Схема умножения напряжения на диодах и конденсаторах: Умножители напряжения

Содержание

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. Виды и работа. Применение и расчет

После появления на мировом электронном рынке конденсаторов миниатюрного размера и большой емкости открылись перспективы их использования в самых различных целях. Одна из областей применения этих радиотехнических изделий – изготовление специальных приборов, получивших название «умножители напряжения» (УН). Основу таких устройств составляют диоды и конденсаторы, включенные в общую цепь в определенном порядке.

УН разрабатывались для специальных схем, позволяющих повысить уровень напряжения на выходе в несколько раз по отношению к входному сигналу. Реализовать такую возможность удалось за счет использования эффекта накопления энергии на обкладках высоковольтных конденсаторов небольших размеров.

Большинство существующих схем умножителей напряжения одновременно выполняют функцию выпрямления, поскольку в их составе имеются полупроводниковые диоды.

Схема 1

Принцип работы этих приборов сводится к постепенному накапливанию зарядов на обкладках конденсаторов, включенных в последовательную цепочку (на «Схеме 1» их 4 звена по две штуки). Разрядные процессы, характерные для конденсаторов, блокируются посредством диодов, включенных в обратном направлении. В результате этого ток разряда накопительных элементов практически отсутствует, что позволяет увеличить заряд на обкладках конденсаторов практически вдвое.

Работа отдельного звена умножения

Для понимания принципа работы умножителя напряжения (Схема 1) рассмотрим процессы, протекающие в одном звене однополупериодной схемы:

Во время действия отрицательной волны входного напряжения диод VD1 открывается, что приводит к появлению зарядного тока через конденсатор C1.
Он будет заряжаться до тех пор, пока уровень напряжения на его обкладках не сравняется с амплитудным значением входного потенциала.
Как только синусоида на входе звена умножителя изменит свою полярность на положительное значение – через диод VD2 начнет заряжаться второй конденсатор (C2).
Из-за имеющегося на C1 заряда потенциал на C2 будет в два раза больше поданного на вход напряжения.

При очередном отрицательном полупериоде до удвоенного значения начнет заряжаться конденсатор C3, установленный в следующем звене умножителя напряжения и т. д. Схожим образом проходят процессы во второй емкости всех последующих звеньев.

Для выхода умножителя на «рабочий режим» достаточно, чтобы на его вход поступило несколько полных периодов колебаний напряжения. Этого обычно хватает для того, чтобы ток достиг нужной амплитуды, а конденсаторы зарядились до полного входного напряжения. В результате описанных процессов величина потенциала на выходе каждого такого звена увеличивается практически вдвое.

При желании иметь гораздо большее его значение – достаточно объединить в последовательную цепочку несколько таких электронных узлов. Если для умножения потребуется получить нечетный коэффициент – к нагрузке подключаются конденсаторы, расположенные в верхней ветке на схеме. При четном передаточном числе, наоборот, потребуется задействовать элементы, расположенные в нижней ее части.

Какими бывают умножители напряжения

Все известные УН по принципу действия делятся на умножители последовательного и параллельного типа. По особенностям построения схем умножения они подразделяются на однополупериодные устройства и их двухполупериодные аналоги.

Описанные выше схемные решения относятся к последовательному типу. По своей конструкции они существенно отличаются от приборов в параллельном исполнении. Умножители напряжения второго типа построены на тех же электронных элементах, но порядок их включения по однополупериодной схеме несколько изменен (Схема 2).

Схема 2

Отличительная особенность параллельных схемных решений – допустимость использования конденсаторов меньшей емкости и размеров. При их работе умножаемый и выпрямляемый сигналы проходят сразу по двум параллельным цепочкам общей схемы, а затем суммируются на выходной емкости.

Несмотря на достоинство умножителей этого типа, их последовательные аналоги пользуются большей популярностью. К их преимуществам следует отнести:

Универсальность применения.
Равномерность распределения напряжения на отдельных элементах.
Возможность использования большого количества ступеней (звеньев), выбираемого по необходимости.

Предпочтительность умножителей последовательного типа также объясняется наличием у параллельных решений одного существенного недостатка. Дело в том, что в этих схемах с увеличением числа звеньев напряжение не может возрастать до слишком высоких значений. Как правило, оно ограничивается определенной величиной, не превышающей 20 кВ.

