Андрей Смирнов
Время чтения: ~16 мин.
Просмотров: 0

Умножитель напряжения

Высокий КПД

Рисунок 3.Зависимость КПД и выходного напряжения от тока
нагрузки для удвоителя напряжения, работающего на
частоте 500 кГц, при входном напряжении 12 В, выходном
напряжении 24 В и токе нагрузки 7 А.

Благодаря отсутствию дросселя в схеме, все четыре MOSFET переключаются мягко, намного снижая коммутационные потери. Кроме того, в удвоителе на коммутируемом конденсаторе можно использовать MOSFET с низкими допустимыми напряжениями, что значительно уменьшает потери проводимости. Как показано на Рисунке 3, КПД преобразователя может достигать 98.8% в пике и 98% при полной нагрузке. Потери мощности сбалансированы между четырьмя ключами, что улучшает распределение тепла по плате, упрощая теплоперенос в конструкциях небольшого размера. Температура горячих пятен, которые видны на термограмме схемы (Рисунок 4), при естественном охлаждении всего на 35 °C превышает температуру окружающего воздуха, равную 23 °C.

Рисунок 4.Термограмма платы удвоителя напряжения в условиях
естественного охлаждения при входном напряжении 12 В,
выходном напряжении 24 В, токе нагрузки 7 А и температуре
воздуха 23 °C.

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.

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 удвоителя напряжения. 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.

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.

Умножитель напряжения ⋆ diodov.net

При изготовлении электронных устройств, в частности блоков питания, в некоторых случаях возникает необходимость иметь выпрямленное напряжение большей величины, чем на клеммах вторичной обмотке трансформатора или в розетке 220 В.

Например, после выпрямления сетевого напряжения 220 В на фильтрующем конденсаторе при очень малой нагрузке можно получить максимум амплитудное значение переменного напряжения 311 В. Следовательно конденсатор зарядится до указанного значения.

Однако применяя умножитель напряжения можно повысить его до 1000 В и более.

Удвоитель напряжения

Схема умножителя напряжения может выполняться в нескольких вариантах, одна принцип действия всех их заключается в следующем.

В разные полупериоды переменного тока происходит поочередно зарядка нескольких конденсаторов, а суммарное напряжение на них превышает амплитудное значение на обмотке.

Таким образом, за счет увеличения числа конденсаторов и, как далее будет видно, количества диодов, получают напряжение в несколько раз превышающее величину подведенного.

Теперь давайте рассмотрим конкретные примеры и схемные решения.

Пусть в начальный момент потенциалы на обмотке имеют такие знаки, что ток протекает от точки 1 к точке 2. Проследим дальнейший путь тока. Он протекает через конденсатор C2, заряжая его, и возвращается к обмотке через диод VD2.

В следующий полупериод ЭДС во вторичной обмотке направлена от точки 2 к 1 и через диод VD1 происходит зарядка конденсатора C1 до того же значения, что и С2.

Таким образом, за счет последовательного соединения двух конденсаторов C1 и C2 на сопротивлении нагрузки получается удвоенное напряжение.

Если измерить значение переменного напряжения на обмотке и постоянное на одном из конденсаторов, то они буде отличаться почти в 1,41 раза. Например при действующем значении на вторичной обмотке, равном 10 В, на конденсаторе будет приблизительно 14 В.

Это поясняется тем, что конденсатор заряжается до амплитудного, а не до действующего значения переменного напряжения. А амплитудное значения, как известно в 1,41 раза выше действующего.

К тому же мультиметром возможно измерить лишь действующие значения переменных величин.

Рассмотрим еще один вариант. Здесь для умножения напряжения используется несколько иной подход. Когда потенциал точки 2 выше потенциал т.1 под действием протекающего тока заряжается конденсатор С1, а цепь замыкается через VD2.

После изменения направления тока, вторичная обмотка W2 и конденсатор С1 можно представить, как два последовательно соединенные источника питания с равными значениями амплитуды, поэтому конденсатор С2 зарядится до их суммарного напряжения, т.е. на его обкладках оно будет в два раза больше, чем на выводах вторичной обмотки. Во время тога, как конденсатор С2 будет заряжаться, С1 наоборот, будет разряжаться. Затем все повторится снова.

Умножитель напряжения многократный

Процессы в схеме утроения напряжения протекают в такой последовательности: сначала заряжаются конденсаторы С1 и С3 через сопротивление R и соответствующие диоды VD1 и VD3. В следующий полупериод С2 через VD2 заряжается до удвоенного напряжения (С1 + обмотка) и на сопротивлении нагрузки получается утроенное значение.

Больший интерес имеет следующий умножитель напряжения. Рассмотрим принцип его работы. Когда потенциал точки 1 положителен относительно точки 2 ток протекает по пути через VD1 и С1 заряжая конденсатор.

