запараллелить входы двух несимметричных схем, рассчитанных в таблице,
у одной из которых необходимо сменить полярность подключения электролитических конденсаторов и диодов.

В результате вырисовываются следующие схемы.

Рис.3 Рис.4

На Рис.3 приведена схема последовательного симметричного двухполупериодного умножителя, на Рис.4 — схема параллельного
симметричного двухполупериодного умножителя напряжения.

При необходимости поиметь двуполярное питание, точку 0U следует подключить к земляной шине.

 

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.     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 < 50 50. ..200 > 200 200…500 500 500 + + + 2500 < 50 50…200 > 200 250…500 1000 1000 + + + 5000 < 50 50…200 > 200 250…2500 2500 2500 + + + 10000 < 50 50…200 > 200 2500…5000 5000 5000 + + + 20000 < 50 50…200 > 200 2500…10000 5000…10000 5000…10000 + + + 30000 < 50 50…200 > 200 2500…10000 5000…10000 5000…10000  + + + 50000 < 30 30. ..100 > 100 5000…10000 5000…10000 5000…15000 + + + 75000 < 30 >= 30 7500…15000 более 5000 + + 100000 < 30 >= 30 7500…15000 более 5000 + + 150000 < 30 >= 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 ( 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. Москва Радио №10, 2000 Источник: shems.h2.ru

Умножители напряжения — gigaj0ule

Трансформаторы — не единственный способ повысить напряжение; Другой метод безумия — множитель Кокрофта-Уолтона или каскад Вилларда, в зависимости от вашего любимого мертвого ученого. «CW», как их называют в просторечии, представляют собой зарядовый насос, используемый для преобразования высокого напряжения в очень высокое напряжение, задача, в которой трансформаторы не подходят. Подобно связанным катушкам индуктивности, эта схема «обменивает» ток на напряжение, но, в отличие от трансформатора, CW выдает постоянный ток.

CW состоит из каскадов, каждый каскад состоит из 2-х сверхбыстрых диодов и 2-х высоковольтных конденсаторов. Эти этапы затем складываются, чтобы сделать множитель.

На самом деле для зарядки конденсаторов требуется еще несколько циклов переменного тока. Насколько множитель повышает входное напряжение, зависит от количества каскадов, и существует простая формула для расчета такого идеального коэффициента усиления по напряжению:

Eвых  = Eвх  * √2 * n

Eout — выходное напряжение
Ein — среднеквадратичное значение входного напряжения
n — количество ступеней умножителя

Допустим, у вас есть 6-ступенчатый умножитель, и вы подаете на него 7 кВ. Используя приведенную выше формулу, вы можете рассчитать, что теоретическое максимальное выходное напряжение составит 59,397 кВ.

 

Реальный мир: ожидаемые вызовы

Как и все реальные вещи в этом мире, CW не идеальны. Проблема в том, что по мере того, как потребляется больше тока, коэффициент усиления по напряжению начинает значительно проседать. Этим потерям можно противодействовать, используя либо конденсаторы большей емкости, либо более высокочастотный вход, а падение напряжения можно примерно рассчитать по следующей формуле:

Edrop  =  I  / (  f   *  C  ) * (2/3 *  n ³ +  90 011 n ² / 2 –  n  / 6)

Edrop — падение напряжения
I — потребляемый ток в амперах
f — частота в герцах
n — количество ступеней
C — размер используемых конденсаторов в фарадах

Этот формулу определенно следует принимать с недоверием, потому что, хотя теоретически это имеет смысл, потери в реальной жизни будут намного выше. Например, 4-ступенчатый CW на моем рабочем столе, который теоретически должен был падать только на 1,4 кВ на мА, на самом деле упал на 8 кВ. Это электроника для вас.

Как будто падения напряжения недостаточно, так как ток отбирается от CW, выходное напряжение начинает пульсировать. Еще раз есть формула для расчета этого;

Eripple  =  I  / (  f  *  C  ) *  n  * ( n  + 1) /2

Электрический удар CW, большое время. Тем не менее, несмотря на все свои недостатки, они работают, и пока мы не найдем лучший способ импульсного повышения высокого напряжения, это все, что у нас есть. И пульсации, и провалы становятся более серьезными проблемами по мере увеличения количества ступеней, поэтому всегда идеально использовать как можно меньше ступеней и как можно более высокую частоту в CW. Это означает, что для питания такого умножителя вам понадобится высоковольтный высокочастотный источник, такой как трансформатор обратного хода переменного тока.

