Удвоитель напряжения:более дешевая и легкая альтернатива схемам трансформатор-выпрямитель

Вы думаете о создании испытательного оборудования высокого постоянного напряжения? Такое устройство необходимо для тестирования или создания электроники и устройств, требующих высокого постоянного напряжения, таких как микроволновые печи и электронно-лучевые трубки. Хотя для этой задачи можно использовать повышающий трансформатор и выпрямитель, трансформаторы являются тяжелыми и дорогими компонентами. Как таковые, они не обеспечивают лучшее решение. Двойник напряжения — лучшая альтернатива, для сборки которой требуется всего несколько компонентов. Мы изложили все детали, если вы хотите построить его для своего проекта. Но сначала давайте посмотрим на определение и типы удвоителей напряжения.

Что такое удвоитель напряжения?

Удвоитель напряжения представляет собой схему умножителя напряжения с коэффициентом умножения, равным двум. Он принимает переменное напряжение в качестве входного, а затем создает постоянное напряжение, эквивалентное удвоенному пиковому входному напряжению.

Таким образом, схема делает две вещи. Он берет на себя роль повышающего трансформатора, повышая пиковое напряжение переменного тока, и выпрямителя, поскольку преобразует переменный ток в постоянный.

Дизайн удвоителя напряжения

Источник:Викисклад.

Поскольку они являются умножителями напряжения, удвоители составляют основные строительные блоки или одиночные каскады схем более высокого порядка.

Вчетверо больше напряжения (обратите внимание на четыре диода и конденсаторы)

Источник:Викисклад.

Вы можете каскадировать аналогичные ступени для создания утроителей напряжения, четверок и т. д. У тройного напряжения три диода и конденсатора, а у четверного - по четыре. Схема может масштабироваться вверх, чтобы достичь любого напряжения, необходимого для проекта.

Как работает схема удвоения напряжения?

Удвоитель напряжения состоит из четырех дискретных компонентов, которые усиливают напряжение и заставляют ток течь в одном направлении. Это два диода и два конденсатора.

Схема удвоения напряжения

Источник:Викисклад.

Схема размещает компоненты так, чтобы один из диодов был проводником во время каждого цикла переменного напряжения. В положительный полупериод второй диод остается выключенным, поэтому только один конденсатор заряжается до пикового входного напряжения переменного тока.

Первый диод отключается во время отрицательного пика, но второй диод проводит и заряжает второй конденсатор. Однако в предыдущем цикле в схеме уже был заряжен конденсатор номер один. Следовательно, это напряжение добавляется к входящему напряжению переменного тока.

Результатом является удвоение пикового источника переменного напряжения на втором конденсаторе, но на этот раз постоянного, поскольку ток будет течь в одном направлении.

Таким образом, удвоитель действует как зарядный насос, выдавая 2Vin.

Типы удвоителей напряжения

• Полуволновой удвоитель напряжения
• Полноволновой удвоитель напряжения

Преимущества удвоителя напряжения

• Более дешевая и легкая альтернатива трансформаторам.
• Может создавать отрицательное напряжение, меняя полярность подключенных диодов и конденсаторов.
• Легко увеличить коэффициент умножения напряжения путем последовательного включения одинаковых удвоителей напряжения в цепи.

Схема удвоения постоянного напряжения

А вот и лучшая часть. Если вы хотите построить схему удвоения постоянного напряжения (половину или полную волну), вам потребуются следующие компоненты:

• Печатная плата (или макет и соединительные провода)
• Два диода
• Два конденсатора

Итак, как работает схема? Подробно рассмотрим схемы полуволнового и двухполупериодного удвоителей постоянного напряжения. Но сначала, вот как поступает ввод.

Входное напряжение переменного тока

Поскольку форма волны переменного тока имеет положительные и отрицательные полупериоды, в приведенном ниже объяснении описывается, что происходит только в этих двух циклах. Удвоение повторяется по мере того, как мощность поступает в цепь.

Кривая переменного тока, показывающая непрерывные положительные и отрицательные полупериоды

Vm — пиковое напряжение, а Vin — входное напряжение. Vm =Vin при пиковом напряжении, поэтому мы будем использовать Vm в уравнениях.

Полуволновой удвоитель напряжения

При полярности, показанной на диаграмме ниже, входное напряжение смещает диод D2 в обратном направлении. Его сторона N подключается к положительной клемме, а сторона P подключается к отрицательной клемме источника переменного тока.

Полярность цепи полуволнового удвоителя постоянного напряжения во время положительного полупериода

С другой стороны, D1 смещен в прямом направлении, потому что его стороны P и N подключены к положительному и отрицательному полюсам соответственно.

