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 .
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 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 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 .
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 . 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 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 .
Светотехника
Примером использования умножителя напряжения на четыре 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 ) 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" 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 .
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 !
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 . 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 , 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.
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 2200x10 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 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:
- Елкин С.А. Бесстартерный запуск ламп дневного света//Э-2000-7.
- Иванов Б. С Электроника в самоделках. М.: ДОСААФ, 1981.
- Казанский И.В. Усилитель мощности КВ радиостанции//В помощь радиолюбителю. - Выпуск 44. - М.: ДОСААФ, 1974.
- Костюк А. Усилитель мощности для СВ радиостанции//Радиолюбитель. -1998. - №4. - С.37.
- Кузинец Л.М. и др. Телевизионные приемники и антенны: Справ. - М.: Связь, 1974.
- Поляков В.Т. Радиолюбителям о технике прямого преобразования. - М.: Патриот, 1990.
- Пляц О.М. Справочник по электровакуумным, полупроводниковым приборам и интегральным микросхемам. -Минск: Высшая школа, 1976.
- Сотников С. Неисправности умножителя напряжения и цепей фокусиров-ки//Радио. - 1983. - №10. - С.37.
- Садченкова Д Умножители напря-жения//Радіоаматор. - 2000. - №12. -С.35.
- Фоменков А.П. Радиолюбителю о транзисторных телевизорах. - М.: ДОСААФ, 1978.
- Штань А.Ю, Штань Ю.А. О некоторых особенностях применения ионизаторов воздуха//Радіоаматор. - 2001. - №1. - С.24.
- 12. Ященко О. Устройство для проверки и восстановления кинескопов//Радио. - 1991. - №7. - С.43.
После того как на современном рынке электроники появились миниатюрные конденсаторы, имеющие большую емкость, стало возможным использование в электронных схемах методики, связанной с умножением напряжения. Для этих целей разработано специальное устройство - умножитель напряжения, основой которого являются диоды и конденсаторы, подключенные в определенном порядке. Суть работы этого устройства заключается в преобразовании переменного напряжения, получаемого из низковольтного источника, в высокое напряжение постоянного тока.
Благодаря малым габаритам данных приборов, существенно снизились и конечные размеры проектируемых электронных устройств. Существуют различные варианты данных приборов, в том числе умножитель напряжения Шенкеля и другие схемы, проектируемые для конкретной аппаратуры.
Общие сведения об умножителях напряжения
В электронике к умножителям напряжения относятся специальные схемы, с помощью которых уровень входящего напряжения преобразуется в сторону увеличения. Одновременно эти устройства выполняют еще и функцию выпрямления. Умножители применяются в тех случаях, когда нежелательно использовать в общей схеме дополнительный повышающий трансформатор из-за сложности его устройства и больших размеров.
В некоторых случаях трансформаторы не могут поднять напряжение до требуемого уровня, поскольку между витками вторичной обмотки может случиться пробой. Данные особенности следует учитывать при решении задачи, как сделать различные варианты удвоителей своими руками.
В схемах умножителей обычно используются свойства и характеристики однофазных однополупериодных выпрямителей, работающих на емкостную нагрузку. В процессе работы этих устройств между определенными точками создается напряжение с величиной, превышающей значение входного напряжения. В качестве таких точек выступают выводы диода, входящего в схему . При подключении к ним еще одного такого же выпрямителя, получится схема несимметричного удвоителя напряжения.
Таким образом, каждый умножитель напряжения как повышающее устройство может быть симметричным и несимметричным. Кроме того, все они разделяются на категории первого и второго рода. Схема симметричного умножителя представляет собой две несимметричные схемы, соединенные между собой. У одной из них происходит изменение полярности конденсаторов и проводимости диодов. Симметричные умножители имеют лучшие электрические характеристики, в частности выпрямляемое напряжение обладает удвоенной частотой пульсаций.
Различные типы таких приборов повсеместно используются в электронной аппаратуре и оборудовании. С помощью этих устройств появилась возможность осуществлять умножение и получать напряжение в десятки и сотни тысяч вольт. Сами умножители напряжения отличаются незначительной массой, малыми габаритами, они просты в изготовлении и дальнейшей эксплуатации.
Принцип работы
Для того чтобы представить себе как работает умножитель напряжения, рассматривается простейшая устройства, показанного на рисунке. Когда начинает действовать отрицательный полупериод напряжения, диод Д1 открывается и через него осуществляется зарядка конденсатора С1. Заряд должен сравняться с амплитудным значением подаваемого напряжения.