Двухполупериодные умножители напряжения

Схема 3

Две схемные разновидности таких УН на (Схеме 3). К достоинствам первого из представленных вариантов умножителей, отличающегося простотой своего устройства, относят:

На отдельных конденсаторах схемы (на С1 и С3, в частности) действует пониженное напряжение, что повышает надежность и экономичность всего УН.
Токовая нагрузка на все диоды распределяется равномерно.
При такой схеме включения обеспечивается высокая стабильность выходного напряжения.

Схема второго типа отличается от первой более сложным устройством и четким разделением на две части, каждая из которых пропускает только один полупериод волны.

К плюсам этого схемного решения относятся следующие его достоинства:

Возможность получать на выходных клеммах сигнал большей мощности (в сравнении с однополупериодным аналогом).
Простота изготовления умножителя напряжения.
Равномерность распределения токовых нагрузок между элементами схемы.
Возможность использования большого числа ступеней умножения. Благодаря этому удается создать приборы, обеспечивающие получение высоковольтного сигнала нужного уровня.

Особенности расчета схем УН разных модификаций

Рассчитать умножители напряжения последовательного типа можно только в том случае, если известны следующие рабочие параметры устройств:

Выходное напряжение и требуемая мощность.
Предполагаемые габариты устройства.
Входное напряжение.
Условия, в которых будет эксплуатироваться умножитель. Под этим фактором понимаются температура среды в месте установки УН и влажность окружающего воздуха.

Согласно действующим нормативам входное напряжение при расчетах должно выбираться не более 15 кВ, а частота не может отклоняться от стандартных 50 кГц на значительную величину. Выходное напряжение ограничено показателем 150 кВ, а рабочий диапазон температур составляет от -55 до +125°C.

При определении допустимой мощности УН исходят из того, что для большинства устройств этот показатель варьируется в пределах от 50 до 200 Вт (в зависимости от типа прибора). Для расчета используется формула, определяющая зависимость выходного напряжения от следующих параметров:

Количество ступеней.
Номиналы емкостей.
Частота входного сигнала.
Значение тока в нагрузке.

Это выражение имеет следующий вид:

Uвых = NUвх I(N3+9N2/4+N/2)/12FC.

В этой формуле I означает ток нагрузки, а N – число ступеней. F – это частота входного напряжения в герцах, а C соответствует емкости одного конденсатора ступени. Если известны значения четырех первых расчетных показателей – можно без труда определить требуемую емкость в одном звене.

В параллельном варианте УН для получения тех же выходных параметров потребуется другая емкость. Ее значение выбирается примерно в три раза меньше, чем в предыдущем случае.

При проектировании умножителей напряжения любого типа следует помнить о том, что в каждой последующей ступени устанавливаются конденсаторы с большим предельным напряжением.

В ходе сборки устройства особое внимание уделяется подбору качественных комплектующих, а также их грамотному размещению в пределах схемы. Другой важный вопрос, касающийся сборки УН – хорошая изоляция отдельных элементов. Пренебрежение этим фактором нередко приводит к высоковольтному пробою накопительных элементов на корпуса соседних деталей или на общую шину. А это в свою очередь может привести к выходу из строя всего устройства УН.

Где применяются УН

Умножитель напряжения последовательного типа, состоящие из включенных один за другим звеньев (так называемые «цепочки Кокрофта-Уолтона») широко применяются в электронике и электротехнике. Они нередко используются для следующих практических целей:

В качестве источников высокого напряжения в трубках фотоэлектронных умножителей, работающих с напряжениями до 2000 В.
Для оформления отдельных отводов от четных узлов устройства с более низкими рабочими напряжениями.
Для получения аналога удвоителя напряжения, изготавливаемого на полупроводниковых диодах и т.п.

Умножители напряжения Кокрофта-Уолтона, работающие от промышленных сетей, позволяют получать высоковольтный сигнал для ионных генераторов. Последние широко используются с для нейтрализации опасной для чувствительных микросхем электростатики, например. Помимо этого они устанавливаются в современных очистителях окружающего воздуха.

Все, что вам нужно знать о умножителях напряжения 2023

Умножитель напряжения — это один из самых простых способов получить высокое напряжение, если оно вам нужно. Выпрямитель, который преобразует напряжение переменного тока в более высокое значение постоянного тока, является умножителем напряжения. Генрих Грейнахер изобрел их в 1919 году, и они использовались для создания первого искусственного ускорителя частиц ядерного распада, так что вы знаете, что они серьезны.