В следующий полупериод, когда ток изменил свое направление, заряжается второй конденсатор через второй диод до величины, равного сумме напряжений на С1 и обмотке трансформатора. При этом С1 разрядится. В третий полупериод, когда первый конденсатор снова начнет заряжаться, С2 через третий диод разрядится на С3, зарядив его до двойного значения относительно выводов обмотки.

К концу третьего полупериода на нагрузку будет подано суммарное напряжение заряженных конденсаторов С1 и С3, т. е. примерно утроенное значение.

По аналогии с рассмотренными схемами могут быть построены схемы с большей кратностью умножения. Но следует помнить, что с увеличением числа умножений по причине большего содержание в схеме диодов и конденсаторов возрастает внутренне сопротивление выпрямителя, что приводит к дополнительной просадке напряжения.

Схемы с умножением напряжения применяются для питания малой нагрузки, т.е. сопротивление нагрузки должно быть высоким. В противном случае нужно использовать неполярные конденсаторы большой емкости, рассчитанные на высокое напряжение. Это связано с тем, что при значительном токе нагрузки конденсаторы будут быстро разряжаться, что вызовет недопустимо большие пульсации на нагрузке.

Умножители напряжения параллельные, последовательные, двухполупериодные, однополупериодные

А не забацать ли нам с утреца электроэффлювиальный излучатель?
Наполнить атмосферу лёгким отрицательным аэроионом —
чтоб не слабее воздуха гор, соснового леса или морского прибоя.
Что ещё надо человеку, чтобы встретить безмятежную старость?
А надо-то всего ничего — фруктовый кефир и источник напряжения на пару-тройку десятков киловольт.

Трансформатор на такие напряжения — штука нешуточная, специфическая, подвластная не каждому энтузиасту.
Значительно более простым решением будет использование умножителей напряжения, находящих место не только в радиолюбительских
поделках, но и широко применяющихся в электронных устройствах промышленного производства.
Происходит это благодаря приятным свойствам умножителей — возможности формировать высокое, до нескольких десятков и сотен тысяч вольт,
напряжение при малых габаритах, массе и простоте расчёта и изготовления.

Приведём основные типы умножителей напряжения.

Рис.1 Рис.2

Изображённый на Рис.1 умножитель напряжения относится к последовательным несимметричным умножителям (или несимметричным умножителям
2-го рода).
Подобные устройства наиболее универсальны, напряжение на диодах и конденсаторах распределены равномерно, можно реализовать большое
число ступеней умножения.
В данной схеме все конденсаторы, за исключением С1, заряжаются до удвоенного амплитудного напряжения 2×U, к конденсатору С1 приложено
амплитудное напряжение U, таким образом, рабочее напряжение конденсаторов и диодов получается достаточно низким.

Необходимая ёмкость конденсаторов в этой схеме определяется по приближенной формуле:

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

N—кратность умножения напряжения;
Iн — ток нагрузки, мА;
Кп — допустимый коэффициент пульсаций выходного напряжения, %;
Uвыx—выходное напряжение, В.

Ёмкость конденсатора С1 должна в 4 раза превышать расчётное значение С.
Максимально-допустимый ток через диоды должен как минимум в 2 раза превышать ток нагрузки Iн.

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

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

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

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

Приведу для наглядности калькулятор для расчёта элементов умножителей напряжения.
Здесь Rн = Uвых / Iн, либо Rн = Uвых² / Pн.

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

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

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

Рис.3 Рис.4

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

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

Технические характеристики

На практике умножитель имеет ряд недостатков. Если в умножитель добавляется слишком много секций, напряжение в последних секциях будет ниже ожидаемого, в основном из-за ненулевого импеданса конденсаторов в нижних секциях. Практически невозможно питание умножителя непосредственно напряжением промышленной частоты, так как в этом случае требуются конденсаторы большой ёмкости, что сильно ухудшает массогабаритные показатели устройства. Пульсации выпрямленного тока также усиливаются, что в некоторых случаях неприемлемо. Обычно на вход напряжение подаётся с выхода высокочастотного высоковольтного трансформатора и повышается до нужной величины в умножителе.

Существуют умножители на напряжения от нескольких сотен вольт до нескольких миллионов вольт.

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 удвоителя напряжения. 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.

Приложения

ТВ-каскад (зеленый) и обратноходовой трансформатор (синий).

В источниках высокого напряжения для ЭЛТ часто используются умножители напряжения со сглаживающим конденсатором конечной ступени, образованным внутренним и внешним аквадагным покрытием на самом ЭЛТ. ЭЛТ раньше были обычным компонентом телевизоров. Умножители напряжения до сих пор можно найти в современных телевизорах, копировальных аппаратах и устройствах защиты от насекомых .

Умножители высокого напряжения используются в оборудовании для окраски распылением, которое чаще всего встречается на предприятиях автомобильной промышленности. В сопле краскораспылителя используется умножитель напряжения с выходной мощностью около 100 кВ для электрического заряда распыленных частиц краски, которые затем притягиваются к противоположно заряженным металлическим поверхностям, подлежащим окраске. Это помогает уменьшить объем используемой краски и помогает равномерно распределить слой краски.