При наступлении периода с положительной волной происходит зарядка следующего конденсатора С2 через диод Д2. В этом случае заряд приобретает высокие удвоенные значения по сравнению с поданным напряжением.
Далее наступает отрицательный полупериод, в течение которого до удвоенного значения заряжается конденсатор С3. Таким же образом, во время дальнейшей смены полупериода, выполняется зарядка конденсатора С4, вновь с удвоенным значением.
Для того чтобы запустить устройство, требуются полные периоды напряжения в количестве нескольких циклов, создающие напряжения на диодах. Величина напряжения, получаемая на выходе, состоит из суммы напряжений конденсаторов С2 и С4, соединенных последовательно и заряжаемых постоянно. В конечном итоге, образуется величина выходного переменного напряжения, которое в 4 раза превышает значение напряжения на входе. В этом и заключается принцип работы умножителя напряжения.
Самый первый конденсатор С1, полностью заряженный, имеет постоянное значение напряжения. То есть, он выполняет функцию постоянной составляющей Ua, применяемой в расчетах. Следовательно, можно и дальше наращивать потенциал умножителя, подключая дополнительные звенья, сделанные по тому же принципу, поскольку напряжение на диодах в каждом из этих звеньев будет равно сумме входного напряжения и постоянной составляющей. За счет этого получается любой коэффициент умножения с требуемым значением. Напряжение на всех конденсаторах, кроме первого будет равным 2х Ua.
Если в умножителе используется нечетный коэффициент, для подключения нагрузки используются конденсаторы, расположенные в верхней части схемы. При четном, наоборот, задействуются нижние конденсаторы.
Примерный расчет схемы умножителя
Перед тем как начинать расчет, задаются основные характеристики устройства. Это особенно важно, когда необходимо изготовить умножитель напряжения своими руками. В первую очередь, это значения входного и выходного напряжения, мощность и габаритные размеры. Следует учитывать и некоторые ограничения, касающиеся параметров напряжения. Его величина на входе должна быть не более 15 кВ, границы диапазона частоты составляют от 5 до 100 кГц.
Рекомендуемое значение выходного высоковольтного напряжения - не выше 150 кВ. Величина выходной мощности умножителя напряжения составляет в пределах 50 Вт, хотя можно создать устройство и с более высокими параметрами, в котором мощность достигает даже 200 Вт.
Выходное напряжение находится в прямой зависимости с токовыми нагрузками и его можно рассчитать с помощью формулы: U вых = N х Uвх - (I (N3 + +9N2 /4 + N/2)) / 12FC, в которой N соответствует количеству ступеней, I - токовой нагрузке, F - частоте напряжения на входе, С - емкости генератора. Если заранее задать требуемые параметры, данная формула поможет легко рассчитать, какая емкость должна быть у конденсаторов, применяемых в схеме.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Умножитель напряжения - это система, которая призвана преобразовывать напряжение переменного тока источника небольшого напряжения в высокое напряжение постоянного тока.
Их применяют в радиоэлектронике: медицинской и телевизионной аппаратуре, измерительной технике, бытовой технике и др. Умножитель напряжения составляют диоды и конденсаторы, которые соединяют специальным образом. Умножители способны сформировать напряжение до вольт, при этом имеют небольшую массу и размер. Умножители просты в изготовлении, их несложно рассчитываются.
Однополупериодный умножитель
На рис.1 приведена схема однополупериодного последовательного умножителя.
В течение отрицательного полупериода напряжения происходит зарядка конденсатора через диод , который открыт. Конденсатор заряжается до амплитудной величины приложенного напряжения . В течение положительного полупериода заряжается конденсатор через диод до разности потенциалов . Далее в отрицательный полупериод конденсатор заряжается через диод до разности потенциалов . В очередной положительный полупериод конденсатор заряжается до напряжения . При этом умножитель запускается за несколько периодов изменения напряжения. Напряжение на выходе постоянное и оно является суммой напряжений на конденсаторах и , которые постоянно заряжаются, то есть составляет величину, равную .
Обратное напряжение на диодах и рабочее напряжение конденсаторов в таком умножителе равно полной амплитуде входного напряжения. При практической реализации умножителя следует обращать внимание на изоляцию элементов, чтобы не допускать коронного разряда, который может вывести прибор из строя. Если необходимо изменить полярность напряжения на выходе, то меняют полярность диодов при соединении.
Последовательные умножители применяют особенно часто, так как они универсальны, имеют равномерное распределение напряжения на диодах и конденсаторах. С их помощью можно реализовать большое количество ступеней умножения.
