Множители напряжения (удвоители, тройники, учетверенные устройства и др.)

умножитель напряжения представляет собой специализированную схему выпрямителя, обеспечивающую выходной сигнал, который теоретически является целым числом, умноженным на пиковое входное значение переменного тока, например, в 2, 3 или 4 раза превышающее пиковое входное значение переменного тока. Таким образом, можно получить 200 В постоянного тока от источника переменного тока с пиковым напряжением 100 В, используя удвоитель, а 400 В постоянного тока - от учетверителя. Любая нагрузка в практической цепи снизит эти напряжения.

Сначала мы рассмотрим несколько типов умножителей напряжения - удвоитель напряжения (полуволновой и двухполупериодный), утроитель напряжения и учетверитель напряжения - затем сделаем несколько общих замечаний о безопасности умножителя напряжения и закончим с умножителем Кокрофта-Уолтона.

Удвоитель напряжения

Применение удвоителя напряжения - это источник питания постоянного тока, способный использовать источник переменного тока 240 В или 120 В переменного тока. В источнике питания используется двухполупериодный мост, выбранный переключателем, для выработки около 300 В постоянного тока от источника 240 В переменного тока. Положение переключателя 120 В переключает мост как удвоитель, вырабатывающий около 300 В постоянного тока из 120 В переменного тока. В обоих случаях вырабатывается 300 В постоянного тока. Это вход для импульсного регулятора, вырабатывающего более низкие напряжения для питания, скажем, персонального компьютера.

Полуволновой удвоитель напряжения

Удвоитель полуволнового напряжения на рисунке ниже (a) состоит из двух цепей:фиксатора в точке (b) и пикового детектора (полуволнового выпрямителя) на рисунке выше, который показан в измененной форме на рисунке ниже (c). C2 был добавлен к пиковому детектору (полуволновому выпрямителю).

Полупериодный удвоитель напряжения (а) состоит из (б) фиксатора и (в) полуволнового выпрямителя.

Анализ рабочих схем полуволнового удвоителя напряжения

Как показано на рисунке (b) выше, C2 заряжается до 5 В (4,3 В с учетом падения напряжения на диоде) на отрицательном полупериоде входного переменного тока. Правый конец заземлен проводкой D2. Левый конец заряжается на отрицательном пике входа переменного тока. Это действие фиксатора.

Во время положительного полупериода полуволновой выпрямитель вступает в игру, как показано на рисунке (c) выше. Диод D2 не в цепи, так как он смещен в обратном направлении. C2 теперь включен последовательно с источником напряжения. Обратите внимание на полярность генератора и C2, последовательного вспомогательного устройства. Таким образом, выпрямитель D1 видит всего 10 В на пике синусоиды, 5 В от генератора и 5 В от C2. D1 проводит сигнал v (1) (рисунок ниже), заряжая C1 до пика синусоидальной волны на 5 В постоянного тока (рисунок ниже v (2)). Форма волны v (2) - это выходной сигнал удвоителя, который стабилизируется на уровне 10 В (8,6 В с падением напряжения на диодах) после нескольких циклов входного синусоидального сигнала.

 * SPICE 03255.eps C1 2 0 1000p D1 1 2 диода C2 4 1 1000p D2 0 1 диод V1 4 0 SIN (0 5 1k) .model диод d .tran 0,01m 5m .end 

Удвоитель напряжения:вход v (4). v (1) ступень фиксатора. v (2) каскад однополупериодного выпрямителя, который является выходом удвоителя.

Двухполупериодный удвоитель напряжения

двухполупериодный удвоитель напряжения состоит из пары последовательно установленных однополупериодных выпрямителей. (Рисунок ниже) Соответствующий список соединений показан на рисунке ниже.

Анализ работы двухполупериодного удвоителя напряжения

Нижний выпрямитель заряжает C1 за отрицательный полупериод входного сигнала. Верхний выпрямитель заряжает C2 в положительном полупериоде. Каждый конденсатор получает заряд 5 В (4,3 В с учетом падения напряжения на диоде). Выход в узле 5 представляет собой последовательную сумму C1 + C2 или 10 В (8,6 В с диодными падениями).

 * SPICE 03273.eps * R1 3 0 100k * R2 5 3 100k D1 0 2 диода D2 2 5 диода C1 3 0 1000p C2 5 3 1000p V1 2 3 SIN (0 5 1k). модель диода d .tran 0,01 м 5м. конец 

Двухполупериодный удвоитель напряжения состоит из двух однополупериодных выпрямителей, работающих на чередующихся полярностях.

Обратите внимание, что выход v (5) на рисунке ниже достигает полного значения в течение одного цикла изменения входа v (2).

