Что такое умножитель напряжения
Содержание
Проектирование повышающих трансформаторов высокой мощности — сложная техническая задача, поэтому их часто заменяют умножителями напряжения. Благодаря этому решению уменьшается вес и стоимость высоковольтного источника постоянного тока. Существует немало оригинальных схем умножителей напряжения на диодах и конденсаторах. Каждая из них имеет свои недостатки и преимущества.
Общий принцип работы умножителя
Умножитель напряжения не только кратно увеличивает входной сигнал, но и трансформирует переменный ток в постоянный. Таким образом он дополнительно выполняет функцию выпрямителя. Повышение вольтажа происходит за счет эффекта накопления заряда между пластинами конденсаторов, которые для увеличения емкости ставят последовательно друг другу. Используя умножители напряжения для выпрямления, в их схемы добавляют полупроводниковые диоды, которые препятствуют процессу разряжения конденсаторов. Они тоже могут идти друг за другом, но иногда встречается мостовая схема включения.
Обычно схемы умножителей напряжения собираются из нескольких каскадов, которые могут включаться как последовательно, так и параллельно друг другу. При прохождении через каждую секцию умножителя напряжение увеличивается почти в два раза. Для выхода в рабочий режим устройству требуется пропустить через себя несколько полных периодов переменного напряжения.
На практике не рекомендуют использовать более четырех ступеней, так как каждая из них обладает сопротивлением, которое приводит к существенному затуханию входящего сигнала и приблизительно на пятом шаге сводит на нет весь процесс.
Напряжение на выходе умножителя зависит от тока нагрузки. Если частота и напряжение на входе постоянны, то его можно вычислить с помощью формулы:
Данная формула справедлива для последовательного умножителя. В случае с параллельным, выходной ток такого же значения можно получить с применением намного меньшей емкости. Например, если в последовательной схеме используется конденсатор 1000 пФ, то для параллельного трехступенчатого умножителя следует взять емкость 1000 пФ / 3 = 333 пФ.
Популярные схемы умножителей напряжения
Используя принцип работы умножителя напряжения, можно выделить одно- и двухполупериодные устройства.
Однополупериодная схема
В отрицательный полупериод диод первого выпрямителя открыт и его конденсатор заряжается до максимального вольтажа, который подан на вход. В следующий положительный полупериод конденсатор первого каскада разряжается, а конденсатор второго звена уже может зарядиться до суммарного напряжения как от его исходного источника, так и от разряжающегося конденсатора на входе. При использовании двух конденсаторов и двух вентильных диодов происходит удвоение вольтажа. Если к схеме добавить еще один удвоитель последовательно, то их напряжения еще сложатся. На выходе такой схемы появится уже учетверенное значение постоянного напряжения.
Иногда однополупериодные удвоители подключают параллельно друг другу. При использовании такой схемы можно использовать конденсаторы меньшей емкости, но последовательное каскадирование встречается в разы чаще. Считается, что нагрузка на расположенных друг за другом звеньях распределяется более равномерно.
Двухполупериодные схемы
Двухполупериодный или симметричный умножитель напряжения имеет похожий принцип работы. Для получения этой схемы достаточно подключить два несимметричных умножителя параллельно друг другу. Полюса полупроводниковых диодов и полярных конденсаторов второго умножителя разворачивают при этом в обратную сторону. Получается, что умножение на двух плечах устройства происходит поочередно. Собирая умножители напряжения по этой схеме, добиваются лучших электрических показателей.
Какая компонентная база используется
Все умножители базируются на использовании конденсаторов и диодов. Конденсаторы выбирают исходя из следующих тезисов:
- Выполняют расчет максимально допустимого напряжения и берут тот конденсатор, у которого запас по этому параметру более 20%. Стоит помнить о том, что при увеличении частоты входного сигнала допустимый вольтаж значительно падает.
- Предпочтительны радиокомпоненты с низким током утечки и минимальной паразитной индуктивностью.
- Если входное напряжение имеет частоту выше 500 Гц, целесообразно применять керамические или пленочные неполярные конденсаторы.
При выборе диодов руководствуются такими требованиями:
- Предельно допустимое обратное напряжение на диодах должно браться с запасом в 20%.
- Чем ниже величина паразитных емкостей этого полупроводника, тем лучше.
- Предпочтительно применение ультрабыстрых диодов, время переключения которых не превышает 50 нс.
Область применения УН
Рассмотренные схемы умножителей широко применяются в технике. Например, в ряде схем для запуска люминесцентных ламп стартер не используют, взамен ему ставят удвоитель, включенный параллельно переменному току. Благодаря высокому начальному напряжению, газоразрядная лампа дневного света включается почти мгновенно. После старта она выполняет роль шунта, а дроссель ограничивает проходящий через нее ток.
Высокое напряжение часто используется в медицине. К такой технике можно отнести люстры Чижевского (ионизаторы воздуха), бактерицидные лампы, приборы для электрофореза, рентгеновские аппараты и так далее.
Без умножителей не обходятся и мощные радиостанции. Они помогают увеличить дальность передачи сигналов, что особенно важно для систем КВ и УКВ диапазонов. Диодный умножитель входящего напряжения можно считать сердцем любого блока питания мощных лазерных установок.
Умножители напряжения являются базовыми устройствами и распространены повсеместно. Схемы их просты и часто подробно описаны. При построении умножающих каскадов используются типовые компоненты. Начинающий радиолюбитель легко сможет собрать это устройство.
Загрузка...