 

Изготовление одного

Изготовление CW — довольно простая задача, поскольку это такая простая схема, настолько простая, что вам даже не понадобится фенольная плита для ее изготовления. В CW слева я решил использовать четыре каскада, но поскольку конденсаторы на 30 000 В довольно дороги, я импровизировал с последовательно соединенными парами конденсаторов на 15 кВ (отсюда и 16 конденсаторов вместо 8). CW должен быть под маслом, чтобы предотвратить чрезмерные потери на корону, поэтому я сделал его достаточно тонким, чтобы его можно было поместить в трубу из ПВХ. Как вы спроектируете свой CW, конечно, ваше решение.

Чрезвычайно высокие напряжения, связанные с CW, делают сопротивление проводов по большей части неважным. В результате конденсаторы способны разряжаться многокилоамперными импульсами; гораздо больше, чем может выдержать маленький диод в конце стека. Это означает, что во время использования вам понадобится либо резистивная нагрузка, такая как рентгеновская трубка, либо, если вы просто хотите сделать искры, резистор последовательно с выходом. Закон Ома может помочь вам определить, какой резистор вам нужен, но ожидайте, что он будет в диапазоне нескольких миллионов Ом. Помните, что, поскольку здесь присутствуют очень высокие напряжения, здесь также очень высокие мощности, поэтому убедитесь, что ваш резистор способен выдерживать нагрев. Резистор 1/4 Вт просто не поможет!

Очень весело играть со сверхвысоким напряжением, которое может производить CW. При этих экстремальных потенциалах могут быть созданы огромные электрические поля, а также большое количество ионного ветра. Просто сидя рядом с работающим CW, вы можете почувствовать, как поле заряжает ваши волосы на руках (если они у вас есть), и нет недостатка в радомных электростатических щелчках и хлопках. Играть с CW довольно интересно.

Искры, которые они могут испускать, тоже неплохие. ∎

Цепи умножителя напряжения, удвоение, утроение, четырехкратное увеличение напряжения

Схемы умножителя напряжения

В некоторых приложениях требуемое постоянное выходное напряжение может быть намного больше, чем может быть получено от 230 В. Источник 50 Гц с одним преобразователем. Во многих случаях переменное напряжение может быть соответствующим образом усилено трансформатором, а затем выпрямлено для получения требуемого постоянного выходного напряжения. Сын увеличить стоимость схемы.

Умножители напряжения можно разделить на два типа

1. Удвоители напряжения Выпрямитель
2. Удвоители напряжения Цепь
3. Умножитель напряжения

Выпрямитель с удвоением напряжения

Выпрямитель с удвоением напряжения обеспечивает выходное напряжение, в два раза превышающее входное напряжение. Эту операцию можно выполнить с диодами D1, D2 и зарядно-разрядным конденсатором (C1 и C2).

Клемма A источника входного сигнала подключена к положительной клемме, а клемма B подключена к отрицательной клемме. При положительном цикле входа через клемму А на диод D1 получают прямое смещение и подключенный конденсатор С1 к пиковому напряжению при ωt = π/2 заряжается положительно. И еще один отрицательный цикл через клемму B к диоду 2 и соответствующему конденсатору C2 к пиковому напряжению V _м при ωt = 3π/2 положительно. Поскольку удвоенное пиковое значение напряжения источника переменного тока появляется на клеммах нагрузки как постоянное напряжение с положительной верхней клеммой и отрицательной нижней клеммой. Конденсаторы C1 и C2 должны быть достаточно большими, чтобы обеспечить стабильное выходное напряжение. Выходное постоянное напряжение 2В _м возможно только при идеальных элементах схемы. Фактически выходное постоянное напряжение будет меньше 2В _м из-за падения напряжения в элементах схемы.

Выпрямитель с удвоением напряжения

Схема удвоения напряжения

Схема удвоения напряжения с двумя диодами D1 и D2 и двумя конденсаторами C1 и C2 и однофазным источником переменного напряжения. Когда клемма A положительного полупериода, D1 смещен в прямом направлении, и ток течет через источник C1 и D1, следовательно, заряд до пикового значения V _m напряжения источника при ωt = π/2 сразу после ωt = π/2 диода D1 смещен в обратном направлении, поэтому в цепи, образованной источником, отсутствует ток.