Теоретически выходной сигнал умножителя является целым числом, кратным пиковому входному напряжению переменного тока. Хотя умножители напряжения могут работать с любым входным напряжением, их основное применение — это когда требуются чрезвычайно высокие напряжения в десятки тысяч или даже миллионы вольт. Преимущество их заключается в том, что они относительно просты в конструкции и дешевле, чем сопоставимые высоковольтные трансформаторы с такими же выходными характеристиками. Умножитель напряжения может помочь вам, если вам нужны искры для вашей сумасшедшей науки.

Содержание

Что такое умножитель напряжения?

В течение многих лет использовались источники питания с множителем напряжения. В 1932 году Уолтон и Кокрофт разработали источник питания на 800 кВ для ускорителя ионов. С тех пор умножитель напряжения обычно используется, когда требуются высокие напряжения и малые токи. Использование схем умножения напряжения минимизирует размеры высоковольтного трансформатора, а в некоторых случаях позволяет полностью удалить трансформатор.

Последние технологические достижения позволили создать умножитель напряжения, который преобразует низкое переменное напряжение в высокое постоянное с эффективностью, сравнимой со схемой трансформатор-выпрямитель-фильтр.

Умножитель напряжения состоит из множества конденсаторов и диодов. Умножитель напряжения состоит из нескольких ступеней.

Каждый каскад состоит из диода и конденсатора. Эти конфигурации диодов и конденсаторов могут создавать выпрямленное и отфильтрованное выходное напряжение с большей амплитудой (пиковое значение), чем входное переменное напряжение.

Типы умножителей напряжения

Существует четыре типа умножителей напряжения: амплитуда напряжения в два раза больше входного напряжения. Полупериодный удвоитель напряжения подает напряжение на выход в течение положительного или отрицательного полупериода. В схеме полуволнового удвоителя напряжения используются два диода, два конденсатора и источник входного напряжения переменного тока.

Во время положительного полупериода

Принципиальная схема полупериодного удвоителя напряжения представлена на рисунке ниже. Диод D1 смещен в прямом направлении в течение положительного полупериода. В результате через него может проходить электрический ток. Этот ток будет течь к конденсатору C1, заряжая его до пикового значения входного напряжения Vm.

Однако, поскольку диод D2 смещен в обратном направлении, ток на конденсатор C2 не поступает. В результате диод D2 запрещает конденсатору С2 получать электрический ток. В результате в течение положительного полупериода конденсатор С1 заряжается, а конденсатор С2 разряжается.

Во время отрицательного полупериода

Во время отрицательного полупериода диод D1 имеет обратное смещение. В результате электрический ток не будет проходить через диод D1.

В результате конденсатор C1 не будет заряжаться в течение отрицательного полупериода. С другой стороны, заряд (Vm), хранящийся в конденсаторе C1, разряжается (высвобождается).

Однако во время отрицательного полупериода диод D2 смещен в прямом направлении. В результате диод D2 пропускает через себя электричество. Этот ток будет проходить и заряжать конденсатор C2, потому что вход Vm и конденсатор C1 Vm добавляются к конденсатору C2, конденсатор C2 заряжается до значения 2Vm. В результате как входное напряжение питания Vm, так и напряжение Vm конденсатора С1 заряжают конденсатор С2 в течение отрицательного полупериода. В результате конденсатор С2 заряжается до напряжения 2Вм.

Когда выход схемы подключен к нагрузке, заряд (2 Вм), удерживаемый в конденсаторе C2, разряжается и поступает на выход.

Во время положительного полупериода диод D1 смещен в прямом направлении, а диод D2 смещен в обратном направлении. В результате конденсатор C1 заряжается Vm, а конденсатор C2 остается неизменным. С другой стороны, заряд (2 Вм), удерживаемый в конденсаторе С2, будет разряжаться и перетекать на выходную нагрузку. В результате на выходную нагрузку поступает напряжение 2Вм от однополупериодного удвоителя напряжения.

В следующем полупериоде конденсатор C2 снова заряжается. Выходное напряжение (2Vm) в два раза выше входного напряжения (Vm). В полуволновом удвоителе напряжения C1 и C2 заряжаются чередующимися полупериодами.

