Схемы умножителей напряжения на диодах и емкостях: Умножители напряжения

Умножители напряжения на диодах — схемы включения, варианты подключения, утроители, умножители на 4, 5, 6, 8 | РадиоДом

Умножитель напряжения — схема выпрямителя особого типа, амплитуда напряжение на выходе которой теоретически в целое число раз выше, чем на входе. То есть, с помощью удвоителя напряжения можно получить 200 вольт постоянного тока из 100 вольт переменного тока источника, а с помощью умножителя на восемь — 800 вольт постоянного. Это если не учитывать падение напряжения на диодах (0,7 вольт на каждом).
В практике на схемах любая нагрузка будет немного уменьшенной от полученных расчетов. Умножитель содержит в себе конденсаторы и диоды. Нагрузочная способность умножителя пропорциональна частоте, величине емкости входящих в его состав конденсаторов и обратно пропорциональна количеству звеньев.


1. Удвоитель напряжения Латура-Делона-Гренашера

Примечание: отличная нагрузочная способность.


2. Несимметричный умножитель напряжения (Кокрофта-Уолтона)

Примечание: универсальность.
Генераторы Кокрофта-Уолтона применяются во многих областях техники, в частности, в лазерных системах, в источниках высокого напряжения, в системах рентгеновского излучения, подсветке жидкокристаллических экранов, лампах бегущей волны, ионных насосах, электростатических системах, ионизаторах воздуха, ускорителях частиц, копировальных аппаратах, осциллографах, телевизорах и во многих других устройствах, где необходимо одновременно высокое напряжение и постоянный ток.


3. Утроитель, 1-й вариант


Отличная нагрузочная способность.


4. Утроитель, 2-й вариант

Отличная нагрузочная способность.


5. Утроитель, 3-й вариант

Отличная нагрузочная способность.


6. Умножитель на 4, 1-й вариант

Симметричная схема, хорошая нагрузочная способность.


7. Умножитель на 4, 2-й вариант

Симметричная схема, хорошая нагрузочная способность.


8. Умножитель на 4, 3-й вариант

Симметричная схема, хорошая нагрузочная способность, две полярности относительно общей точки.


9. Умножитель на 5

Отличная нагрузочная способность.


10. Умножитель на 6, вариант первый

отличная  нагрузочная способность.


11. Умножитель на 6, вариант второй

Симметричная схема, отличная нагрузочная способность, две полярности относительно общей точки.


12. Умножитель на 8, первая схема подключения

Симметричная схема, отличная нагрузочная способность.


13. Умножитель на 8, вторая схема подключения

Симметричная схема, отличная нагрузочная способность, две полярности относительно общей точки.


14. Умножитель напряжения Шенкеля – Вилларда

Превосходная нагрузочная способность, ступенчатое увеличение напряжения на каждом звене.


15. Умножитель со ступенчатой нагрузочной способностью

Нагрузочная характеристика имеет две области — область низкой мощности – в диапазоне выходных напряжений от 2U до U и область повышенной мощности – при выходном напряжении ниже U.


16. Выпрямитель с вольт добавкой

Наличие дополнительного маломощного выхода с удвоенным напряжением питания.


17. Умножитель из диодных мостов

Хорошая нагрузочная способность. Одна из классических схем умножения напряжения в высоковольтных источниках питания для физических экспериментов. На рисунке изображен удвоитель напряжения, но число каскадов в умножителе может быть увеличено.

Умножители напряжения — теория, практика, схемы

При необходимости получения постоянных напряжений, кратных по величине питающему их переменному напряжению питания, во многих областях радиотехники находят применение выпрямители с умножением напряжения (УН). Они подразделяются на однополупериодные и двухполупериодные, последовательного и параллельного типов.

Схема однополупериодного выпрямителя

На рис.1 показана схема однополупериодного выпрямителя с удвоением напряжения. Схема может применяться как самостоятельно, так и в качестве составляющего элемента многозвенных умножителей последовательного типа.

Рис. 1. Схема однополупериодного выпрямителя с удвоением напряжения.

На рис.2 показана параллельная схема двухполупериодного выпрямителя с удвоением напряжения (схема Латура). Данный УН как выпрямитель можно рассматривать как два однополупериодных, включенных (вторичная обмотка трансформатора Т1 — диод VD1 — конденсаторы С1, С3; вторичная обмотка трансформатора — диод VD2 конденсаторы С2, С4) последовательно. Удвоенное напряжение на его выходе получается в результате сложения раздельно выпрямленных разнополярных напряжений.

Рис. 2. Параллельная схема двухполупериодного выпрямителя с удвоением напряжения (схема Латура).

Последовательный многозвенный однополупериодный выпрямитель

Последовательный многозвенный однополупериодный выпрямитель (рис.3) с умножением напряжения чаще всего применяется при малых (до 10…15 мА) токах нагрузки.

Его схема состоит из однополупериодных выпрямителей — звеньев, в следующем алгоритме — одно звено (диод и конденсатор) — просто од-нополупериодный выпрямитель, состоящий из диода и конденсатора (выпрямителя и фильтра), два звена — умножитель напряжения в два раза, три — в три раза и т.д.

