Умножители напряжения: удвоитель, утроитель, учетверитель и схема Коккрофта-Уолтона

Умножитель напряжения — специализированный выпрямитель, выдающий DC выход, кратный пику AC входа — обычно 2×, 3× или 4×. На практике источник 100 В пик может дать ~200 В DC удвоителем или ~400 В учетверителем, хотя реальная нагрузка снизит эти значения.

Типы умножителей напряжения

Удвоитель напряжения

Большинство лабораторных блоков питания используют удвоитель для поднятия 120 В или 240 В AC до ~300 В DC. Полноволновой мост, настроенный как удвоитель, выдаёт тот же DC от 120 В или 240 В сети, затем питая коммутационный стабилизатор для низких напряжений.

Полуволновой удвоитель

Полуволновой удвоитель комбинирует клампер и полуволновой выпрямитель. Клампер заряжает конденсатор C2 до отрицательного пика входа (≈5 В минус падение диода), затем выпрямитель позволяет C2 добавиться к напряжению генератора во время положительной полуволны. Результирующий выход стабилизируется около 10 В (≈8,6 В с реалистичными падениями на диодах).

*SPICE 03255.eps C1 2 0 1000p D1 1 2 diode C2 4 1 1000p D2 0 1 diode V1 4 0 SIN(0 5 1k) .model diode d .tran 0.01m 5m .end

Иллюстрация: v(4) — вход, v(1) — этап клампера, v(2) — этап полуволнового выпрямителя, v(3) — итоговый выход.

Полноволновой удвоитель

Сложение двух полуволновых выпрямителей последовательно даёт полноволновой удвоитель. Один конденсатор заряжается на отрицательной полуволне, другой — на положительной. Два конденсатора вместе дают удвоенное напряжение с лучшей толерантностью к пульсациям.

*SPICE 03273.eps *R1 3 0 100k *R2 5 3 100k D1 0 2 diode D2 2 5 diode C1 3 0 1000p C2 5 3 1000p V1 2 3 SIN(0 5 1k) .model diode d .tran 0.01m 5m .end

Результат: v(5) достигает полного выхода за один входной цикл.

Вывод полноволновых удвоителей из полуволновых выпрямителей

Комбинация двух полуволновых выпрямителей противоположной полярности и переопределение земли даёт ±5 В питание (≈±4,3 В с падениями диодов). Выход между двумя выходами — 10 В.

Утроитель напряжения

Утроитель — по сути удвоитель, поставленный на полуволновой выпрямитель. Полуволновой этап добавляет ~5 В, удвоитель ~10 В, суммарно ~15 В (≈12,9 В с падениями диодов) относительно земли.

*SPICE 03283.eps C3 3 0 1000p D3 0 4 diode C1 2 3 1000p D1 1 2 diode C2 4 1 1000p D2 3 1 diode V1 4 3 SIN(0 5 1k) .model diode d .tran 0.01m 5m .end

Учетверитель напряжения

Сложение двух удвоительных этапов даёт учетверитель. Каждый удвоитель вносит ~10 В (≈8,6 В реалистично), суммарный выход ~20 В (≈17,2 В). Доступны два DC выхода: на промежуточном удвоителе и на финальной ступени.

*SPICE 03441.eps *C22 4 5 1000p *C11 3 0 1000p D11 0 5 diode D22 5 3 diode C1 2 3 1000p D1 1 2 diode C2 4 1 1000p D2 3 1 diode V1 4 3 SIN(0 5 1k) .model diode d .tran 0.01m 5m .end

Волны показывают последовательное зажимающее на более высоких уровнях: v(5), v(4), v(1).

Безопасность и практические соображения

• Типичные параметры симуляции (5 В, 1 кГц, 1 нФ) дают микроамперные токи; для миллиампер нагрузки используйте 0,1–1,0 мкФ конденсаторы на кГц схемах.
• Для 50/60 Гц сетевой работы конденсаторы должны быть сотни-несколько тысяч мкФ для сотен миллиампер.
• Всегда соблюдайте правильную полярность и номинальное напряжение электролитических конденсаторов — обратная полярность может вызвать взрыв.
• Схемы с прямым питанием от сети (без трансформатора) опасны; держите их в экранированных корпусах и никогда не собирайте на макетной плате без защиты.

Множитель Коккрофта-Уолтона

Коккрофт-Уолтон — каскад полуволновых удвоителей. С восемью ступенями (×8) может выдать ~30 В от 5 В пик входа, с учётом падений диодов. Хотя каждая добавленная ступень даёт меньшее приращение напряжения, топология избегает необходимости в высоковольтном трансформаторе.

D1 7 8 diode C1 8 6 1000p D2 6 7 diode C2 5 7 1000p D3 5 6 diode C3 4 6 1000p D4 4 5 diode C4 3 5 1000p D5 3 4 diode C5 2 4 1000p D6 2 3 diode D7 1 2 diode C6 1 3 1000p C7 2 0 1000p C8 99 1 1000p D8 0 1 diode V1 99 0 SIN(0 5 1k) .model diode d .tran 0.01m 50m .end

Реальные применения: фотоэлектронные умножители (до 2000 В) и ионные генераторы для очистки воздуха. Последовательность отводов заменяет резистивные делители, снижая тепло и повышая эффективность.

Ключевые выводы

• Умножитель напряжения масштабирует пик AC к более высокому DC уровню.
• Простейший — полуволновой удвоитель; полноволновые улучшают пульсации.
• Утроители комбинируют удвоитель с пиковым детектором; учетверители — два удвоителя.
• Коккрофт-Уолтон даёт масштабируемое высокое напряжение без дорогих трансформаторов.

Связанные рабочие листы

• Рабочий лист: Летние и вычитающие ОУ схемы