Двухполупериодный удвоитель напряжения:v (2) вход, v (3) напряжение в средней точке, v (5) напряжение на выходе

Получение двухполупериодных удвоителей из однополупериодных выпрямителей

На рисунке ниже показано получение двухполупериодного удвоителя из пары полуволновых выпрямителей противоположной полярности (а). Отрицательный выпрямитель пары для наглядности перерисован (б). Оба они объединены в пункте (c) на одной и той же земле. В (d) отрицательный выпрямитель переподключен для совместного использования одного источника напряжения с положительным выпрямителем. Это дает источник питания ± 5 В (4,3 В с диодным падением); тем не менее, между двумя выходами можно измерить 10 В. Контрольная точка заземления перемещается так, чтобы напряжение +10 В было доступно по отношению к земле.

Двухполупериодный удвоитель:(а) пара удвоителей, (б) перерисована, (в) используется совместно с землей, (г) используется один и тот же источник напряжения. (д) переместите точку на земле.

Утроение напряжения

утроитель напряжения (Рисунок ниже) построен из комбинации удвоителя и полуволнового выпрямителя (C3, D3). Однополупериодный выпрямитель вырабатывает 5 В (4,3 В) в узле 3. Удвоитель обеспечивает еще 10 В (8,4 В) между узлами 2 и 3. Всего 15 В (12,9 В) на выходном узле 2 относительно земля. Список соединений представлен на рисунке ниже.

Утроитель напряжения, состоящий из удвоителя, установленного поверх одноступенчатого выпрямителя.

Обратите внимание, что V (3) на рисунке ниже возрастает до 5 В (4,3 В) в первом отрицательном полупериоде. Вход v (4) смещен вверх на 5 В (4,3 В) за счет 5 В от однополупериодного выпрямителя. И еще 5 В на v (1) из-за фиксатора (C2, D2). D1 заряжает C1 (форма волны v (2)) до пикового значения v (1).

 * SPICE 03283.eps C3 3 0 1000p D3 0 4 диода C1 2 3 1000p D1 1 2 диода C2 4 1 1000p D2 3 1 диод V1 4 3 SIN (0 5 1k). модель диода d .tran 0,01 м 5 м .end 

Утроитель напряжения:v (3) однополупериодный выпрямитель, v (4) вход + 5 В, v (1) фиксатор, v (2) конечный выход.

Счетвер. напряжения

учетверитель напряжения представляет собой сложенную комбинацию двух удвоителей, показанную на рисунке ниже. Каждый удвоитель обеспечивает 10 В (8,6 В) для последовательной общей суммы на узле 2 по отношению к земле 20 В (17,2 В)

Список соединений представлен на рисунке ниже.

Счетверитель напряжения, состоящий из двух последовательно соединенных удвоителей, с выходом на узле 2

Формы сигналов квадруплера показаны на рисунке ниже. Доступны два выхода постоянного тока:v (3), выход удвоителя, и v (2), выход учетверителя. Некоторые из промежуточных напряжений на фиксаторах показывают, что входная синусоида (не показана), которая колеблется на 5 В, последовательно фиксируется на более высоких уровнях:на v (5), v (4) и v (1). Строго говоря, v (4) не является выходом фиксатора. Это просто источник переменного напряжения, подключенный последовательно к выходу удвоителя v (3). Тем не менее v (1) является фиксированной версией v (4)

 * SPICE 03441.eps * SPICE 03286.eps C22 4 5 1000p C11 3 0 1000p D11 0 5 диод D22 5 3 диода C1 2 3 1000p D1 1 2 диода C2 4 1 1000p D2 3 1 диод V1 4 3 SIN ( 0 5 1k) .model диод d .tran 0,01m 5m .end 

Счетверитель напряжения:постоянное напряжение доступно в точках v (3) и v (2). Промежуточные формы волны:фиксаторы:v (5), v (4), v (1).

Примечания по умножителям напряжения и источникам питания с линейным приводом

Здесь уместно сделать несколько замечаний по умножителям напряжения. Параметры схемы, использованные в примерах (V =5 В, 1 кГц, C =1000 пФ), не обеспечивают большого тока, микроампер. Кроме того, отсутствовали нагрузочные резисторы. Нагрузка снижает напряжения по сравнению с показанными. Если схемы должны управляться источником с частотой кГц при низком напряжении, как в примерах, конденсаторы обычно имеют номинал от 0,1 до 1,0 мкФ, чтобы на выходе имелся ток в миллиамперах. Если умножители работают с частотой 50/60 Гц, конденсаторы имеют от нескольких сотен до нескольких тысяч микрофарад, чтобы обеспечить выходной ток в сотни миллиампер. Если питание осуществляется от сети, обратите внимание на полярность и номинальное напряжение конденсаторов.

