Схема за умножение на Латур. Схема на умножители на напрежение
удвоител на напрежениетоприлагани за получаване от намалени AC напрежениепо-високо напрежение постоянен ток. Веригата на удвоителя на напрежението е доста проста и като правило се състои само от четири компонента - два токоизправителя и два.
Описание на удвоителя на напрежението
В тази верига за удвояване на напрежението C1 се зарежда през диода VD1 () на всеки положителен половин цикъл. Напрежението на кондензатор C1 е приблизително равно на входното променливотоково напрежение, умножено по коефициент 1,414 (U пик / U ефективно) или приблизително 311 волта, ако 220 V AC се приложи към входа.
Капацитет C2 се зарежда през диод VD2 на всеки отрицателен полупериод до 311 волта. Тъй като и двата кондензатора са свързани последователно, ще получим постоянно напрежение от 622 волта на изхода.
Тази схема ще работи с всяко входно AC напрежение, стига да е направен правилният избор на диоди и кондензатори. За да работи веригата правилно, е необходимо. 200 ома е проектирано да ограничава пусковите токове при използване на големи кондензатори. Стойността му не е критична.
Също така напрежението, взето от вторичната намотка на токоизправителя, може да се използва като източник на променливо напрежение. Тази опция е приложена в дизайна.
внимание.Тъй като веригата за удвояване на напрежението е изградена без трансформатор, трябва да се внимава изключително много, за да не получите токов удар.
При решаване на проблеми с веригата има случаи, когато е необходимо да се избяга от използването на трансформатори, за да се увеличи изходното напрежение. Причината за това най-често се оказва невъзможността за включване на повишаващи преобразуватели в устройствата поради техните тегловни и габаритни показатели. В такава ситуация решението е да се използва умножителна верига.
Умножител на напрежение - определение
Устройство, под което те разбират електрически умножител, е верига, която ви позволява да преобразувате напрежение променлив токили пулсираща до постоянна, но по-висока по стойност. Увеличаването на стойността на параметъра на изхода на устройството е право пропорционално на броя на етапите на веригата. Най-елементарният съществуващ умножител на напрежение е изобретен от учените Кокрофт и Уолтън.
Съвременните кондензатори, разработени от електронната индустрия, се характеризират с малък размер и сравнително голям капацитет. Това направи възможно възстановяването на много схеми и въвеждането на продукта в тях различни устройства. На диоди и кондензатори, свързани в собствен ред, беше монтиран умножител на напрежение.
В допълнение към функцията за увеличаване на електричеството, умножителите едновременно го преобразуват от AC в DC. Това е удобно с това, че цялостната схема на устройството е опростена и става по-надеждна и компактна. С помощта на устройството може да се постигне увеличение до няколко хиляди волта.
Къде се използва устройството
Мултипликаторите са намерили своето място различни видовеустройства, това са: лазерни помпени системи, устройства за излъчване на рентгенови вълни в техните високоволтови модули, за задно осветяване на дисплеи с течни кристали, йонни помпи, лампи с пътуваща вълна, йонизатори на въздуха, електростатични системи, ускорители на елементарни частици, копирни машини, телевизори и осцилоскопи с кинескопи, както и там, където се изисква голямо директно електричество с малка сила на тока.
Принципът на действие на умножителя на напрежението
За да разберете как функционира веригата, е по-добре да разгледате работата на т.нар универсално устройство. Тук броят на етапите не е точно определен, а изходната електроенергия се определя по формулата: n * Uin = Uout, където:
- n е броят на наличните етапи на веригата;
- Uin е напрежението, приложено към входа на устройството.
В началния момент от време, когато първата, да речем, положителна полувълна дойде във веригата, диодът на входния етап я предава на своя кондензатор. Последният се зарежда до амплитудата на входящата електроенергия. С втората отрицателна полувълна първият диод се затваря и полупроводникът на втория етап го пуска до своя кондензатор, който също е зареден. Освен това напрежението на първия кондензатор, свързан последователно с втория, се добавя към последния и изходът на каскадата вече е удвоено електричество.