Форма выходного сигнала однополупериодного удвоителя напряжения почти идентична форме однополупериодного выпрямителя с фильтром. Амплитуда выходного напряжения полуволнового удвоителя напряжения в два раза превышает амплитуду входного напряжения, что является единственным отличием. Амплитуда выходного напряжения равна амплитуде входного напряжения в однополупериодном выпрямителе с фильтром.

Однополупериодный удвоитель напряжения подает напряжение на выходную нагрузку (положительный или отрицательный полупериод). В нашем сценарии полупериодный удвоитель напряжения подает напряжение на выходную нагрузку в течение положительных полупериодов. В результате управление выходным сигналом полуволнового удвоителя напряжения плохое.

Двухполупериодный удвоитель напряжения

Входное напряжение в этой схеме удваивается, как следует из названия. Функционирование двухполупериодного удвоителя напряжения относительно простое:

Диод D1 смещается в прямом направлении во время положительного полупериода синусоидальной волны переменного тока, а диод D2 смещается в обратном направлении, в результате чего конденсатор C1 заряжается через D1 до пикового значения синусоидальной волны (Vpeak). D2 смещен в прямом направлении в течение отрицательного полупериода синусоиды, а D1 смещен в обратном направлении, поэтому конденсатор C2 заряжается через D2 до Vpeak.

Когда нагрузка не подключена, оба конденсатора заряжаются до Vpeak, что дает 2 Vpeak (Vpeak + Vpeak) на конденсаторах C1 и C2. Двухполупериодный выпрямитель является источником его названия.

Утроенное напряжение

Утроенное напряжение может быть достигнуто за счет добавления еще одного диодно-конденсаторного каскада в схему удвоения однополупериодного напряжения.

Во время первого положительного полупериода

Диод D1 смещен в прямом направлении во время первого положительного полупериода входного сигнала переменного тока, а диоды D2 и D3 смещены в обратном направлении. В результате диод D1 пропускает через себя электричество. Этот ток пойдет на конденсатор C1 и зарядит его до пикового значения входного напряжения Vm.