Величины емкости каждого звена в большинстве случаев одинаковы и зависят от частоты питающего УН напряжения и тока потребления [9].

Рис. 3. Схема многозвенного однополупериодного умножителя напряжения.

Физические процессы увеличения напряжения в многозвенном однополупериодном (рис.3) УН удобно рассматривать при подаче на него переменного синусоидального напряжения. Работает УН следующим образом.

При положительной полуволне напряжения на нижнем выводе вторичной обмотки Т1 через диод VD1 течет ток, заряжая конденсатор С1 до амплитудного значения.

При положительной полуволне питающего напряжения на нижнем выводе вторичной обмотки Т1 к аноду VD2 прикладываются сумма напряжений на вторичной обмотке и напряжение на конденсаторе С1; в результате чего через VD2 проходит ток, потенциал правой обкладки С2 относительно общего провода увеличивается до удвоенного входного напряжения и т.д. Отсюда следует, что чем больше звеньев, тем большее постоянное напряжение (теоретически) можно получить от УН.

Для правильного понимания образования и распределения потенциалов, возникающих на радиоэлементах при работе УН, предположим, что один входной импульс (ВИ) полностью заряжает конденсатор С1 (рис.3) до напряжения +U.

Представим второй положительный импульс, возникающий на верхнем выводе Т1 и поступающий на левую по схеме рис.3 обкладку С1 так же в виде заряженного до напряжения +U конденсатора (Си).

Их совместное соединение (рис.4) примет вид последовательно соединенных конденсаторов. Потенциал на С1 относительно общего провода увеличится до +2U, VD2 откроется, и до +2U зарядится конденсатор С2.

Рис. 4. Схема умножителя напряжения.

При появлении импульса величиной +U на нижнем выводе Т1 и суммировании его аналогичным образом с напряжением +2U на конденсаторе С2, через открывшийся VD3 на C3 появится напряжение +3U и т.д.

Из приводимых рассуждений можно сделать вывод, что величина напряжения относительно «общего» провода (рис.3) только на С1 будет равна амплитудному значению входного напряжения, т.е. +U, на всех же остальных конденсаторах умножителя напряжение будет ступенчато увеличиваться с шагом +2U.

Однако для правильного выбора рабочего напряжения используемых в УН конденсаторов имеет значение не напряжение на них относительно «общего» провода, а напряжение, приложенное к их собственным выводам. Это напряжение только на С1 равно +U, а для всех остальных оно независимо от ступени умножения равно +2U.

Теперь представим окончание времени действия импульса ВИ, как замыкание конденсатора Си (рис.4) перемычкой (S1). Очевидно, что в результате замыкания потенциал на аноде VD2 понизится до величины +U, а к катоду будет приложен потенциал 2U. Диод VD2 окажется закрытым обратным напряжением 2U-U=U.

Отсюда можно сделать вывод, что к каждому диоду УН относительно собственных электродов приложено обратное напряжение, не больше амплитудного значения импульса напряжения питания. Для выходного же напряжения УН все диоды включены последовательно.

Практические схемы УН для КВ и УКВ

Радиолюбителям-коротковолновикам, занимающимся самостоятельным изготовлением радиоаппаратуры, знакома проблема изготовления хорошего силового трансформатора для выходного каскада передатчика или трансивера.

Эту проблему поможет решить схема, показанная на рис.2. Достоинством практической реализации является использование готового, не дефицитного в связи с уходом старой техники, силового трансформатора (СТ) от унифицированного лампового телевизора (УЛТ) второго класса, который можно использовать в качестве силового трансформатора для питания усилителя мощности (УМ) радиостанции 3 категории.

Рекомендуемое техническое решение позволяет получить от СТ все необходимые выходные напряжения для УМ без каких либо доработок. СТ выполнен на сердечнике типа ПЛ, все обмотки конструктивно выполнены симметрично и имеют по половине витков на каждой из двух катушек.

Такой СТ удобен как для получения необходимого анодного напряжения, так и напряжения накала, т.к. допускает использование в качестве выходной в УМ как лампы с 6-вольтовым накалом (типа 6П45С), так и лампы (типа ГУ50) с 12-вольтовым накалом, для чего необходимо только соединить обмотки накала параллельно или последовательно. Применение же удвоителя позволит без затруднений получить напряжение 550…600 В при токе нагрузки порядка 150 мА.

Этот режим оптимален [3] для получения линейной характеристики для лампы ГУ50 при работе на SSB. Соединив обмотки накала последовательно (используемые в ТВ для питания накала ламп и кинескопа) и применив [3] УН по схеме рис.3, можно получить источник отрицательного напряжения смещения для управляющих сеток ламп (порядка минус 55.65 В).

В связи с небольшим током потребления по управляющей сетке, в качестве конденсаторов такого УН можно применить неполярные конденсаторы 0,5 мкФ на 100. 200 В.