Применяют, также параллельные умножители напряжения. Для них необходима меньшая емкость конденсатора на одну ступень умножения. Но, их недостатком считают увеличение напряжения на конденсаторах с ростом количества ступеней умножения, что создает ограничение в их использовании до напряжения выхода около 20 кВ. На рис. 2 приведена схема однополупериодного параллельного умножителя напряжения.
Для того чтобы рассчитать умножитель следует знать основные параметры: входное переменное напряжение, напряжение и мощность выхода, необходимые размеры (или ограничения в размерах), условия при которых умножитель будет работать. При этом следует учесть, что напряжение входа должно быть менее чем 15 кВ, частота от 5 до 100 кГц, напряжение выхода менее 150 кВ. Температурный интервал обычно составляет -55. Обычно мощность умножителя составляет до 50 Вт, но встречаются и более 200 Вт.
Для последовательного умножителя, если частота на входе в умножитель постоянна, то выходное напряжение вычисляют при помощи формулы:
где — входное напряжение; - частота напряжения на входе; N - число ступеней умножения; C - емкость конденсатора ступени; I - сила тока нагрузки.
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
| Задание | Какова должна быть емкость (C) ступени последовательного умножителя напряжения, если требуется получить напряжение на выходе 800 В, при частоте 50Гц, силе тока 10 А, используя 4 ступени умножения? |
| Решение | Для последовательного умножителя напряжения будем использовать расчётную формулу вида: |
При решении схемотехнических задач бывают случаи, когда необходимо уйти от применения трансформаторов для увеличения выходного напряжения. Причиной тому чаще всего оказывается невозможность включить в устройства повышающие преобразователи из-за их массогабаритных показателей. В такой ситуации выходом является использование схемы умножителя.
Умножитель напряжения - определение
Устройство, под которым подразумевают умножитель электричества - это схема, позволяющая преобразовывать напряжение переменного тока или пульсирующее в постоянное, но более высокое по значению. Возрастание величины параметра на выходе прибора прямо пропорционально числу каскадов схемы. Самый элементарный из существующих умножителей напряжения был придуман учеными Кокрофтом и Уолтоном.
Современные конденсаторы, разработанные радиоэлектронной промышленностью, характеризуются небольшими размерами и сравнительно большой емкостью. Это позволило перестроить многие схемы и внедрить изделие в разные устройства. Собран умножитель напряжения на диодах и конденсаторах, подключенных своим порядком.
Кроме функции повышения электричества умножители одновременно преобразуют его из переменного в постоянное. Это удобно тем, что общая схемотехника прибора упрощается и становится более надежной и компактной. С помощью прибора можно достичь увеличения до нескольких тысяч вольт.
Где применяют устройство
Умножители нашли свое применение в разных типах устройств, это: системы лазерной накачки, устройства излучения рентгеновской волны в их блоках высокого напряжения, для подсветки дисплеев жидкокристаллической структуры, насосах ионного типа, лампах бегущей волны, ионизаторах воздушной среды, системах электростатических, ускорителях элементарных частиц, аппаратах для копирования, телевизорах и осциллографах с кинескопами, а также там, где требуется высокое постоянное электричество небольшой силы тока.
Принцип работы умножителя напряжения
Чтобы понять, как функционирует схема, лучше посмотреть работу так называемого универсального устройства. Здесь число каскадов точно не задано, а выходное электричество определяется формулой: n*Uin = Uout, где:
- n - количество присутствующих каскадов схемы;
- Uin - напряжение, подаваемое на вход устройства.
При начальном моменте времени, когда на схему приходит первая, допустим, положительная полуволна, диод входного каскада пропускает ее на свой конденсатор. Последний заряжается до амплитуды поступившего электричества. При второй отрицательной полуволне первый диод закрыт, а полупроводник второго каскада пускает ее к своему конденсатору, который также заряжается. Плюс к этому напряжение первого конденсатора, включенного последовательно со вторым, суммируется с последним и на выходе каскада получается уже удвоенное электричество.
На каждом последующем каскаде происходит то же самое - в этом принцип умножителя напряжения. И если просмотреть прогрессию до конца, то получается, что выходное электричество превосходит входное в энное количество раз. Но как и в трансформаторе, сила тока здесь будет уменьшаться при увеличении разности потенциалов - закон сохранения энергии также работает.
Схема построения умножителя
Вся цепь схемы собрана из нескольких звеньев. Одно звено умножителя напряжения на конденсаторе представляет собой выпрямитель однополупериодного типа. Для получения прибора необходимо иметь два последовательно соединенных звена, в каждом из которых есть диод и конденсатор. Такая схема является удвоителем электричества.