Во время отрицательного полупериода
Диод D2 смещен в прямом направлении во время отрицательного полупериода, а диоды D1 и D3 смещены в обратном направлении. В результате диод D2 пропускает через себя электричество. Этот ток пройдет и зарядит конденсатор С2. Конденсатор C2 заряжается, чтобы удвоить пиковое напряжение входного сигнала (2 Вм). Заряд (Vm), удерживаемый в конденсаторе C1, разряжается в течение отрицательного полупериода.
Напряжение конденсатора + входное напряжение = Vm + Vm = 2Vm объединяет напряжение конденсатора C1 (Vm) и входное напряжение (Vm) в конденсаторе C2. В результате конденсатор С2 заряжается до 2Вм.
Во время второго положительного полупериода
D3 смещен в прямом направлении во время второго положительного полупериода, а D1 и D2 смещены в обратном направлении. Из-за отрицательного напряжения на X из-за заряженного Vm на C1 диод D1 смещен в обратном направлении, а диод D2 смещен в обратном направлении из-за его ориентации. В результате конденсатор С2 разряжает свое напряжение (2Вм). Этот заряд перейдет к C3 и зарядит его до того же напряжения 2 Вм.
Выходное напряжение снимается с двух соединенных последовательно конденсаторов C1 и C3. Конденсатор C1 имеет напряжение Vm, а конденсатор C3 имеет напряжение 2Vm. В результате общее выходное напряжение равно сумме конденсаторов С1 и С3, т. е. С1 + С3 = Vm + 2Vm = 3Vm.
В результате общее выходное напряжение тройного напряжения составляет 3 Вм, что в три раза превышает входное напряжение.
Четверное увеличение напряжения
Добавление одного дополнительного диодно-конденсаторного каскада к схеме утроения напряжения увеличивает напряжение в четыре раза.
Во время первого положительного полупериода
Диод D1 смещен в прямом направлении во время первого положительного полупериода входного сигнала переменного тока, а диоды D2, D3 и D4 смещены в обратном направлении. В результате диод D1 пропускает через себя электричество. Этот ток пойдет на конденсатор C1 и зарядит его до пикового значения входного напряжения Vm.
Во время первого отрицательного полупериода
Диод D2 смещен в прямом направлении в течение первого отрицательного полупериода, тогда как диоды D1, D3 и D4 смещены в обратном направлении. В результате диод D2 пропускает через себя электричество. Этот ток пройдет и зарядит конденсатор С2. Конденсатор C2 заряжается, чтобы удвоить пиковое напряжение входного сигнала (2 Вм). Заряд (Vm), хранящийся в конденсаторе С1, разряжается в течение отрицательного полупериода.
Таким образом, напряжение конденсатора C1 (Vm) и входное напряжение (Vm) объединяются для конденсатора C2, в результате чего напряжение конденсатора + входное напряжение = Vm + Vm = 2Vm. В результате конденсатор С2 заряжается до 2 Вм.
Во время второго положительного полупериода
Диод D3 смещен в прямом направлении во время второго положительного полупериода, тогда как диоды D1, D2 и D4 смещены в обратном направлении. Поскольку напряжение на X отрицательно из-за заряженного Vm на C1, диод D1 смещен в обратном направлении, а диоды D2 и D4 смещены в обратном направлении из-за их ориентации. В результате напряжение (2 Вм) на конденсаторе С2 разряжается. Этот заряд перейдет на конденсатор С3, заряженный до того же напряжения, 2Вм.
Во время второго отрицательного полупериода
Диоды D2 и D4 смещены в прямом направлении во время второго отрицательного полупериода, а диоды D1 и D3 смещены в обратном направлении. Таким образом, заряд (2 Вм), хранящийся в конденсаторе С3, разряжается. Этот заряд перейдет на конденсатор С4, заряженный до такого же напряжения (2Вм).
Выходное напряжение снимается с двух последовательно соединенных конденсаторов C2 и C4, причем конденсаторы C2 и C4 включены последовательно. Конденсатор С2 имеет напряжение 2Вм, а конденсатор С4 имеет значение 2Вм. В результате общее выходное напряжение равно сумме напряжений на конденсаторах С2 и С4, т. е. С2 + С4 = 2Вм + 2Вм = 4Вм.
В результате общее выходное напряжение, полученное с использованием более четырехкратного метода, составляет 4 Вм, что в четыре раза превышает подаваемое входное напряжение.
Краткий обзор умножителя напряжения
Как мы видели, умножители напряжения представляют собой базовые схемы, состоящие из диодов и конденсаторов, которые могут удвоить, утроить или учетверить входное напряжение. Кроме того, вместо использования повышающего трансформатора вы можете подавать желаемое постоянное напряжение на заданную нагрузку путем последовательного каскадирования независимых полу- или полнокаскадных умножителей.
В зависимости от отношения выходного напряжения к входному, схемы умножения напряжения классифицируются как удвоители напряжения, более тройные, учетверенные и т. д. Теоретически может быть достигнуто любое желаемое умножение напряжения, и каскад из «N» удвоителей приведет к выходное напряжение 2N.Vp вольт.
10-ступенчатая схема умножителя напряжения с пиковым входным напряжением 100 вольт, например, обеспечит выходное постоянное напряжение примерно 1000 вольт или 1 кВ без использования трансформатора, при условии отсутствия потерь.
Однако, поскольку многокаскадные схемы умножения напряжения могут создавать очень высокие напряжения, диоды и конденсаторы, используемые во всех схемах умножения, должны иметь минимальное номинальное обратное напряжение пробоя, по крайней мере, вдвое превышающее пиковое напряжение на них. Кроме того, поскольку выходное напряжение быстро падает по мере увеличения тока нагрузки, умножители напряжения часто выдают малые токи на нагрузки с высоким сопротивлением.
Вышеупомянутые схемы умножения напряжения предназначены для обеспечения положительного выходного напряжения постоянного тока. Однако они могут создавать отрицательное выходное напряжение, просто меняя полярность всех умножающих диодов и конденсаторов, что приводит к удвоению отрицательного напряжения.
Заключение
Чтобы освежить нашу память, умножитель напряжения представляет собой схему диодного выпрямителя, которая может создавать выходное напряжение, в несколько раз превышающее входное напряжение.

Хотя трансформатор напряжения обычно используется для повышения напряжения в электронных схемах, подходящий повышающий трансформатор или трансформатор со специальной изоляцией, необходимые для высоковольтных приложений, не всегда могут быть доступны. Доступна схема диодного умножителя напряжения, которая повышает или «повышает» напряжение без трансформатора.
Во многих аспектах умножители напряжения аналогичны выпрямителям в том, что они преобразуют переменное напряжение в постоянное для использования в различных электрических и электронных схемах. Микроволновые печи, мощные катушки электрического поля для электронно-лучевых трубок, электростатическое и высоковольтное испытательное оборудование и т. д. являются примерами этих применений. Требуется очень высокое постоянное напряжение, генерируемое от сравнительно скромного источника переменного тока.