Эти же обмотки можно использовать и для получения напряжения коммутации режима «прием-передача». При построении выходного каскада с заземленной сеткой управляющая сетка подключается к источнику отрицательного напряжения (УН 55.65 В), катод подключается через дроссель (015 мм, n=24, ПЭВ-1 00,64 мм) к -300 В, а на анод подается +300 В, напряжение возбуждения подается на катод через конденсатор [3].

Можно подключить управляющую сетку непосредственно к -300 В, катод подсоединяется к -300 В через две параллельно соединенных цепочки, каждая из которых состоит из стабилитрона Д815А и 2-ваттного резистора 3,9 Ом [4]. Напряжение возбуждения в этом случае подается на катод через широкополосный трансформатор.

Если выходной каскад УМ выполнен по схеме с общим катодом, то на анод подается +600 В, а на экранную сетку +300 В [6] с точки соединения С1, С2, С3, С4 (выход -300 В соединен с «общим» проводом RXTX), что позволяет избавиться от мощных гасящих резисторов в цепи экранной сетки, на которых бесполезно выделяется большая тепловая мощность. На управляющую сетку подается отрицательное смещение -55.65 В с упомянутого ранее УН.

Для уменьшения уровня пульсаций питающего напряжения в выпрямителе можно также использовать и штатные дроссели (L1, L2, рис.2) фильтра источника питания того же УЛТ типа ДР2ЛМ с индуктивностью первичной обмотки порядка 2 Гн. Намоточные данные СТ и ДР2ЛМ приведены в [5].

Светотехника

Примером использования умножителя напряжения на четыре [1] является схема для бесстартерного запуска ламы дневного света (ЛДС), показанная на рис.5, которая состоит из двух удвоителей напряжения, включенных последовательно по постоянному току и параллельно по переменному.

Рис. 5. Схема умножителя напряжения на четыре для бесстартерного запуска ламы дневного света.

Лампа зажигается без подогрева электродов. Пробой ионизированного промежутка «холодной» ЛДС происходит при достижении напряжения зажигания ЛДС на выходе УН. Поджиг ЛДС происходит практически мгновенно.

Зажженная лампа шунтирует своим низким входным сопротивлением высокое выходное сопротивление УН, конденсаторы которого в связи со своей малой величиной перестают функционировать как источники повышенного напряжения, а диоды начинают работать как обычные вентили.

2-обмоточный дроссель L1 (или два 1 -обмоточных) служит для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения. Падение напряжения питающей сети примерно равномерно распределяется на балластных конденсаторах С1, С2 и ЛДС, которые включены по переменному току последовательно, что соответствует нормальному рабочему режиму ЛДС.

При использовании в этой схеме ЛДС с диаметром цилиндрической части 36 мм зажигаются без каких-либо проблем, ЛДС с диаметром 26 мм зажигаются хуже, поскольку в связи с особенностями их конструкции напряжение зажигания даже новых ламп без подогрева накала может превышать 1200 В.

Телевидение

Известно, что выходной трансформатор строчной развертки (ТВС) является одним из напряженных узлов в телевизоре (ТВ). Как показывает эволюция развития схемотехники этого узла, с переходом от ламповых ТВ к цветным, в связи с увеличением мощности потребления от источника высокого напряжения (ток потребления черно-белого кинескопа с диагональю 61 см по второму аноду порядка 350 мкА, а цветного — уже 1 мА!), конструкторы ТВ постоянно искали пути повышения его надежности.

Схемотехнические решения получения высокого напряжения для питания второго анода кинескопа, которые использовались во всех моделях ламповых ТВ, имели место лишь в первых модификациях УЛПЦТ, а затем вместо повышающей обмотки ТВС (практически равной по числу витков анодной [5]) стали применять УН, которые по своей электрической прочности, а значит, и надежности значительно превышали аналогичные параметры намоточного узла.

Рис. 6. Схема умножителя напряжения с утроением, из телевизора Юность.

УН практически сразу же начали использовать в отечественных черно-белых переносных ТВ. К примеру, в ТВ «Юность 401» [10] применена схема УН с утроением напряжения, показанная на рис.6.

При реализации практических схем УН имеет значение, с какой точкой схемы УН (1 или 2, рис.3) будет соединен «общий» провод схемы, в которой он будет использоваться, т.е. «фазировка» УН. В этом нетрудно убедиться с помощью осциллографа.

При проведении измерений на ненагруженном УН (рис.

3) видно, что на нечетных звеньях величина переменной составляющей почти равна питающему напряжению, а на четных она практически отсутствует.

Поэтому при использовании в реальных конструкциях напряжений только с четных или только с нечетных звеньев умножения этот факт следует учитывать, подключая УН к источнику питания соответствующим образом.

Например, если «общий» провод (рис.3) соединен с точкой 2, то рабочие напряжения снимают с четных звеньев, если с точкой 1 — с нечетных.

При использовании одновременно четных и нечетных звеньев одного УН для получения постоянного напряжения от звена, в котором присутствует переменная составляющая, необходимо (особенно при емкостной нагрузке) между звеном умножителя и нагрузкой включить (рис.7) еще одно звено (диод и конденсатор).