На всеки следващ етап се случва същото - това е принципът на умножителя на напрежението. И ако погледнете прогресията до края, се оказва, че изходното електричество надвишава входа с определен брой пъти. Но както в трансформатора, силата на тока тук ще намалее с увеличаване на потенциалната разлика - законът за запазване на енергията също работи.
Схема за построяване на множител
Цялата верига на веригата е сглобена от няколко връзки. Една връзка на умножителя на напрежението на кондензатора е токоизправител от полувълнов тип. За да се получи устройството, е необходимо да има две последователно свързани връзки, всяка от които има диод и кондензатор. Такава верига е удвоител на електричество.
Графичното представяне на устройството за умножение на напрежението в класическата версия изглежда с диагоналното разположение на диодите. Посоката на включване на полупроводниците зависи от това какъв потенциал - отрицателен или положителен, ще присъства на изхода на умножителя спрямо общата му точка.
При комбиниране на вериги с отрицателен и положителен потенциал на изхода на устройството се получава биполярна верига.Особеност на тази конструкция е, че ако измерите нивото на електричеството между полюса и общата точка и то надвишава входното напрежение с 4 пъти, тогава големината на амплитудата между полюсите вече ще се увеличи с 8 пъти.
В умножителя общата точка (която е свързана с общия проводник) ще бъде тази, където изходът на източника на захранване е свързан към изхода на кондензатор, групиран с други последователно свързани кондензатори. В края им изходната електроенергия се взема на четни елементи - при четен коефициент, съответно на нечетни кондензатори при нечетен коефициент.
Помпени кондензатори в умножителя
С други думи, в устройството на умножителя на постоянно напрежение има определен преходен процес на настройка на параметъра на изхода, съответстващ на декларирания. Най-лесният начин да видите това е като удвоите електричеството. Когато чрез полупроводника D1 кондензаторът C1 се зареди до пълната си стойност, тогава в следващата полувълна той, заедно с източника на електричество, едновременно зарежда втория кондензатор. C1 няма време да се откаже напълно от заряда си на C2, така че в началото няма двойна потенциална разлика на изхода.
При третата полувълна първият кондензатор се презарежда и след това прилага потенциал към C2. Но напрежението на втория кондензатор вече има противоположна посока на първото. Следователно изходният кондензатор не е напълно зареден. С всеки нов цикъл електричеството на елемента C1 ще се стреми към входа, напрежението C2 ще се удвои по размер.
Как да изчислим множителя
При изчисляване на умножителното устройство е необходимо да се изгради върху първоначалните данни, които са: токът, необходим за товара (In), изходното напрежение (Uout), коефициентът на пулсации (Kp). Минималната стойност на капацитета на кондензаторните елементи, изразена в μF, се определя по формулата: C (n) \u003d 2,85 * n * In / (Kp * Uout), където:
- n е броят на увеличенията на входящата електроенергия;
- In - ток, протичащ в товара (mA);
- Kp - коефициент на пулсация (%);
- Uout - напрежение, получено на изхода на устройството (V).
Чрез увеличаване на капацитета, получен чрез изчисления, два или три пъти, се получава стойността на капацитета на кондензатора на входа на веригата C1. Тази стойност на елемента ви позволява незабавно да получите пълната стойност на напрежението на изхода и да не чакате да изтече определен брой периоди. Когато работата на товара не зависи от скоростта на нарастване на електричеството до номиналната мощност, капацитетът на кондензатора може да се вземе идентичен с изчислените стойности.
Най-добре за товара е, ако коефициентът на пулсации на диодния умножител на напрежението не надвишава 0,1%. Наличието на вълни до 3% също е задоволително. Всички диоди на веригата са избрани от изчислението така, че да могат свободно да издържат сила на тока, два пъти по-голяма от стойността на товара. Формулата за изчисляване на устройството с голяма точност изглежда така: n*Uin - (In*(n3 + 9*n2/4 + n/2)/(12 *f* C))=Uout, където:
- f - честота на напрежението на входа на устройството (Hz);
- C - капацитет на кондензатора (F).
Предимства и недостатъци
Говорейки за предимствата на умножителя на напрежението, може да се отбележи следното:
- Възможността за получаване на значителни количества електроенергия на изхода - колкото повече връзки във веригата, толкова по-голям ще бъде коефициентът на умножение.