Наконец, любой источник питания с прямым питанием от сети (без трансформатора) опасен для экспериментатора и испытательного оборудования с питанием от сети. Коммерческие источники питания с прямым приводом безопасны, потому что опасная электрическая схема находится в кожухе для защиты пользователя. При установке в эти схемы электролитических конденсаторов любого напряжения, конденсаторы взорвутся, если полярность будет изменена. Такие цепи следует включать за защитным экраном.

Множитель Кокрофта-Уолтона

Умножитель напряжения из каскадных полуволновых удвоителей произвольной длины известен как Кокрофта-Уолтона множитель, как показано на рисунке ниже. Этот умножитель используется, когда требуется высокое напряжение при низком токе. Преимущество перед обычным источником питания состоит в том, что не требуется дорогой высоковольтный трансформатор - по крайней мере, не такой мощности, как выходная мощность.

Умножитель напряжения Кокрофта-Уолтона x8; вывод в v (8).

Пара диодов и конденсаторов слева от узлов 1 и 2 на рисунке выше составляет полуволновой удвоитель. Поворот диодов на 45 ^o против часовой стрелки, а нижний конденсатор на 90 ^o делает его похожим на рисунок до (а). Четыре секции удвоения каскадом расположены справа для теоретического коэффициента умножения x8. Узел 1 имеет форму волны фиксатора (не показана), синусоидальную волну, сдвинутую вверх на 1x (5 В). Остальные узлы с нечетными номерами представляют собой синусоиды, ограниченные последовательно более высокими напряжениями. Узел 2, выход первого удвоителя, представляет собой двойное постоянное напряжение v (2) на рисунке ниже. Последовательные узлы с четными номерами заряжаются до последовательно более высоких напряжений:v (4), v (6), v (8)

 D1 7 8 диод C1 8 6 1000p D2 6 7 диод C2 5 7 1000p D3 5 6 диод C3 4 6 1000p D4 4 5 диод C4 3 5 1000p D5 3 4 диод C5 2 4 1000p D6 2 3 диод D7 1 2 диод C6 1 3 1000p C7 2 0 1000p C8 99 1 1000p D8 0 1 диод V1 99 0 SIN (0 5 1k). модель диода d .tran 0,01m 50m .end 

Осциллограммы Кокрофта-Уолтона (x8). На выходе будет v (8).

Без диодных падений каждый удвоитель дает 2Vin или 10 В, учитывая, что два диодных падения (10-1,4) =8,6 В. Всего для 4 удвоителей ожидается 4 · 8,6 =34,4 В из 40 В.

Обращаясь к рисунку выше, v (2) примерно прав; однако v (8) <30 В вместо ожидаемых 34,4 В. Беда множителя Кокрофта-Уолтона состоит в том, что каждая дополнительная ступень добавляет меньше, чем предыдущая. Таким образом, существует практический предел количества стадий. Это ограничение можно обойти, изменив базовую схему. [ABR] Также обратите внимание на временную шкалу 40 мс по сравнению с 5 мс для предыдущих схем. Потребовалось 40 мсек для повышения напряжения до предельного значения для этой цепи. В списке соединений на рисунке выше есть команда «.tran 0.010m 50m» для увеличения времени моделирования до 50 мсек; хотя отображается только 40 мсек.

Умножитель Кокрофта-Уолтона служит более эффективным источником высокого напряжения для фотоэлектронных умножителей, требующих до 2000 В. [ABR] Кроме того, трубка имеет множество динодов , клеммы, требующие подключения к «четным» узлам пониженного напряжения. Последовательный ряд отводов умножителя заменяет тепловыделяющий резистивный делитель напряжения предыдущих разработок.

Умножитель Кокрофта-Уолтона, работающий от сети переменного тока, подает высокое напряжение на «ионные генераторы» для нейтрализации электростатического заряда и для очистителей воздуха.

Обзор множителя напряжения:

• Умножитель напряжения дает постоянный ток, кратный (2,3,4 и т. д.) пиковому входному напряжению переменного тока.
• Самый простой множитель - это полуволновой удвоитель.
• Двухполупериодный дублер - превосходная схема в качестве удвоителя.
• Триплер - это однополупериодный удвоитель и обычный выпрямительный каскад (пиковый детектор).
• Четверной - это пара полуволновых удвоителей.
• Длинная цепочка полуволновых удвоителей известна как множитель Кокрофта-Уолтона.

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ТАБЛИЦЫ:

• Рабочий лист летних и вычитающих схем операционных усилителей