Диод (VDd) в этом случае будет предотвращать замыкание через нагрузку переменной составляющей, а конденсатор (Cdf) выполнять функцию фильтра. Естественно, что конденсатор Cdf должен иметь рабочее напряжение, равное полному постоянному выходному напряжению.

Рис. 7. Включение еще одного звена к умножителю напряжения.

Не следует также забывать и об отрицательном влиянии на надежность работы многозвенных УН утечек, которые всегда имеются в радиоэлементах и материалах при их работе под большими напряжениями, что накладывает определенные ограничения на реально достижимую величину выходного напряжения.

Практический вариант схемотехники УН с умножением на три показан на рис.6; на четыре — на рис.4; на пять — на рис.8, рис.9; на шесть — на рис.10.

Рис. 8. Схема умножителя напряжения с умножением на четыре.

Рис. 9. Схема умножителя напряжения с умножением на пять.

Рис. 10. Схема умножителя напряжения с умножением на шесть.

В данной статье рассмотрена только часть схемотехники УН, применявшейся ранее и используемой в настоящее время в бытовой технике и радиолюбительском конструировании. Некоторые разновидности схемотехники УН, принципы работы которых аналогичны рассмотренным, опубликованы в [9].

В литературе и в общении с радиолюбителями часто приходится встречать путаницу касательно УН в терминах. К примеру, утверждается, что если на УН нанесена маркировка 8.5/25-1,2 или 9/27-1,3, то это утроитель напряжения. По схемотехнике эти УН являются умножителями на пять.

Маркировка несет информацию только о том, что при подаче на вход УН напряжения с амплитудой 8,5 кВ он обеспечивает получение на его выходе среднего значения постоянного (положительного) напряжения 25 кВ (при токе, потребляемом его нагрузкой, порядка 1 мА), т.е. маркировка говорит только о его входных и выходных параметрах.

Для получения высокого напряжения в ТВ используется импульсное напряжение, возникающее во вторичной обмотке ТВС во время обратного хода луча, следующее с частотой 15625 Гц, с длительностью (положительного) импульса около 12 мкс и скважностью около пяти.

При большом коэффициенте умножения значительную величину составляет также падение напряжения в прямом направлении на выпрямительных столбах, каковыми являются выпрямители УН. Например, для столба 5ГЕ600АФ, при работе его в качестве единичного выпрямителя, падение напряжения в прямом направлении составляет 800 В [7]!

Из вышесказанного следует, что элементы УН к тому же служат для питающего импульсного напряжения также и интегрирующей цепью, снижающей относительно входного напряжения величину среднего значения постоянного напряжения (при токе нагрузки 1 мА) до величины приблизительно 5 кВ на одно звено. Именно эти факторы и являются основными, оказывающими влияние на величину выходного напряжения УН, а не примерная арифметика.

Исторически применение в качестве выпрямителей в первых образцах УН для ТВ селеновых диодов было определено достигнутым на тот момент уровнем технологии, их низкой себестоимостью, а также мягкой электрической характеристикой, позволяющей включать последовательно практически неограниченное количество диодов.

Очевидно, что селеновые выпрямители в связи с большим внутренним сопротивлением лучше, чем кремниевые, переносят кратковременные перегрузки. По мере совершенствования технологии изготовления кремниевых диодов в УН ТВ стали применять кремниевые столбы типа КЦ106.

При ремонтах ТВ даже предварительная оценка возможного наличия дефектов в выпрямительных элементах УН авометром невозможна. Физический смысл этого явления заключается в том, что для открывания одного кремниевого диода к нему необходимо приложить в прямом направлении разность потенциалов порядка 0,7 В.

Если, к примеру, вместо столба КЦ106Г использовать эквивалент из отдельно взятых диодов КД105Б (иобр=400 В), то для получения обратного напряжения 10 кВ потребуется цепочка из 25 последовательно включенных диодов, в результате чего необходимое напряжение для их открывания составит 17,5 В, а авометр позволяет приложить только 4,5 В!

Единственное, что можно однозначно констатировать после измерения УН авометром, — при проверке исправного УН стрелка омметра не должна отклоняться при измерении сопротивления между любыми его электродами.

Простое решение для предварительной проверки на работоспособность элементов УН методом вольтметра было предложено в [8]. Суть предложения заключается в использовании для этой цели дополнительного источника (A1) постоянного напряжения (ИПН) 200…300 В и авометра, работающего в режиме вольтметра постоянного тока на пределе 200.300 В. Измерения производят следующим образом.

Авометр включают (рис.11) последовательно с одноименным полюсом ИПН и испытываемым выпрямительным столбом или УН. Алгоритм проверки.

Рис. 11. Схема включения авометра к выпрямительному столбу.

Если при измерении диода в противоположных направлениях показания вольтметра:

  • существенно различаются, то он исправен;
  • равны максимальному напряжению ИПН, то он пробит;
  • малы, то он оборван;
  • промежуточные величины говорят о наличии в нем значительных утечек.