- Простота на дизайна - всичко е сглобено на стандартни връзки и надеждни радио елементи, които рядко се провалят.
- Показатели за тегло и размери - липса на обемисти елементи, като напр силов трансформатор, намалете размера и теглото на веригата.
Най-големият недостатък на всяка умножителна схема е, че е невъзможно да се получи голям изходен ток от нея за захранване на товара.
Заключение
Избор на умножител на напрежение за конкретно устройство. важно е да го знаете симетрични веригиимат по-добри параметри по отношение на фактора на пулсации от асиметричните. Следователно за чувствителните устройства е по-целесъобразно да се използват по-стабилни множители. Асиметрични, лесни за производство, съдържат по-малко елементи.
Статията описва основните опции за умножители на напрежение, използвани в различни електронни устройстваах, и са дадени изчислените съотношения. Този материал ще представлява интерес за радиолюбителите, участващи в разработването на оборудване, което използва умножители.
Умножителите се използват широко в съвременните електронни устройства. Използват се в телевизионна и медицинска техника (анодни източници на напрежение за кинескопи, захранване за лазери с ниска мощност), в измервателна техника (осцилоскопи, уреди за измерване на нивото и дозите на радиоактивно излъчване), в уреди за нощно виждане и електрошокови устройства, домакински и офис електронни устройства (йонизатори, "полилей на Чижевски", фотокопирни машини) и много други области на техниката. Това се дължи на основните свойства на умножителите - способността да генерират високо, до няколко десетки и стотици хиляди волта, напрежение с малки размери и тегло. Друго важно предимство е лекотата на изчисляване и производство.
Умножителят на напрежение се състои от свързани по определен начин диоди и кондензатори и е преобразувател на променливотоковото напрежение на източник на ниско напрежение в високо напрежениепостоянен ток.
Принципът на неговото действие е ясен от фиг. 1, която показва диаграма на полувълнов умножител. Разгледайте процесите, протичащи в него на етапи.
По време на действието на отрицателния полупериод на напрежението кондензаторът C1 се зарежда през отворения диод VD1 до амплитудната стойност на приложеното напрежение U. Когато на входа на умножителя се подаде положително полупериодно напрежение, кондензатор C2 се зарежда до напрежение 2Ua през отворения диод VD2. По време на следващия етап - отрицателния полупериод - кондензаторът C3 се зарежда през диода VD3 до напрежение 2U. И накрая, при следващия положителен полупериод, кондензаторът C4 се зарежда до напрежение 2U.
Очевидно е, че стартирането на умножителя става в няколко периода на променливо напрежение. Постоянно изходно напрежениесумата от напреженията на последователно свързани и постоянно презареждани кондензатори С2 и С4 и е 4Ua.
Показано на фиг. 1 множител се отнася за серийни множители. Има и паралелни умножители на напрежение, които изискват по-малък капацитет на етап на умножение. На фиг. 2 показва диаграма на такъв полувълнов умножител.
Най-често използваните серийни умножители. Те са по-гъвкави, напрежението в диодите и кондензаторите е равномерно разпределено и могат да бъдат реализирани по-голям брой стъпки на умножение. Имат своите предимства и паралелни множители. Въпреки това, техният недостатък, като увеличаване на напрежението на кондензаторите с увеличаване на броя на етапите на умножение, ограничава използването им до изходно напрежение от около 20 kV.
На фиг. Фигури 3 и 4 показват диаграми на пълновълнови умножители. Предимствата на първия (фиг. 3) включват следното: към кондензаторите C1, C3 се прилага само амплитудно напрежение, натоварването на диодите е равномерно и се постига добра стабилност на изходното напрежение. Вторият умножител, чиято схема е показана на фиг. 4. се отличават с такива качества като възможността за осигуряване на висока мощност, лекота на производство, равномерно разпределение на натоварването между компонентите, голям брой стъпки на умножение.
Таблицата показва типичните стойности на параметрите и обхвата на умножителите на напрежението.
При изчисляване на множителя трябва да зададете основните му параметри: изходно напрежение, изходна мощност, входно AC напрежение, необходими размери, условия на работа (температура, влажност).