Графическое изображение устройства умножения напряжения в классическом варианте выглядит с диагональным положением диодов. От направления включения полупроводников зависит то, какой потенциал - отрицательный или положительный, будет присутствовать на выходе умножителя относительно его общей точки.
При объединении схем с отрицательным и положительным потенциалами на выходе устройства получается схема двухполярного Особенностью такого построения является то, что если измерить уровень электричества между полюсом и общей точкой и он превысит входное напряжение в 4 раза, то величина амплитуды между полюсами возрастет уже в 8 раз.
В умножителе общей точкой (которая соединена с проводом общим) будет та, где вывод питающего источника соединяется с выводом конденсатора, объединенного в группу с другими последовательно соединенными конденсаторами. В конце них берется выходное электричество на четных элементах - при четном коэффициенте, на нечетных конденсаторах, соответственно, при нечетном коэффициенте.
Накачка конденсаторов в умножителе
Иначе говоря, в устройстве умножителя постоянного напряжения происходит некоторый переходный процесс установления параметра на выходе соответствующего заявленному. Легче всего увидеть это на примере удвоения электричества. Когда через полупроводник D1 конденсатор C1 зарядится до полного значения, то в следующую полуволну он вместе с источником электричества одновременно заряжает второй конденсатор. C1 не успевает полностью отдать свой заряд C2, поэтому на выходе сперва не присутствует удвоенная разность потенциалов.
При третьей полуволне первый конденсатор подзаряжается и далее прикладывает потенциал к C2. Но напряжение на втором конденсаторе уже имеет встречное направление к первому. Поэтому выходной конденсатор подзаряжается не полностью. С каждым новым циклом электричество на элементе C1 будет стремиться к входному, напряжение C2 к удвоенному по величине.
Как рассчитать умножитель
Выполняя расчет устройства умножения, необходимо отталкиваться от исходных данных, которыми являются: нужный для нагрузки ток (In), напряжение на выходе (Uout), коэффициент пульсирования (Kp). Минимальная величина емкости элементов конденсаторов, выраженная в мкФ, определяется по формуле: С(n)=2,85*n*In/(Kp*Uout), где:
- n - число, во сколько раз увеличивается входное электричество;
- In - ток, протекающий в нагрузке (мА);
- Kp - коэффициент пульсирования (%);
- Uout - напряжение, полученное на выходе устройства (В).
Увеличивая полученную расчетами емкость в два или три раза, получают величину емкости конденсатора на входе схемы C1. Такой номинал элемента позволяет получить на выходе сразу полное значение напряжения, а не ждать, пока пройдет некоторое количество периодов. Когда работа нагрузки не зависит от скорости нарастания электричества до номинального на выходе, емкость конденсатора можно взять идентичную расчетным значениям.
Лучше всего для нагрузки, если коэффициент пульсаций умножителя напряжения на диодах не превышает величины 0,1 %. Удовлетворительным также является наличие пульсаций до 3 %. Все диоды схемы выбирают из расчета, чтобы они свободно могли выдержать силу тока, в два раза превышающую его значение в нагрузке. Формула расчета прибора с большой точностью выглядит так: n*Uin — (In*(n3 + 9*n2/4 + n/2)/(12 *f* C))=Uout, где:
- f - частота напряжения на входе устройства (Гц);
- C - конденсаторная емкость (Ф).
Преимущества и недостатки
Говоря о преимуществах умножителя напряжения, можно отметить следующие:
- Возможность получать на выходе значительные величины электричества - чем больше звеньев цепи, тем больший коэффициент умножения получится.
- Простота конструкции - все собрано на типовых звеньях и надежных радиоэлементах, редко выходящих из строя.
- Массогабаритные показатели - отсутствие громоздких элементов, таких как силовой трансформатор, уменьшают размеры и вес схемы.
Самый большой недостаток любой схемы умножителя в том, что невозможно получить при помощи его большой ток на выходе для питания нагрузки.
Заключение
Выбирая умножитель напряжения для конкретного устройства. важно знать, что симметричные схемы имеют лучшие параметры в плане коэффициента пульсаций, нежели несимметричные. Поэтому для чувствительных аппаратов целесообразнее использовать более стабильные умножители. Несимметричные простые в изготовлении, содержат меньше элементов.
