Умножитель напряжения: схема и работа утроителя напряжения (Voltage Tripler)

Схема утроителя напряжения на диодах и конденсаторах

Что такое утроитель напряжения?

Утроитель напряжения (Voltage Tripler) — схема, выдающая на выходе напряжение, в 3 раза превышающее амплитуду входного переменного напряжения (3 × Vpeak). Относится к каскадным умножителям напряжения (вillard, коккрофт-олтон). Применяется когда нужно высокое напряжение при малом токе, позволяет убрать или уменьшить трансформатор.

Компоненты

• 3 диода 1N4007 (или аналогичные кремниевые выпрямительные)
• 3 конденсатора 22 мкФ (электролитические, на напряжение > Vpeak)
• Трансформатор понижающий 9-0-9 (двойная обмотка 9 В)
• Мультиметр для измерений

Принцип работы диода и конденсатора (кратко)

Диод 1N4007 — однополярный прибор, пропускает ток анод→катод. Прямой порог ~0,7 В. В обратном смещении блокирует ток до пробоя.

Конденсатор — накапливает заряд между обкладками. В выпрямителях сглаживает пульсации: заряжается на пике, разряжается в паузах, выдавая постоянный ток.

Схема утроителя (описание соединений)

Каскад из 3 ступеней (D1-C1, D2-C2, D3-C3):

1. Трансформатор 9 В (RMS) → пик Vpeak = 9 × √2 ≈ 12,7 В.
2. Положительная полуволна: D1 открыт, C1 заряжается до +Vpeak (12,7 В). D2, D3 закрыты.
3. Отрицательная полуволна: D2 открыт, D1 закрыт (блокирует разряд C1). C2 заряжается через D2 от суммы: напряжение C1 (Vpeak) + отрицательный пик трансформатора (Vpeak) = 2×Vpeak ≈ 25,4 В.
4. Следующая положительная полуволна: D1 и D3 открыты, D2 закрыт. C3 заряжается до напряжения C2 = 2×Vpeak.
5. Выход: C1 и C3 последовательно → сумма Vpeak + 2×Vpeak = 3×Vpeak ≈ 38,1 В.

Практический результат

• Теория: 3 × 12,7 = 38,1 В.
• Реальность: ~37,3 В.
• Потери: ~0,8 В на прямых падениях 3-х диодов (3 × 0,7 В ≈ 2,1 В, но ток мал, падение меньше). Формула: Vout = 3 × Vpeak – ΣVf(диодов).

Особенности и применение

• Ток нагрузки очень мал (мА) — схема не для питания нагрузок.
• Выходное напряжение нестабильно без нагрузки, проседает при нагрузке.
• Используется в: детекторах ионизирующего излучения, фотоумножителях, ионных насосах, статике, экспериментальной физике, старых ТВ (анодный питание КИН), лазерных драйверах.
• Для больших токов — нужны конденсаторы больше емкости и диоды Шоттки (меньше Vf).

Связанные темы

• Понижающий преобразователь (Buck Converter)
• Повышающий преобразователь (Boost Converter)
• Защита от перенапряжения (Crowbar, Zener)
• Преобразователь 12В→5В