Освен това трябва да се вземат предвид някои ограничения: входното напрежение може да бъде не повече от 15 kV, честотата на променливото напрежение е ограничена в рамките на 5 ... 100 kHz. изходно напрежение - не повече от 150 kV, интервал Работна температураот -55 до +125*С, а влажност - 0...100%. На практика се разработват и използват умножители с изходна мощност до 50 W, въпреки че стойности от 200 W или повече са реалистично постижими.
Изходното напрежение на умножителя зависи от тока на натоварване. При условие, че входното напрежение и честота са постоянни, то се определя по формулата: Uout = N · Nin - /12FC, където I е товарният ток. А; N е броят на етапите на умножителя; F е честотата на входното напрежение. Hz; C е капацитетът на етапния кондензатор, f. Настройка на изходното напрежение, ток. честота и брой стъпки, от които се изчислява необходимия капацитет на стъпковия кондензатор.
Тази формула е дадена за изчисляване на серийния множител. Успоредно с това, за да се получи същия изходен ток, необходимият капацитет е по-малък. Така че, ако последователният капацитет е 1000 pF, тогава тристепенният паралелен умножител ще изисква капацитет от 1000 pF / 3 = 333 pF. Във всеки следващ етап на такъв умножител трябва да се използват кондензатори с голямо номинално напрежение.
Обратното напрежение на диодите и работното напрежение на кондензаторите в последователния умножител е равно на пълния размах на входното напрежение.
При практическо изпълнениемултипликатор, трябва да се обърне специално внимание на избора на неговите елементи, тяхното разположение и изолационни материали. Дизайнът трябва да осигурява надеждна изолация, за да се избегне коронен разряд, който намалява надеждността на умножителя и води до неговия отказ.
Ако искате да промените полярността на изходното напрежение, полярността на диодите трябва да бъде обърната.
Поради необходимостта да се осигури електрическа якост, размерите и теглото на трансформаторите за високо напрежение стават много големи. Поради това е по-удобно да се използват умножители на напрежението в захранващи устройства с ниска мощност с високо напрежение. Умножителите на напрежение се основават на токоизправителни вериги с капацитивен товар. Принципът на работа на такива вериги е, че последователно свързаните кондензатори се зареждат всеки отделно от относително нисковолтовата вторична намотка на трансформатора през техните вентили (диоди), но тъй като кондензаторите са свързани последователно по отношение на товара, общото напрежение ще бъде равно на сумата от напреженията на всички кондензатори, тогава изходното напрежение на веригата се умножава в сравнение с напрежението на конвенционален токоизправител.
Вътрешното съпротивление на умножителната верига се увеличава с увеличаване на броя на етапите, така че трябва да работи при натоварвания с високо съпротивление. Най-широко използвани са еднофазните симетрични и асиметрични схеми за умножение на напрежението.
Симетричните вериги за умножение на напрежението се различават от небалансираните по начина, по който са свързани към вторичната намотка на трансформатора.
Еднофазни асиметрични вериги за умножение са серийна връзканяколко еднакви едноциклични веригикапацитивни токоизправители.
Във схемата, показана на фигурата, всеки следващ кондензатор се зарежда до по-високо напрежение. Ако EMF вториченнамотката на трансформатора е насочена от точката Акъм основния въпрос b, тогава първият клапан се отваря и кондензаторът C1 се зарежда. Този кондензатор ще бъде зареден до напрежение, равно на амплитудата на напрежението на вторичната намотка на трансформатора U2m. Когато ЕМП на вторичната намотка се промени, зарядният ток на втория кондензатор ще тече през веригата: точка А, кондензатор C1, вентил VD2, кондензатор C2, точка b. В този случай кондензаторът C2 се зарежда до напрежение UC2=U2m+UC1=2U2m, тъй като вторичната намотка на трансформатора и кондензатора C1 се оказа свързана последователно и координирано. С последваща промяна в посоката на ЕМП на вторичната намотка, третият кондензатор C3 се зарежда по веригата: точка b, C2, VD3, C3 точка Авторична намотка. Кондензаторът C3 ще бъде зареден до напрежение UC3 = U2m+UC2≈3U2mи така нататък.
По този начин, на всеки следващ кондензатор съотношението на напрежението съответства на UCn = nU2m.
Необходимото високо напрежение се отстранява от един кондензатор Cn.
Във веригата, показана на следващата фигура, най-високото напрежение на кондензаторите е равно на два пъти напрежението на вторичната намотка.
В първия полупериод на напрежението на вторичната намотка, кондензаторът C1 се зарежда през вентила VD1 до амплитудната стойност на напрежението на вторичната намотка U2m. Във втория полупериод напрежението на вторичната намотка на трансформатора ще промени посоката си и ще се включи според напрежението на кондензатора C1. Кондензаторът C2 ще бъде зареден през вентила VD2 до сумата от тези напрежения 2U2m.
В следващия полупериод кондензаторът C3 се зарежда през вентила VD3. Ще се зарежда до напрежение:
UC3 = -UC1 + U2m + UC2 = -U2m+U2m + 2U2m = 2U2m
Лесно се вижда, че останалите кондензатори на веригата са заредени до два пъти напрежението на вторичната намотка. В тази схема, за разлика от първата, умноженото напрежение се отстранява не от един, а от няколко кондензатора.
В схемите за умножение, с увеличаване на тока на натоварване, изходното напрежение намалява значително. Честотата на пулсациите в разглежданите схеми за умножение е равна на честотата на мрежата.
Напрежението на последния кондензатор на умножителната верига ще се появи само след този полупериод на напрежението на вторичната намотка на трансформатора, което съответства на коефициента на умножение, т.е. след време tt = nT/2, където T е периодът на изправеното напрежение.
Latour верига (удвояване на напрежението)
Веригата Latour е мостова верига, в която две рамена на моста са включени на вентили VD1 VD2, а другите две рамена са кондензатори C1 C2. Вторичната намотка на трансформатора е свързана към един от диагоналите на моста, а товарът е свързан към другия. Веригата за удвояване на напрежението може да бъде представена като две полувълнови вериги, свързани последователно и работещи от една вторична намотка на трансформатора. В първия полу-цикъл, когато потенциалът на точката Авторичната намотка е положителна по отношение на точката b, вентилът VD1 се отваря и започва зареждането на кондензатора C1. Токът в този момент протича през вторичната намотка, VD1 и C1.
През втория полупериод кондензаторът C2 се зарежда. Зарядният ток на кондензатора C2 протича през вторичната намотка C2 и VD2.
C1 и C2 са свързани последователно по отношение на товарното съпротивление Rn1, а напрежението върху товара е равно на сумата от напреженията UC1 UC2.
Веригата за удвояване на напрежението се използва за изходна мощност до 50 W и изправено напрежение от 500-1000 V и по-високо.
Основното предимство на схемата е повишена честотавълничка, ниска обратно напрежениена диоди в сравнение с двуфазна верига и е достатъчно пълно използванетрансформатор. Недостатъците включват повишената стойност на диодния ток.
След като миниатюрни кондензатори се появиха на съвременния пазар на електроника, като голям капацитет, стана възможно да се използва електронни схемитехника за умножаване на напрежението. За тези цели е разработено специално устройство - умножител на напрежение, който се основава на диоди и кондензатори, свързани в определен ред. Същността на работата на това устройство е да преобразува променливото напрежение, получено от източник с ниско напрежение, в постоянен ток с високо напрежение.
Поради малките размери на тези устройства, крайните размери на проектираните електронни устройства също са значително намалени. Има различни версии на тези устройства, включително умножител на напрежение Schenkel и други схеми, предназначени за специфично оборудване.
Обща информация за умножителите на напрежение
В електрониката умножителите на напрежение са специални схеми, които преобразуват нивото на входното напрежение нагоре. В същото време тези устройства изпълняват и функцията на коригиране. Умножителите се използват в случаите, когато е нежелателно да се използва допълнителен повишаващ трансформатор в общата верига поради сложността на неговия дизайн и големия размер.
В някои случаи трансформаторите не могат да повишат напрежението до необходимото ниво, тъй като може да възникне повреда между завоите на вторичната намотка. Тези характеристики трябва да се вземат предвид при решаването на проблема как да направите различни опции за дублери „направи си сам“.
Умножителните схеми обикновено използват свойствата и характеристиките на еднофазни полувълнови токоизправители, работещи с капацитивен товар. По време на работа на тези устройства между определени точки се създава напрежение със стойност, надвишаваща стойността на входното напрежение. Заключенията на диода, включени във веригата, действат като такива точки. Когато свържете към тях друг от същия токоизправител, получавате верига за асиметрично удвояване на напрежението.
По този начин всеки умножител на напрежение като повишаващо устройство може да бъде балансиран и небалансиран. Освен това всички те са разделени на категории от първи и втори вид. Симетричната умножителна верига се състои от две асиметрични вериги, свързани помежду си. Един от тях е с промяна на полярността на кондензаторите и проводимостта на диодите. Симетричните умножители имат най-добри електрически характеристики, по-специално ректифицираното напрежение има двойна честота на пулсации.
Различни видове такива устройства обикновено се използват в електронни апарати и оборудване. С помощта на тези устройства стана възможно да се извърши умножение и да се получат напрежения от десетки и стотици хиляди волта. Самите умножители на напрежение се отличават с ниско тегло, малки размери, лесни за производство и по-нататъшна работа.
Принцип на действие
За да си представите как работи умножителят на напрежението, помислете най-просто устройствопоказано на фигурата. Когато започне да действа отрицателният полупериод на напрежението, диодът D1 се отваря и кондензаторът C1 се зарежда през него. Зарядът трябва да бъде равен на амплитудната стойност на приложеното напрежение.
Когато настъпи период с положителна вълна, следващият кондензатор С2 се зарежда през диода D2. В този случай зарядът придобива високи двойни стойности в сравнение с приложеното напрежение.
След това идва отрицателният полупериод, по време на който кондензаторът C3 се зарежда до двойна стойност. По същия начин, при следваща промяна на полупериода, кондензаторът C4 се зарежда, отново с двойна стойност.
За стартиране на устройството са необходими пълни периоди на напрежение в брой на няколко цикъла, създаващи напрежения върху диодите. Стойността на напрежението, получена на изхода, се състои от сумата от напреженията на кондензаторите C2 и C4, свързани последователно и постоянно заредени. В крайна сметка се формира стойността на изходното AC напрежение, която е 4 пъти по-голяма от стойността на входното напрежение. Това е принципът на работа на умножителя на напрежението.
Първият кондензатор C1, напълно зареден, има постоянна стойност на напрежението. Тоест, той изпълнява функцията на постоянния компонент Ua, използван при изчисленията. Следователно е възможно допълнително да се увеличи потенциалът на умножителя чрез свързване на допълнителни връзки, направени по същия принцип, тъй като напрежението на диодите във всяка от тези връзки ще бъде равно на сумата от входното напрежение и постоянния компонент. Поради това се получава всеки коефициент на умножение с необходимата стойност. Напрежението на всички кондензатори, с изключение на първия, ще бъде равно на 2x Ua.
Ако умножителят използва нечетен фактор, кондензаторите, разположени в горната част на веригата, се използват за свързване на товара. Когато дори, напротив, участват долните кондензатори.
Приблизително изчисляване на веригата на умножителя
Преди да започнете изчислението, се задават основните характеристики на устройството. Това е особено важно, когато трябва да направите умножител на напрежение със собствените си ръце. На първо място, това са стойностите на входното и изходното напрежение, мощността и общите размери. Някои ограничения по отношение на параметрите на напрежението също трябва да бъдат взети под внимание. Стойността му на входа трябва да бъде не повече от 15 kV, границите на честотния диапазон са от 5 до 100 kHz.
Препоръчителната стойност на изходното високо напрежение е не по-висока от 150 kV. Изходната мощност на умножителя на напрежението е в рамките на 50 W, но е възможно да се създаде устройство с по-високи параметри, в което мощността достига дори 200 W.
Изходното напрежение е пряко свързано с текущите натоварвания и може да се изчисли по формулата: Uout = N x Uin - (I (N3 + +9N2 /4 + N/2)) / 12FC, в която N съответства на броя на стъпките , I - текущо натоварване, F - честота на входното напрежение, C - капацитет на генератора. Ако зададете необходимите параметри предварително, дадена формулаще ви помогне лесно да изчислите какъв капацитет трябва да имат кондензаторите, използвани във веригата.