Пригодность элементов испытываемого выпрямителя определяются эмпирически для конкретной марки статистическим методом сравнения с величинами падения напряжений, полученных практически при измерениях в прямом и обратном направлении исправного, аналогичного по марке столба или диода УН.

Радиолюбителям, которые занимаются ремонтом телевизионной техники на дому у заказчика, для предварительной проверки на работоспособность элементов УН методом вольтметра удобнее (исходя из массогабаритных размеров) использовать схему, показанную на рис.12 и предложенную в [12], которая питается через токоограничительные конденсаторы от сети 220 В.

Рис. 12. Схема питания с токоограничительными конденсаторами.

Схема хорошо зарекомендовала себя на практике, а по схемотехнике является выпрямителем с удвоением напряжения. Алгоритм измерений тот же. Эту же схему можно использовать и для устранения некоторых типов межэлектродных замыканий («прострела») в кинескопе.

Довольно часто спрашивают, можно ли вместо УН8.5/25-1,2 устанавливать УН9/27-1,3? Совет один: можно, но осторожно! Все зависит от остроты возникшей проблемы и модификации телевизора. Для сравнения рассмотрим схемы

УН8.5/25-1,2 (рис.8) и УН9/27-1,3 (рис.9). Из схем УН видно, что в принципе прямая замена возможна, а обратная нет, так как они имеют разное количество входящих радиокомпонентов.

Поэтому при установке УН9/27-1,3 в ТВ УЛПЦТ поступают следующим образом: замыкают между собой выводы входа для импульсного напряжения и вывода «V»; провод от ТВС припаивают к соответствующему входу УН9/27; провод со знаком «земля» подсоединяют по кратчайшему расстоянию ко второму контакту ТВС; провод, идущий к варистору фокусировки, подсоединяют к выводу «+F», причем штатный конденсатор фильтра фокусировки С23* (согласно заводской схеме на ТВ) можно отключить, поскольку его функцию может выполнить конденсатор С1 (рис.10), который установлен внутри УН. К выводу «+» подсоединяют высоковольтный провод с «присоской» и ограничительным резистором Rф.

Получившееся в результате такой замены некоторое улучшение качества изображения на экране ТВ говорит совсем не о том, что это результат замены!

Причина заключается прежде всего в том, что в УН9/27-1,3 в качестве вентилей использованы кремниевые столбы типа КЦ106Г, падение напряжения на которых в прямом направлении (как упоминалось ранее) существенно меньше, чем на столбах типа 5ГЕ600АФ, которые входят в состав УН 8. 5/25-1,2.

Именно на величину этой разницы и возрастает напряжение на выходе УН, а значит, и на втором аноде кинескопа, что и наблюдается визуально как увеличение яркости!

Кроме того, в ТВ УЛПЦТ при установке УН9/27-1,3 необходимо заменить штатную «присоску» с установленным внутри нее высоковольтным резистором 4,7 кОм Rф) «присоской» от ТВ 3УЦСТ с резистором 100 кОм. Rф выполняет три функции: является частью звена сглаживающего RC-фильтра для цепи высокого напряжения, образованного им и емкостью ак-вадага кинескопа Са (рис.9, 10), а также защитным резистором по постоянному току, ограничивающим его величину в цепи УН при случайных кратковременных межэлектродных пробоях внутри кинескопа (что в старых кинескопах происходит весьма часто и непредсказуемо).

Он же является и «сгорающим предохранителем», защищающим ТВС при пробое диодов УН, когда переменное напряжение, поступающее от ТВС, практически замыкается на корпус через Са, величина реактивного сопротивления которой для токов строчной частоты достаточно мала.

Поэтому следует иметь в виду, что значительно меньшая величина суммарного внутреннего сопротивления УН9/27-1,3 при малой величине (или отсутствии по тем или иным причинам) Rф в случаях замены УН нежелательна, поскольку может привести при появлении вышеуказанных неисправностей как к выходу из строя ТВС, так и к возгоранию самого ТВ.

Практические рекомендации по «ремонту» УН8/25-1,2 описаны в [8]. Суть «ремонта» заключается в высверливании с помощью сверла диаметром 6 мм вышедшего из строя VD1 (рис.9) и замену его диодом, расположенным снаружи Ун.

Из неработоспособных в ТВ УН при определенном навыке и аккуратности можно «добыть» (если повезет) высоковольтные конденсаторы, которые могут еще послужить для срочного ремонта ТВ модификаций УЛПЦТИ или УПИМЦТ или для экспериментов с другими конструкциями.

Для этого вначале аккуратно разбивают молотком корпус УН и освобождают от компаунда корпуса конденсаторов, а затем отделяют последовательным откалыванием с помощью боко-резов их выводы от взаимных соединений и остатков компаунда. Практические разборки трех экземпляров каждой марки УН показали, что в УН8/25-1,2 конденсаторы имеют на корпусе маркировку К73-13 2200×10 кВ.