Если вы хотите приобрести умножители напряжения, свяжитесь с нами. Мы в ICRFQ являемся лучшими производителями электротехники в Китае. Сделайте заказ, и мы доставим в кратчайшие сроки.
Если вы хотите найти больше дистрибьюторов электронных компонентов, ознакомьтесь со следующими статьями:
Дистрибьюторы электронных компонентов в США
Дистрибьюторы электронных компонентов в Великобритании
Дистрибьюторы электронных компонентов в Китае
Дистрибьюторы электронных компонентов в Индии
Дистрибьюторы электронных компонентов в Сингапуре
Дистрибьюторы электронных компонентов в Малайзии
Дистрибьюторы электронных компонентов во Вьетнаме

Дистрибьюторы электронных компонентов в Южной Корее.
Дистрибьюторы электронных компонентов в Тайване.
Дистрибьюторы электронных компонентов в Гонконге.
_{Эксперименты с умножителем напряжения — Содержание}
В комментариях к оглавлению умножителя напряжения кто-то спросил, что происходит, когда компонент умножителя напряжения выходит из строя.
Я откопал коллекцию умножителей напряжения, которую собрал два года назад, когда впервые написал серию о умножителях напряжения, но не смог найти маленький трансформатор, который использовал с ними. Пуф. Ушел. Исчез в воздухе.
Неважно. Есть симуляторы.
Раньше я использовал Qucs, но пытался подружиться с LTspice. Я буду использовать LTspice для тестирования режимов отказа в трехступенчатом полуволновом умножителе Кокрофта-Уолтона.
Тестовый объект
Я использую диоды 1SR154-600 в этой схеме по очень веской причине: моя копия LTspice, похоже, не содержит модели для обычного выпрямительного диода 1N4001. Я выбрал 1SR154-600, взяв первый диод в списке, который выглядел как садовая разновидность 1N4001.
Моделирование здесь показывает нормальную мощность на реакцию умножителя напряжения.
Что произойдет, если конденсатор или диод выйдет из строя, зависит от какой диод или конденсатор выходит из строя.
Существует два типа конденсаторов:
Конденсаторы связи, позволяющие суммировать напряжения постоянного тока. (С1, С5 и С6.)
Сглаживающие конденсаторы, благодаря которым постоянный ток больше похож на постоянный, а не на переменный. (С2, С3 и С4.)
Также есть два типа диодов:
Зажимы, которые работают с разделительными конденсаторами для суммирования напряжений. (Д1, Д3 и Д5.)
Диоды пикового детектора, которые работают со сглаживающими конденсаторами для создания плавного постоянного тока. (Д2, Д4 и Д6.)
Компоненты могут выйти из строя одним из двух способов:
Открыть
Короткий
Давайте рассмотрим все комбинации.
Если конденсатор связи не разомкнулся, вы получите что-то вроде этого:
Обрыв конденсатора связи
Я только что удалил провод, но то же самое произошло бы, если бы сам конденсатор был разомкнут.
Это напряжение от каскадов до пробитого конденсатора. Вы теряете все напряжение, которое могли бы обеспечить более поздние этапы. Он до сих пор работает, и ничего страшного не происходит, но выходное напряжение намного ниже, чем должно быть.
Конденсатор связи закорочен
Вы теряете напряжение, которое обычно получаете от ступеней после короткого замыкания. Вы также теряете большую часть сглаживания, которое обычно имеет место. В результате у вас есть полностью сглаженный постоянный ток из стадий, предшествующих короткому замыканию. Для стадии с коротким замыканием у вас есть дополнительное напряжение, но без сглаживания.
Настоящих катастроф по-прежнему нет — выход меньше, пульсации больше, но никто не пострадал.
Если сглаживающий конденсатор не открывается, вы просто получаете больше пульсаций:
Сглаживающий конденсатор открыт
Пиковое выходное напряжение остается прежним, просто у вас много пульсаций. Опять же, ничего страшного не происходит.
В случае короткого замыкания сглаживающего конденсатора вы получите следующее:
Короткое замыкание сглаживающего конденсатора
Единственное, что не дает диодам сгореть в этот момент, это C1 и нагрузка. Ток ограничивается импедансом конденсатора и сопротивлением нагрузки. С закороченным C3 есть прямой путь от C1 к выходу. Если ваши конденсаторы имеют низкий импеданс на частоте переменного тока, с которой вы работаете, вы можете подавать на нагрузку большой ток. Если нагрузка еще и низкоомная, то налицо нехорошая ситуация — треск, бац, дым.