Следовательно, вы можете представить схему так, будто диод D1 образует короткое замыкание (токопроводящее соединение), а D2 — разомкнутую цепь. Вы можете использовать закон напряжения Кирхгофа, чтобы получить напряжение на конденсаторе C1 (Vc1).

Вм – Вк1 =0

Итак, Vc1 =Vm

Во время отрицательного полупериода полярность меняется, как показано ниже.

Полярность цепи удвоителя напряжения постоянного тока полуволны во время отрицательного полупериода

Во время этой волны Vin смещает диод D2 в прямом направлении. Его стороны N и P подключаются к отрицательной и положительной клеммам соответственно. Однако D1 получает обратное смещение.

Таким образом, вы можете перерисовать диаграмму так, чтобы D1 образовывал разомкнутую цепь, а D2 — короткое замыкание.

Используя закон напряжения Кирхгофа, мы можем определить напряжение на конденсаторе C2 по этой формуле.

-Vm – Vm + Vc2 =0

-Vm — входное напряжение (при отрицательной полярности)

Второй Vm — это напряжение на конденсаторе C1, который зарядился во время предыдущего цикла.

Следовательно, Vc2 =Vm + Vm, что эквивалентно 2Vm.

Если вы подключите нагрузку к конденсатору C2, вы получите удвоенное пиковое входное напряжение, создав эффект удвоения.

C1 действует как запоминающее устройство, потому что у него нет обратного пути для разрядки. Но во время отрицательного полупериода он последовательно подключается к источнику напряжения, поэтому напряжение двух источников суммируется.

Полноволновой удвоитель напряжения

Имея дело с двухполупериодным удвоителем, мы измеряем напряжение на обоих конденсаторах С1 и С2. Во время положительного цикла Vin смещает D1 вперед, а D2 — обратно.

Полярность цепи двухполупериодного удвоителя напряжения постоянного тока во время положительного полупериода

В этот период сопротивление на D1 отсутствует, поэтому он замыкается накоротко и заряжает конденсатор C1. Однако D2 действует как разомкнутая цепь из-за высокого сопротивления. Поэтому C2 не заряжается.

Используя закон Кирхгофа,

Вм – Вк1 =0

Следовательно, Vc1 =Vm

В отрицательный полупериод D1 смещается в обратном направлении, но полярность смещает D2 в прямом направлении.

Полярность цепи двухполупериодного удвоителя напряжения постоянного тока во время отрицательного полупериода

Применяя закон Кирхгофа,

-Vm + Vc2 =0

Итак, Vc2 =Vm

Помните, что C1 был заряжен в предыдущем цикле, поэтому оба имеют пиковое напряжение Vm. Следовательно, если вы подключите нагрузку к обоим конденсаторам, вы получите 2 Вм.

В чем разница?

Если вы посмотрите на уравнения, они чем-то похожи, так в чем же разница между полуволновым и двухполупериодным удвоителями напряжения?

Первый заряжает конденсатор C1 во время первого цикла, а затем разряжает его во время второго цикла. Это создает проблему создания напряжения пульсаций, равного частоте питания, что затрудняет сглаживание частоты пульсаций. Поэтому кривая выходного напряжения не очень гладкая.

Диаграмма пульсаций напряжения до и после сглаживания

Источник:Википедия

Однако двухполупериодный удвоитель напряжения действует больше как два однополупериодных выпрямителя. Поэтому кривая выходного напряжения более плавная.

Стоит отметить, что как для полуволновых, так и для двухполупериодных цепей мы должны предположить, что конденсаторы C1 и C2 изначально не имеют заряда.

Применение удвоителя напряжения

• Ионные насосы
• Телевизионная ЭЛТ
• Рентгеновские системы
• Копировальная машина
• Радиолокационное оборудование
• Лампы бегущей волны
• Микроволновые печи
• Устройства против насекомых

Обзор

В заключение, удвоители напряжения являются жизненно важными цепями во многих устройствах, потому что они дешевы в изготовлении и весят меньше, чем трансформаторы.

Тем не менее, схемы трансформатор-выпрямитель обеспечивают гораздо более плавные кривые выходного напряжения постоянного тока, но, учитывая плюсы и минусы каждой из них, удвоители напряжения имеют преимущество.

Кроме того, к удвоителю можно добавить схемы фильтров, чтобы сгладить выходной сигнал в соответствии с комбинацией трансформатор-выпрямитель.

Если вам нужны компоненты для изготовления этих схем, свяжитесь с нами, чтобы получить их по непревзойденным и доступным ценам.