Распространенным типом умножителя напряжения, используемым в физике высоких энергий, является генератор Кокрофта – Уолтона (который был разработан Джоном Дугласом Кокрофтом и Эрнестом Томасом Синтоном Уолтоном для ускорителя частиц для использования в исследованиях, которые принесли им Нобелевскую премию по физике в 1951 году) .

3.1 Как произвести оплату на терминале Сбербанка?

Для ОПЛАТЫ картой, в зависимости от стартового сообщения, нужно выполнить следующие действия:

Порядок действий, если стартовое сообщение – Вставьте карту

если стартовое сообщение – Оплата

Если валюта проводимой операции – рубль, перейти к шагу 5.

Открыть меню POS-терминала –– нажать на клавишу , расположенную под отображением на дисплее (или нажать на функциональную клавишу F4).

В меню POS-терминала выбрать операцию ОПЛАТА:

Выбрать требуемый тип валюты (функция доступна опционально):

Ввести требуемую сумму ОПЛАТЫ и нажать клавишу :

Считать карту на POS-терминале:

или на ПИН-клавиатуре (опционально)

Ввести ПИН-код карты на POS-терминале:

или на ПИН-клавиатуре (опционально):

далее нажать клавишу

POS-терминал связывается с Банком для проведения операции:

На дисплее POS-терминала появляется сообщение:

На печать выводится два чека: один остается в ТСТ, другой отдается клиенту.

Операция

Если предположить, что пиковое напряжение источника переменного тока равно + U s , и что значения C достаточно высоки, чтобы позволить при зарядке протекать ток без значительного изменения напряжения, тогда (упрощенная) работа каскада будет такой: следует:


Иллюстрация описанной работы при + U s = 100 В

  1. отрицательный пик (-U s ): конденсатор C 1 заряжается через диод D 1 до U s  V ( разность потенциалов между левой и правой пластинами конденсатора составляет U s )
  2. положительный пик (+ U s ): потенциал C 1 складывается с потенциалом источника, таким образом заряжая C 2 до 2U s через D 2
  3. отрицательный пик: потенциал C 1 упал до 0 В, что позволяет C 3 заряжаться через D 3 до 2U s .
  4. положительный пик: потенциал C 2 повышается до 2U с (аналогично шагу 2), также заряжается C 4 до 2U с . Выходное напряжение (сумма напряжений ниже C 2 и C 4 ) повышается до тех пор, пока не будет достигнуто 4U s .

На самом деле, чтобы C 4 достиг полного напряжения , требуется больше циклов . Каждый дополнительный каскад из двух диодов и двух конденсаторов увеличивает выходное напряжение вдвое по сравнению с пиковым напряжением питания переменного тока.

Устройства для накачки лазера

Удвоитель напряжения для накачки лазера работает при высокой частоте. Модули для устройств используются лишь на конденсаторной основе. Многие модели показывают хорошую проводимость, но при этом номинальное напряжение составляет не более 10 В. В приборах применяются диоды разных типов.

Также стоит отметить, что на рынке представлены модификации с открытыми стабилизаторами. У них нет проблем с пригревом, однако модели не способны обеспечивать высокую частотность. Подключение устройств осуществляется через триоды. Также есть модификации на трансиверах. У них высокий параметр полюсной проводимости. Однако к недостаткам можно отнести быстрый износ конденсаторов, вызванный тепловыми потерями.

Источники

  • Степаненко, И. П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. — М.: Энергия, 1977.
  • Сухов, Н. Е. и др. Техника высококачественного воспроизведения. — Киев : Техніка, 1985.
  • Cordell, B. Designing Audio Power Amplifiers. — McGraw-Hill, 2011. — ISBN 9780071640244.
  • Duncan, B. High Performance Audio Power Amplifiers. — Newnes, 1996. — ISBN 9780750626293.
  • Hood, J. L. Chapter 14. Power Amplifier Stages // Audio and Hi-Fi Handbook / Editor: Sinclair, I.. — 3rd ed.. — Newnes, 1998. — P. 252-275. — ISBN 075063636X.
  • Hood, J. L. Valve and Transistor Audio Amplifiers. — Newnes, 2006. — ISBN 0750633565.
  • Jones, M. Valve Amplifiers (3rd edition). — Newnes / Elsevier, 2003. — ISBN 0750656948.
  • Self, D. Audio Power Amplifier Design Handbook. — 4th ed.. — Newnes, 2010. — ISBN 9780240521770.
  • Wai-Kai Chen. Analog and VLSI Circuits. — CRC Press, 2009. — (The Circuits and Filters Handbook, 3rd Edition). — ISBN 9781420058925.
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Максим Иванов
Наш эксперт
Написано статей
129
Ссылка на основную публикацию
Похожие публикации