В УН9/27-1,3 (рис.10), который по сравнению с УН8/25-1,2 имеет большее число элементов, но меньшие габаритные размеры, использованы конденсаторы (судя по технологии изготовления и материалу, из которого они изготовлены) того же типа (маркировка на корпусах не нанесена), которые конструктивно выполнены в виде трехвыводной (диаметром 16 мм) сборки (С2, С4 — рис.10) из конденсаторов емкостью по 1000 пФ, и четырехвыводной (С1, С3, С5 — рис.10) сборки диаметром 18 мм. Причем С1 имеет емкость 2200 пФ, а С3, С5 — по 1000 пФ. Обе сборки имеют длину 40 мм.

Медицина

Одним из «экзотических» примеров применения УН в медицинской аппаратуре является его использование в конструкции электроэффлювиальной люстры (ЭЛ), которая предназначена для получения потока отрицательных ионов, оказывающих благоприятное воздействие на дыхательные пути человека.

Для получения высокого отрицательного потенциала для излучающей части генератора аэроионов использован УН с отрицательным выходным напряжением. Из-за достаточно большого объема [2, 11] вспомогательной информации рекомендации по конструкции и применению ЭЛ выходят за рамки настоящей статьи, поэтому ЭЛ упомянута только информативно.

Детали к схемам

Спецификация к рисункам:

  • к рис.2: С1-С4 — К50-20;
  • к рис.6: С1-С2 — КВИ-2;
  • к рис.7: С1, С2 — МБГЧ; С3-С5 — КСО-2;
  • к рис.10: С1-С6 — К15-4;
  • к рис.12: С1, С2 — К42У-2, С3, С4 -К50-20.

С.А. Елкин, г. Житомир, Украина. Электрик-2004-08.

Литература:

  1. Елкин С.А. Бесстартерный запуск ламп дневного света//Э-2000-7.
  2. Иванов Б. С Электроника в самоделках. М.: ДОСААФ, 1981.
  3. Казанский И.В. Усилитель мощности КВ радиостанции//В помощь радиолюбителю. — Выпуск 44. — М.: ДОСААФ, 1974.
  4. Костюк А. Усилитель мощности для СВ радиостанции//Радиолюбитель. -1998. — №4. — С.37.
  5. Кузинец Л.М. и др. Телевизионные приемники и антенны: Справ. — М.: Связь, 1974.
  6. Поляков В.Т. Радиолюбителям о технике прямого преобразования. — М.: Патриот, 1990.
  7. Пляц О.М. Справочник по электровакуумным, полупроводниковым приборам и интегральным микросхемам. -Минск: Высшая школа, 1976.
  8. Сотников С. Неисправности умножителя напряжения и цепей фокусиров-ки//Радио. — 1983. — №10. — С.37.
  9. Садченкова Д Умножители напря-жения//Радіоаматор. — 2000. — №12. -С.35.
  10. Фоменков А.П. Радиолюбителю о транзисторных телевизорах. — М.: ДОСААФ, 1978.
  11. Штань А.Ю, Штань Ю.А. О некоторых особенностях применения ионизаторов воздуха//Радіоаматор. — 2001. — №1. — С.24.
  12. 12. Ященко О. Устройство для проверки и восстановления кинескопов//Радио. — 1991. — №7. — С.43.

Электрик-2004-09.

Работа с более высокими напряжениями, Часть 2: Умножители напряжения

В части 1 часто задаваемых вопросов мы рассмотрели методы умеренного повышения более низких напряжений, а также повышения напряжения до гораздо более высокого значения.

Обсуждаемые до сих пор методы повышают и, таким образом, умножают напряжение, но так называемые «умножители напряжения» обычно дают импульсное напряжение до гораздо более высоких значений. Конструкция и соображения резко меняются, когда выходное напряжение начинает приближаться к 100 В, а затем достигает диапазона >1000 В. К счастью, многим из этих систем с более высоким напряжением требуется лишь небольшой ток (100 мА или меньше), что несколько упрощает проблему.

В: Почему нельзя просто использовать трансформатор с подходящим коэффициентом трансформации, чтобы умножить входное напряжение в 10 или 1000 раз или на что угодно?

О: Теоретически можно. Но по мере увеличения коэффициента трансформации и вторичного напряжения возникают проблемы дополнительной неэффективности из-за потерь в трансформаторе (возможно, приемлемых) и, среди прочего, пробой изоляции проводов под высоким напряжением. Это не означает, что это невозможно сделать, но это может быть трудным подходом из-за практических соображений.

В: Использовался ли коммерческий подход с трансформатором?

A: Да, он успешно использовался в конфигурации, называемой обратноходовым преобразователем, во многих приложениях (, каталожный номер 3 ), например, для электронно-лучевых трубок (ЭЛТ) массовых телевизоров, которые доминировали в видео мире более 50 лет (до тех пор, пока плоские светодиодные / ЖК-панели не заняли свое место). В конструкции обратного хода используется специальный трансформатор, который представляет собой комбинацию трансформатора и катушки индуктивности для накопления энергии.

В: Итак, что еще можно сделать для повышения напряжения?

A: Существуют различные топологии, в которых используются пассивные компоненты для умножения входного напряжения. Как правило, они основаны на комбинации диодов и конденсаторов в последовательности каскадов. Эти каскады используют напряжение предыдущего каскада.

В: Какова общая структура этих схем?

A: Эти умножители напряжения представляют собой специализированные выпрямительные схемы, которые развивают выходное напряжение, которое (теоретически) в целое число раз превышает входное пиковое значение переменного тока, например, ×2, ×3 или ×4, умноженное на пиковое входное значение переменного тока. Обычно они конфигурируются как стек полуполупериодных или двухполупериодных выпрямителей.

В: Можете показать пример?

A: Схема На рис. 1 показан трехступенчатый умножитель. Действие заключается в следующем: каждый цикл входного переменного тока заряжает различные конденсаторы, и каждый конденсатор в конечном итоге заряжается последовательными циклами переменного тока до пикового значения входной синусоидальной волны. Таким образом, для среднеквадратичного линейного напряжения 120 В переменного тока пиковое значение составляет 170 В. Если сделать это на нескольких конденсаторах, каждый из которых заряжается независимо, а затем разрешить последовательное соединение этих конденсаторов, выходное напряжение будет суммой напряжений отдельных конденсаторов. .

Рис. 1: В базовой конфигурации умножителя напряжения используется цепочка конденсаторных диодов, расположенных как выпрямители, при этом конденсаторы заряжаются от сети переменного тока, а затем последовательно складываются их напряжения на выходе. (Источник изображения: Spellman High Voltage Electronics Corporation)

В: Но в этом устройстве нет ощутимого или видимого переключения, так как же происходит переход от зарядки к накоплению накопленного напряжения?

A: Используется стандартный выпрямитель. Диоды действуют как пассивные переключатели и предотвращают разрядку конденсаторов, когда входное напряжение начинает падать. Они пропускают ток к конденсаторам, но не пропускают ток от конденсаторов обратно к источнику входного сигнала.

В: Что делать, если мне нужно отрицательное высокое напряжение от умножителя?

A: Это единственная простая вещь в высоковольтных умножителях: просто поменяйте полярность всех умножающих диодов и конденсаторов, чтобы получить умножитель с отрицательным напряжением.

В: Звучит достаточно просто, но так ли это?

О: Абсолютно нет! Во-первых, диоды и конденсаторы должны иметь минимальное номинальное напряжение обратного пробоя, по крайней мере, в два раза превышающее пиковое напряжение на них. Даже если вы начинаете с линии 120 В переменного тока (пиковое значение 170 В), вам потребуются компоненты, рассчитанные как минимум на 1700 В, если вы строите 10-кратное (плюс коэффициент ×2 или более для запаса прочности, т.е. курс).

В: Каковы другие проблемы в высоковольтных конструкциях, подобных этим?

A: Во-первых, они могут отдавать очень небольшой ток при таком высоком напряжении: как только вы начинаете потреблять ток для нагрузки, накопленный заряд и, следовательно, напряжение падают. Во многих случаях это слишком ограничительно, поскольку многим приложениям с более высоким напряжением требуется лишь небольшой ток, например, для создания электрического поля.

В: Любые другие проблемы?

A: Их много, поскольку физика мира высоких напряжений имеет много точек, в которых происходят «странные» вещи; повышение напряжения не является линейной ситуацией (подумайте об этом как о переходе воды через точку замерзания). Например, цепи высокого напряжения будут иметь коронный разряд от острых точек. Оба они опасны сами по себе, а также вызывают точечную коррозию металлических контактов и могут пробить изоляторы. Даже «мелочи», такие как паяные соединения, являются проблемой для короны.

В: Как так?

О: Вы можете предположить, что стандартное, хорошо выполненное паяное соединение подойдет, но оно будет служить отправной точкой для коронного разряда. Поэтому в высоковольтном исполнении вместо этого часто используется «шариковая пайка» с использованием больших сферических соединений пайки (рис. 2) . Гладкая сферическая форма паяного соединения большого диаметра помогает контролировать локальное электрическое поле, тем самым подавляя образование короны.

Рис. 2. В терминах высокого напряжения каждый аспект физической конструкции имеет решающее значение: стандартное паяное соединение будет способствовать коронному разряду, поэтому соединения должны быть выполнены в виде шаров без углов. (Источник изображения: Spellman High Voltage Electronics Corporation)

В: Должен ли я построить собственную высоковольтную цепь?

A: Плохая идея, потому что это гораздо больше, чем просто схема и спецификация, и сама спецификация содержит действительно уникальные детали. Это очень опасный мир, где просто «быть осторожным» недостаточно, и даже малейшая ошибка или оплошность имеют смертельные последствия. Физическое расстояние, характеристики компонентов, изоляционные свойства, несовершенства точечных отверстий и разрушение материала — это лишь некоторые из множества вопросов. Защита цепей также уникальна: необходимы специальные предохранители и другие устройства защиты от перенапряжения/перегрузки по току.

В: Похоже, никто этим не занимается, верно?