В радиолюбительской практике часто требуется несколько напряжений для питания слаботочных узлов (специализированных микросхем, предварительных усилителей и т.п.), а имеющийся источник питания выдает одно напряжение. Чтобы не искать трансформатор с дополнительными обмотками, можно воспользоваться схемами умножения напряжения. Схема ниже:Предлагаем еще несколько схем умножения напряжения. Изображена мостовая двухтактная схема удвоения напряжения. В этой схеме частота пульсаций выпрямленного напряжения равна удвоенной частоте сети (fn=2fc), обратное напряжение на диодах в 1,5 раза больше выпрямленного, коэффициент использования трансформатора - 0,64. Ее можно представить в виде двух последовательно включенных однополупериодных схем, работающих от одной обмотки трансформатора и подключенных к общей нагрузке. Если среднюю точку (точку соединения конденсаторов) подключить к общему проводу, получится двухполярный источник с выходным напряжением ±U.
Вторая схема удвоения напряжения показана на рисунке 2, который вы видите ниже:
В ней вход (вторичная обмотка трансформатора) и выход имеют общую точку, что в ряде случаев может оказаться полезным. Здесь в течение отрицательного полупериода входного напряжения конденсатор С1 заряжается через диод VD2 до напряжения, равного амплитудному значению U-1. Во время положительного полупериода диод VD2 закрыт, а конденсатор С1 оказывается включенным последовательно с вторичной обмоткой Т1, поэтому конденсатор С2 через диод VD1 заряжается до удвоенного значения напряжения. Добавив к данной схеме еще один диод и конденсатор, получим варианты утроителей напряжения, которые представлены на следущих рисунках:
Схему на рис.2 можно каскадировать и получать весьма высокие напряжения. Такой каскадный умножитель представлен на рисунке:
В этой схеме все конденсаторы, за исключением С1, заряжаются до удвоенного напряжения Ui (Uc=2Ui), а С1 заряжается только до Ui. Таким образом, рабочее напряжение конденсаторов и диодов получается достаточно низким. Максимальный ток через диоды определяется выражением:
где lH-ток, потребляемый нагрузкой.
Необходимая емкость конденсаторов в этой схеме определяется по приближенной формуле:
С=2,85N*Iн/(Кп*Uвых) , Мкф
Где N-кратность умножения напряжения;
IН - ток нагрузки, мА;
Кп - допустимый коэффициент пульсаций выходного напряжения, %;
Uвыlx-выходное напряжение, В.
Емкость конденсатора С1 необходимо увеличить в 4 раза по сравнению с расчетным значением (хотя в большинстве случаев хватает и двух-трех- кратного увеличения). Конденсаторы должны быть с минимальным током утечки (типа К73 и аналогичные).
Умножать напряжение можно и с помощью мостовых выпрямителей. Схема ниже на рисунке 6:
Здесь удобно взять малогабаритные выпрямительные мосты, например, серий RB156, RB157 и аналогичные. Конденсаторы СЗ...С6 (и далее) - емкостью 0,22...0,56 мкФ. Следует учитывать возрастание напряжения на обкладках конденсаторов и соответствующим образом выбирать их рабочее напряжение. Это же относится и к конденсаторам фильтра С1, С2.
При совсем малых токах нагрузки можно воспользоваться схемой одно- полупериодного умножителя:
В зависимости от необходимого выходного напряжения Uвых=0,83Uo определяется количество каскадов N по приближенной формуле:
Где U1 - входное напряжение.
Емкость С конденсаторов С1...СЗ рассчитывается:
С=34Iн*(Т+2)/U2
где lH -ток нагрузки умножителя;
U2 - падение напряжения на R1 (обычно выбирается в пределах 3...5% от U-1).
Снизить коэффициент пульсаций в умножителях напряжения можно с помощью транзисторных фильтров (рис.8),
Которые существенно уменьшают пульсации и шумы выходного напряжения и характеризуются весь малыми массогабаритными показателями. Сейчас выпускаются мощные транзисторы с допустимым напряжением 1,5 кВ и выше при токе нагрузки до 10 А. Диоды выбираются из условия Uобр=1,5U0 и Iмакс=2Iвых - Емкость С конденсаторов С1, С2 рассчитывается по приближенной формуле:
С=125Iн/U0
Сопротивление резистора R1 выбирается в пределах 20... 100 Ом. Емкость конденсатора СЗ определяется из выражения:
С3=0,5*10^6/(m*fc*R1)
Где m - число фаз выпрямителя (т=2);
fc - рабочая частота умножителя (fc=50 Гц).
Сопротивление R2 подбирается экспериментально (в пределах 51...75 кОм), поскольку оно зависит от коэффициента усиления по току транзистора VT1. В фильтре можно использовать отечественные транзисторы КТ838, КТ840,КТ872, КТ834 и аналогичные.
Обсудить статью УМНОЖИТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЯