Удвоитель напряжения: Легкая и дешевая альтернатива трансформаторно-выпрямительным схемам

Что такое удвоитель напряжения?

Удвоитель напряжения — схемы умножения напряжения с коэффициентом 2. На входе переменное напряжение, на выходе — постоянное, равное двум пиковым значениям входного. Таким образом, схема выполняет роль повышающего трансформатора (поднимает пиковое напряжение) и выпрямителя (преобразует переменный ток в постоянный).

Как умножители напряжения, удвоители являются базовыми ступенями высших каскадов. Каскадируя их, получают утроители, учетверители и т.д. Утроитель — 3 диода и 3 конденсатора, учетверитель — по 4 каждого. Можно масштабировать до любого нужного напряжения.

Как работает схема удвоителя напряжения?

Схема содержит 4 дискретных компонента: 2 диода и 2 конденсатора.

Компоненты расположены так, что в каждом полупериоде переменного тока проводит один диод. В положительном полупериоде диод D2 закрыт, заряжается только конденсатор C1 до пикового входного напряжения. В отрицательном полупериоде D1 закрыт, D2 открыт — заряжается C2. Но C1 уже заряжен из предыдущего полупериода. Его напряжение складывается с входящим AC-напряжением. Результат: на C2 получается удвоенное пиковое значение входного напряжения, но уже постоянного тока (ток течет в одну сторону). Удвоитель работает как закачка заряда, выдавая 2×Vin.

Типы удвоителей напряжения

• Полуволновой удвоитель (Half Wave Voltage Doubler)
• Полноволновой удвоитель (Full Wave Voltage Doubler)

Преимущества удвоителя напряжения

• Дешевле и легче трансформаторов.
• Может создавать отрицательное напряжение при смене полярности диодов и конденсаторов.
• Легко увеличить коэффициент умножения каскадированием одинаковых удвоителей.

Схема DC удвоителя напряжения

Для сборки (полуволнового или полноволнового) нужны: печатная плата (или макетная плата и провода), 2 диода, 2 конденсатора.

Входное AC-напряжение

AC-волна имеет положительные и отрицательные полупериоды. Удвоение происходит повторно при каждом цикле питания.

Vm — пиковое напряжение, Vin — входное. Vm = Vin на пике, используем Vm в формулах.

Полуволновой удвоитель

При показанной полярности входное напряжение запирает D2 (его N-сторона к плюсу, P — к минусу). D1 открыт (P к плюсу, N к минусу). D1 — короткое замыкание, D2 — разрыв. По закону Кирхгофа для C1: Vm – Vc1 = 0 → Vc1 = Vm.

В отрицательном полупериоде полярность меняется. D2 открыт, D1 закрыт. D1 — разрыв, D2 — замыкание. Закон Кирхгофа для C2: -Vm – Vm + Vc2 = 0. -Vm — входное напряжение (отрицательная полярность). Второе Vm — напряжение на C1, заряженном в прошлом цикле. Vc2 = 2Vm. Нагрузка на C2 дает удвоенное пиковое входное напряжение. C1 работает как накопитель (нет пути разряда), но в отрицательном полупериоде последовательно соединен с источником — напряжения складываются.

Полноволновой удвоитель

Измеряем напряжение на обоих конденсаторах C1 и C2. В положительном полупериоде Vin открывает D1, запирает D2. D1 — замыкание, заряжает C1. D2 — разрыв, C2 не заряжается. Vm – Vc1 = 0 → Vc1 = Vm.

В отрицательном полупериоде D1 закрыт, D2 открыт. -Vm + Vc2 = 0 → Vc2 = Vm. C1 зарядился в прошлом цикле, оба на пике Vm. Нагрузка на обоих конденсаторах дает 2Vm.

В чем разница?

Уравнения похожи, но полуволновой заряжает C1 в первом цикле, разряжает во втором. Создает пульсации с частотой сети — их трудно сгладить, выходная кривая негладкая.

Полноволновой удвоитель работает как два полуволновых выпрямителя — выходная кривая гладче. При расчетах предполагаем, что конденсаторы изначально разряжены.

Применение удвоителей напряжения

• Ионные насосы
• Кинокоскопы (CRT телевизоров)
• Рентгеновские установки
• Ксероксы
• Радиолокационное оборудование
• Бегущие волноводы
• Микроволновки
• Устройства от комаров (bug zappers)

Заключение

Удвоители напряжения — важные схемы во многих приборах: дешевы, легки. Трансформаторно-выпрямительные схемы дают более гладкое DC-напряжение, но по сумме плюсов и минусов удвоители выигрывают. К удвоителю можно добавить фильтрующие цепи для выравнивания выхода до уровня трансформаторно-выпрямительной схемы. Для закупки компонентов — обращайтесь к нам за доступными ценами.