Открытый ограничительный диод вызывает потерю выходного напряжения, но не сильно влияет на ситуацию.
Зажимной диод открыт
Выходной сигнал достигает того же пика, как если бы умножитель имел на одну ступень меньше, но он не может удерживать выходной сигнал на этом пике. Он медленно возвращается к выходному уровню каскадов умножителя перед открытым диодом.
Короткое замыкание фиксирующего диода — это неисправность штука.
Закороченный фиксирующий диод
Как и в случае с закороченным сглаживающим конденсатором, единственное, что предотвращает катастрофу, — это импеданс C1 и сопротивление нагрузки.
Открытый пиковый детектор очень похож на открытый фиксирующий диод.
Открытый пиковый детектор
Выходное напряжение ниже ожидаемого, пульсации больше, выходное напряжение достигает пика, а затем падает до несколько меньшего, чем можно было бы ожидать от умножителя с одним каскадом меньше. Ничего страшного не происходит, просто вы не получаете то напряжение, которое хотели.
Закороченный пиковый детектор почти так же опасен, как закороченный ограничительный диод.
Пиковый детектор с коротким замыканием
Ток не такой высокий, как у короткозамкнутого фиксирующего диода, но все же намного выше, чем должен быть. Как и в других случаях, именно С1 и нагрузка предотвращают полную катастрофу.
Первый конденсатор в цепи какой-то особенный. Если он закоротит, ваш умножитель будет потреблять абсолютно глупое количество тока.
Вот как это выглядит при коротком замыкании C1:
C1 закорочен
Чем меньше сопротивление C1 при коротком замыкании, тем хуже. Я закоротил его резистором на 1 Ом, чтобы измерить ток. Весы говорят, что они потребляют импульсы тока более 8 ампер.
В реальной жизни трансформатор, вероятно, не может обеспечить такой большой ток. Он все равно будет нагреваться и, возможно, выйдет из строя (если у него есть встроенный термопредохранитель) или загорится (если в обмотки не встроен плавкий предохранитель).
Не замыкайте накоротко выход умножителя напряжения. C1 — это все, что будет между вами и ужасным беспорядком, если вы замкнете выход накоротко.
Здесь я заменил нагрузочный резистор с 1 МОм на 1 Ом. Я также значительно увеличил C1.
Закороченная нагрузка
Единственное, что ограничивает ток, это импеданс C1. Обычно вы хотите, чтобы импеданс был низким, а высокий импеданс означает, что вы не можете получить большой ток от умножителя.
При использовании умножителя с низким импедансом короткое замыкание на нагрузке может привести к протеканию большого тока через умножитель, что приведет к повреждению диодов и конденсаторов.
Детали, которые не открываются, доставляют неудобства, но не вызывают дополнительных повреждений.
В зависимости от того, где они находятся, части, которые выходят из строя, могут либо доставлять неудобства, либо вызывать повреждение других частей цепи.
Если первый разделительный конденсатор выйдет из строя, это может вывести из строя источник переменного тока и/или остальную часть схемы умножителя напряжения.
Не рискуйте, работая с этим материалом.
Работайте с низковольтными умножителями, пока не поймете, как они работают. Низкое напряжение позволяет вам легко проводить измерения, которые было бы трудно сделать с помощью умножителя высокого напряжения, работающего на тысячи или десятки тысяч вольт.
Используйте детали хорошего качества, рассчитанные на используемые вами напряжения и токи. Отказ может быть чем угодно, от неприятности до катастрофического события, в зависимости от того, какая часть выходит из строя и как она выходит из строя.
Я использовал небольшой трансформатор на 9 В переменного тока в более ранних частях этой серии (когда я собирал схемы вживую). Я придерживался низкого напряжения даже в симуляциях. Схемы работают одинаково, независимо от напряжения — они просто менее вероятно убьют вас при низком напряжении.