A: Неудивительно, что это не останавливает людей от этого, как видно из поста, в котором показано, как кто-то создает множитель для десятков киловольт ( Ссылка 7 ). Не пытайтесь повторить это дома (или даже в лаборатории), если рядом с вами нет кого-то, кто имеет опыт строительства высоковольтных систем (и может позвать на помощь — хотя обычно в этот момент уже слишком поздно!). Наконец, есть сложные вопросы регулирования, если вы собираетесь производить и продавать продукт.

В: Можете ли вы привести пример высоковольтного умножителя, использованного в недавнем привлекающем внимание проекте?

О: Да, действительно. Команда Массачусетского технологического института недавно построила и испытала самолет с размахом крыльев в несколько метров, но без движущихся частей (подробности в , каталожные номера 8 и 9 ), (рис. 3) . Вместо этого он использует поток отрицательных ионов, притягиваемых высоковольтным положительным электростатическим полем через заднюю кромку крыла. Этот свободно летающий летательный аппарат без привязи имеет бортовую батарею (номинально на 200 В постоянного тока) для источника питания мощностью 600 Вт ( Рисунок 4 (разработан Исследовательской группой силовой электроники Исследовательской лаборатории электроники Массачусетского технологического института). В нем используется импульсный стабилизатор, за которым следует повышающий трансформатор 1:15, а затем шестиступенчатый двухполупериодный умножитель напряжения «Cockcroft-Walton» для обеспечения 20 кВ постоянного тока (см. , каталожные номера 10 и 11 ).

Рис. 3: Высокие напряжения являются ключевыми для некоторых очень необычных приложений, таких как этот самолет Массачусетского технологического института, который приводится в движение потоком ионов через крыло; ионы притягиваются к «забору» 20 кВ на задней кромке крыла. (Источник изображения: Массачусетский технологический институт) Рис. 4. В самолете Массачусетского технологического института находится подсистема питания постоянного/постоянного тока, которая преобразует 200 В постоянного тока от бортовых батарей в сигнал переменного тока, а затем преобразует его в 20 кВ постоянного тока с использованием топологии умножителя Кокрофта-Уолтона. (Источник изображения: Массачусетский технологический институт)

В этом разделе часто задаваемых вопросов кратко рассматривается странный, но важный мир высоковольтных усилителей и умножителей, некоторые из которых приводят к несколько более высоким напряжениям, а некоторые достигают киловольтного диапазона. Когда напряжение превышает 60 В, возникает проблема безопасности. Поскольку они достигают сотен и тысяч вольт, появляются дополнительные проблемы с характеристиками материалов и электрическими явлениями, которые показывают, что дизайн и конструкция для этих уровней — это совсем другой мир.

Ссылки

  1. EE World Online, «Часто задаваемые вопросы: что такое зарядный насос и почему он полезен? (Часть 1)»
  2. EE World Online, «Часто задаваемые вопросы: что такое зарядовый насос и чем он полезен? (Часть 2)»
  3. Википедия, «Обратноходовой преобразователь»
  4. Spellman High Voltage Electronics Corporation, «Справочное руководство по высокому напряжению»
  5. Spellman High Voltage Electronics Corporation, «Что такое умножитель напряжения?»
  6. Все о схемах, «Умножители напряжения (удвоители, утроители, учетверители и т. д.)»
  7. Инструкции, «Умножитель высокого напряжения»
  8. Массачусетский технологический институт, «Инженеры Массачусетского технологического института запускают первый в мире самолет без движущихся частей»
  9. MIT Electric Aircraft Initiative, «Инженеры Массачусетского технологического института запускают первый в мире самолет без движущихся частей в силовой установке»
  10. Университет штата Джорджия Гиперфизика, «Ускорители Кокрофта-Уолтона»
  11. Википедия, «Генератор Кокрофта – Уолтона»
  12. Wenzel Associates, TechLib, «Умножители напряжения Кокрофта-Уолтона»

Умножители напряжения.

Часть 9Режимы отказа

Виртуальный выпуск волшебного дыма.

Эксперименты с умножителем напряжения — Содержание

В комментариях к оглавлению умножителя напряжения кто-то спросил, что происходит, когда компонент в умножителе напряжения выходит из строя.

Я откопал коллекцию умножителей напряжения, которую собрал два года назад, когда впервые написал серию об 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, кажется, 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 того, какой диод или конденсатор выйдет из строя.

Существует два типа конденсаторов:

  1. Конденсаторы связи, позволяющие суммировать напряжения постоянного тока. (С1, С5 и С6.)
  2. Сглаживающие конденсаторы, благодаря которым постоянный ток больше похож на постоянный, а не на переменный. (С2, С3 и С4.)

Также есть два вида диодов:

  1. Зажимы, которые работают с разделительными конденсаторами для суммирования напряжений. (Д1, Д3 и Д5.)
  2. 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:

  1. Открыть
  2. Короткий

Давайте рассмотрим все комбинации.

Если конденсатор связи не открывается, 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.

Замыкание конденсатора связи

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 — меньшая мощность с большей пульсацией, 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.

Обрыв фиксирующего диода 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 один каскад 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 вещь.

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, когда С1 закорочен:

С1 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.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *