При необхідності отримання постійних напруг, кратних за величиною живлячої їх змінній напрузі харчування, у багатьох областях радіотехніки знаходять застосування випрямлячі з множенням напруги (УН). Вони підрозділяються на однополуперіодні і двухполуперіодні, послідовного і паралельного типів.
Схема однополупериодного випрямляча
На рис.1 показана схема однополупериодного випрямляча з подвоєнням напруги. Схема може застосовуватися як самостійно, так і в якості складового елементу багатоланкових умножителей послідовного типу.
Рис. 1. Схема однополупериодного випрямляча з подвоєнням напруги.
На рис.2 показана паралельна схема двухполуперіодного випрямляча з подвоєнням напруги (схема Латура). Даний УН як випрямляч можна розглядати як два однополуперіодних, включених (вторинна обмотка трансформатора Т1 - діод VD1 - конденсатори С1, С3; вторинна обмотка трансформатора - діод VD2 конденсатори С2, С4) послідовно. Подвійну напругу на його виході виходить в результаті складання окремо випрямлених різнополярних напруг.
Рис. 2. Паралельна схема двухполуперіодного випрямляча з подвоєнням напруги (схема Латура).
Послідовний багатоланковий однополуперіодний випрямляч
Послідовний багатоланковий однополуперіодний випрямляч (рис.3) з множенням напруги найчастіше застосовується при малих (до 10 ... 15 мА) токах навантаження.
Його схема складається з однополуперіодних випрямлячів - ланок, в наступному алгоритмі - одна ланка (діод і конденсатор) - просто од-нополуперіодний випрямляч, що складається з діода і конденсатора (випрямляча і фільтра), дві ланки - помножувач напруги в два рази, три - в три рази і т.д.
Величини ємності кожної ланки в більшості випадків однакові і залежать від частоти живлячої УН напруги і струму споживання.
Рис. 3. Схема багатоланкового однополупериодного умножителя напруги.
Фізичні процеси збільшення напруги в багатоланкові однополуперіодним (рис.3) УН зручно розглядати при подачі на нього змінного синусоїдального напруги. Працює УН наступним чином.
При позитивній напівхвилі напруги на нижньому виведення вторинної обмотки Т1 через діод VD1 тече струм, заряджаючи конденсатор С1 до амплітудного значення.
При позитивній напівхвилі напруги живлення на нижньому виведення вторинної обмотки Т1 до анода VD2 прикладаються сума напруг на вторинній обмотці і напруга на конденсаторі С1; в результаті чого через VD2 проходить струм, потенціал правої обкладки С2 щодо спільного проведення збільшується до подвоєного вхідної напруги і т.д. Звідси випливає, що чим більше ланок, тим більше постійна напруга (теоретично) можна отримати від УН.
Для правильного розуміння освіти і розподілу потенціалів, що виникають на радіоелементи при роботі УН, припустимо, що один вхідний імпульс (ВІ) повністю заряджає конденсатор С1 (рис.3) до напруги + U.
Уявімо другий позитивний імпульс, що виникає на верхньому виведення Т1 і надходить на ліве по схемі рис.3 обкладання С1 так само у вигляді зарядженого до напруги + U конденсатора (Сі).
Їх спільне з'єднання (рис.4) набуде вигляду послідовно з'єднаних конденсаторів. Потенціал на С1 відносно загального проводу збільшиться до + 2U, VD2 відкриється, і до + 2U зарядиться конденсатор С2.
Рис. 4. Схема помножувача напруги.
При появі імпульсу величиною + U на нижньому виведення Т1 і підсумовуванні його аналогічним чином з напругою + 2U на конденсаторі С2, через що відкрився VD3 на C3 з'явиться напруга + 3U і т.д.
З наведених міркувань можна зробити висновок, що величина напруги щодо "спільного" проводу (рис.3) тільки на С1 буде дорівнює амплітудному значенням вхідної напруги, тобто + U, на всіх же інших конденсаторах умножителя напруга буде поступово збільшуватися з кроком + 2U.
Однак для правильного вибору робочої напруги використовуваних в УН конденсаторів має значення не напруга на них щодо "спільного" дроти, а напруга, прикладена до їх власних висновків. Ця напруга тільки на С1 одно + U, а для всіх інших воно незалежно від ступеня множення одно + 2U.
Тепер уявімо закінчення часу дії імпульсу ВІ, як замикання конденсатора Сі (рис.4) перемичкою (S1). Очевидно, що в результаті замикання потенціал на аноді VD2 знизиться до величини + U, а до катода буде прикладений потенціал 2U. Діод VD2 виявиться закритим зворотною напругою 2U-U \u003d U.
Звідси можна зробити висновок, що до кожного діода УН щодо власних електродів докладено зворотна напруга, що не більше амплітудного значення імпульсу напруги харчування. Для вихідного же напруги УН все діоди включені послідовно.
Практичні схеми УН для КВ і УКВ
Радіоаматорам-короткохвильовики, які займаються самостійним виготовленням радіоапаратури, знайома проблема виготовлення хорошого силового трансформатора для вихідного каскаду передавача чи приймачі.
Цю проблему допоможе вирішити схема, показана на рис.2. Перевагою практичної реалізації є використання готового, що не дефіцитного в зв'язку з відходом старої техніки, силового трансформатора (СТ) від уніфікованого лампового телевізора (УЛТ) другого класу, який можна використовувати в якості силового трансформатора для живлення підсилювача потужності (УМ) радіостанції 3 категорії.
Рекомендоване технічне рішення дозволяє отримати від СТ всі необхідні вихідні напруги для УМ без будь-яких доробок. СТ виконаний на сердечнику типу ПЛ, все обмотки конструктивно виконані симетрично і мають по половині витків на кожній з двох котушок.
Такий СТ зручний як для отримання необхідного анодного напруги, так і напруги напруження, тому що допускає використання в якості вихідної в УМ як лампи з 6-вольта напруженням (типу 6П45С), так і лампи (типу ГУ50) з 12-вольта напруженням, для чого необхідно лише з'єднати обмотки напруження паралельно або послідовно. Застосування ж удвоителя дозволить без труднощів отримати напруга 550 ... 600 В при струмі навантаження близько 150 мА.
Цей режим оптимальний для отримання лінійної характеристики для лампи ГУ50 при роботі на SSB. Поєднавши обмотки напруження послідовно (використовувані в ТВ для живлення напруження ламп і кінескопа) і застосувавши УН за схемою рис.3, можна отримати джерело негативної напруги зсуву для керуючих сіток ламп (близько мінус 55.65 В).
У зв'язку з невеликим струмом споживання по сітці, в якості конденсаторів такого УН можна застосувати неполярні конденсатори 0,5 мкФ на 100.200 В.
Ці ж обмотки можна використовувати і для отримання напруги комутації режиму "прийом-передача". При побудові вихідного каскаду з заземленою сіткою керуюча сітка підключається до джерела негативної напруги (УН 55.65 В), катод підключається через дросель (015 мм, n \u003d 24, ПЕВ-1 00,64 мм) до -300 В, а на анод подається + 300 В, напруга збудження подається на катод через конденсатор.
Можна підключити керуючу сітку безпосередньо до -300 В, катод під'єднується до -300 В через дві паралельно з'єднаних ланцюжка, кожна з яких складається з стабілітрона Д815А і 2-ватного резистора 3,9 Ом. Напруга збудження в цьому випадку подається на катод через широкосмуговий трансформатор.
Якщо вихідний каскад УМ виконаний за схемою з загальним катодом, то на анод подається +600 В, а на екранну сітку +300 В з точки з'єднання С1, С2, С3, С4 (вихід -300 В з'єднаний з "загальним" проводом RXTX), що дозволяє позбутися від потужних гасять резисторів в ланцюзі екранної сітки, на яких марно виділяється велика теплова потужність. На керуючу сітку подається негативний зсув -55.65 В з згаданого раніше УН.
Для зменшення рівня пульсацій напруги живлення у випрямлячі можна також використовувати і штатні дроселі (L1, L2, рис.2) фільтра джерела живлення того ж УЛТ типу ДР2ЛМ з індуктивністю первинної обмотки близько 2 Гн. Намотувальні дані СТ і ДР2ЛМ наведені в.
Світлотехніка
Прикладом використання умножителя напруги на чотири є схема для бесстартерного запуску лами денного світла (ЛДС), показана на рис.5, яка складається з двох подвійників напруги, включених послідовно по постійному струму і паралельно по змінному.
Рис. 5. Схема помножувача напруги на чотири для бесстартерного запуску лами денного світла.
Лампа запалюється без підігріву електродів. Пробій іонізованого проміжку "холодної" ЛДС відбувається при досягненні напруги запалювання ЛДС на виході УН. Підпал ЛДС відбувається практично миттєво.
Запалена лампа шунтирует своїм низьким вхідним опором високий вихідний опір УН, конденсатори якого в зв'язку зі своєю малою величиною перестають функціонувати як джерела підвищеної напруги, а діоди починають працювати як звичайні вентилі.
2-обмотувальний дросель L1 (або два 1 -Обмотувальні) служить для згладжування пульсацій випрямленої напруги. Падіння напруги мережі живлення приблизно рівномірно розподіляється на баластних конденсаторах С1, С2 і ЛДС, які включені за змінним струмом послідовно, що відповідає нормальному робочому режиму ЛДС.
При використанні в цій схемі ЛДС з діаметром циліндричної частини 36 мм запалюються без будь-яких проблем, ЛДС з діаметром 26 мм виникнути проблеми з запалюванням, оскільки в зв'язку з особливостями їх конструкції напруга запалювання навіть нових ламп без підігріву напруження може перевищує 1200 В.
телебачення
Відомо, що вихідний трансформатор рядкової розгортки (ТВС) є одним з напружених вузлів в телевізорі (ТБ). Як показує еволюція розвитку схемотехніки цього вузла, з переходом від лампових ТВ до кольорових, в зв'язку зі збільшенням потужності споживання від джерела високої напруги (струм споживання чорно-білого кінескопа з діагоналлю 61 см по другому анода близько 350 мкА, а кольорового - вже 1 мА !), конструктори ТВ постійно шукали шляхи підвищення його надійності.
Схема технічні рішення одержання високої напруги для харчування другого анода кінескопа, які використовувалися у всіх моделях лампових ТВ, мали місце лише в перших модифікаціях УЛПЦТ, а потім замість підвищувальної обмотки ТВС (практично рівною по числу витків анодної) стали застосовувати УН, які за своєю електричної міцності , а значить, і надійності значно перевищували аналогічні параметри намоточного вузла.
Рис. 6. Схема помножувача напруги з потроєною, з телевізора Юність.
УН практично відразу ж почали використовувати в вітчизняних чорно-білих переносних ТВ. Наприклад, в ТВ "Юність 401" застосована схема УН з потроєною напруги, показана на рис.6.
При реалізації практичних схем УН має значення, з якою точкою схеми УН (1 або 2, рис.3) буде з'єднаний "загальний" провід схеми, в якій він буде використовуватися, тобто "Фазировка" УН. У цьому неважко переконатися за допомогою осцилографа.
При проведенні вимірювань на ненавантаженому УН (рис.3) видно, що на непарних ланках величина змінної складової майже дорівнює живлячої напруги, а на парних вона практично відсутня.
Тому при використанні в реальних конструкціях напружень тільки з парних або тільки з непарних ланок множення цей факт слід враховувати, підключаючи УН до джерела живлення відповідним чином.
Наприклад, якщо "загальний" провід (рис.3) з'єднаний з точкою 2, то робочі напруги знімають з парних ланок, якщо з точкою 1 - з непарних.
При використанні одночасно парних і непарних ланок одного УН для отримання постійної напруги від ланки, в якому присутня змінна складова, необхідно (особливо при ємнісний навантаження) між ланкою умножителя і навантаженням включити (рис.7) ще одна ланка (діод і конденсатор).
Діод (VDd) в цьому випадку буде запобігати замикання через навантаження змінної складової, а конденсатор (Cdf) виконувати функцію фільтра. Природно, що конденсатор Cdf повинен мати робочу напругу, рівне повного постійного вихідній напрузі.
Рис. 7. Включення ще однієї ланки до умножителю напруги.
Не слід також забувати і про негативний вплив на надійність роботи багатоланкових УН витоків, які завжди є в радіоелементи і матеріалах при їх роботі під великими напруженнями, що накладає певні обмеження на реально досяжну величину вихідної напруги.
Практичний варіант схемотехніки УН з множенням на три показаний на рис.6; на чотири - на рис.4; на п'ять - на рис.8, рис.9; на шість - на рис.10.
Рис. 8. Схема помножувача напруги з множенням на чотири.
Рис. 9. Схема помножувача напруги з множенням на п'ять.
Рис. 10. Схема помножувача напруги з множенням на шість.
У даній статті розглянута тільки частина схемотехніки УН, яку застосовували раніше і використовуваної в даний час в побутовій техніці і радіоаматорському конструюванні. Деякі різновиди схемотехніки УН, принципи роботи яких аналогічні розглянутим, опубліковані в.
В літературі і в спілкуванні з радіоаматорами часто доводиться зустрічати плутанину щодо УН в термінах. Наприклад, стверджується, що якщо на УН нанесено маркування 8.5 / 25-1,2 або 9 / 27-1,3, то це утроітель напруги. За схемотехнике ці УН є умножителями на п'ять.
Маркування несе інформацію тільки про те, що при подачі на вхід УН напруги з амплітудою 8,5 кВ він забезпечує отримання на його виході середнього значення постійного (позитивного) напруги 25 кВ (при струмі, споживаної його навантаженням, близько 1 мА), т. е. маркування говорить тільки про його вхідних і вихідних параметрах.
Для отримання високої напруги в ТВ використовується імпульсна напруга, що виникає у вторинній обмотці ТВС під час зворотного ходу променя, наступне з частотою 15625 Гц, з тривалістю (позитивного) імпульсу близько 12 мкс і шпаруватістю близько п'яти.
При великому коефіцієнті множення значну величину становить також падіння напруги в прямому напрямку на випрямних стовпах, якими є випрямлячі УН. Наприклад, для стовпа 5ГЕ600АФ, при роботі його в якості одиничного випрямляча, падіння напруги в прямому напрямку складає 800 В!
З вищесказаного випливає, що елементи УН до того ж служать для живильного імпульсного напруги також і інтегрує ланцюгом, що знижує щодо вхідної напруги величину середнього значення постійної напруги (при струмі навантаження 1 мА) до величини приблизно 5 кВ на одну ланку. Саме ці чинники і є основними, що впливають на величину вихідної напруги УН, а не приблизна арифметика.
Історично застосування в якості випрямлячів в перших зразках УН для ТВ селенових діодів було визначено досягнутим на той момент рівнем технології, їх низькою собівартістю, а також м'якої електричної характеристикою, що дозволяє включати послідовно практично необмежену кількість діодів.
Очевидно, що селенові випрямлячі в зв'язку з великим внутрішнім опором краще, ніж кремнієві, переносять короткочасні перевантаження. У міру вдосконалення технології виготовлення кремнієвих діодів в УН ТВ стали застосовувати кремнієві стовпи типу КЦ106.
При ремонтах ТВ навіть попередня оцінка можливої \u200b\u200bнаявності дефектів в випрямних елементах УН авометром неможлива. Фізичний зміст цього явища полягає в тому, що для відкривання одного кремнієвого діода до нього необхідно докласти в прямому напрямку різниця потенціалів порядку 0,7 В.
Якщо, наприклад, замість стовпа КЦ106Г використовувати еквівалент з окремо взятих діодів КД105Б (іобр \u003d 400 В), то для отримання зворотного напруги 10 кВ потрібно ланцюжок з 25 послідовно включених діодів, в результаті чого необхідну напругу для їх відкривання складе 17,5 В , а авометр дозволяє прикласти тільки 4,5 В!
Єдине, що можна однозначно констатувати після вимірювання УН авометром, - при перевірці справного УН стрілка омметра не повинна відхилятися при вимірюванні опору між будь-якими його електродами.
Просте рішення для попередньої перевірки на працездатність елементів УН методом вольтметра було запропоновано в. Суть пропозиції полягає в використанні для цієї мети додаткового джерела (A1) постійної напруги (ІСН) 200 ... 300 В і авометра, що працює в режимі вольтметра постійного струму на межі 200.300 В. Вимірювання роблять у такий спосіб.
Авометр включають (рис.11) послідовно з однойменною полюсом ІСН і випробовуваним випрямним стовпом або УН. Алгоритм перевірки.
Рис. 11. Схема включення авометра до випрямного стовпа.
Якщо при вимірюванні діода в протилежних напрямках показання вольтметра:
- істотно розрізняються, то він справний;
- рівні максимального напруження ІСН, то він пробитий;
- малі, то він обірваний;
- проміжні величини говорять про наявність в ньому значних витоків.
Придатність елементів випробуваного випрямляча визначаються емпірично для конкретної марки статистичним методом порівняння з величинами падіння напруги, отриманих практично при вимірах в прямому і зворотному напрямку справного, аналогічного по марці стовпа або діода УН.
Радіоаматорам, які займаються ремонтом телевізійної техніки на дому у замовника, для попередньої перевірки на працездатність елементів УН методом вольтметра зручніше (виходячи з масогабаритних розмірів) використовувати схему, показану на рис.12 і запропоновану в, яка харчується через струмообмежувальні конденсатори від мережі 220 В.
Рис. 12. Схема харчування з токоогранічительний конденсаторами.
Схема добре зарекомендувала себе на практиці, а по схемотехніці є випрямлячем з подвоєнням напруги. Алгоритм вимірювань той же. Цю ж схему можна використовувати і для усунення деяких типів міжелектродних замикань ( "прострілу") в кінескопі.
Досить часто запитують, чи можна замість УН8.5 / 25-1,2 встановлювати УН9 / 27-1,3? Порада одна: можна, але обережно! Все залежить від гостроти проблеми і модифікації телевізора. Для порівняння розглянемо схеми
УН8.5 / 25-1,2 (рис.8) і УН9 / 27-1,3 (рис.9). З схем УН видно, що в принципі пряма заміна можлива, а зворотна немає, так як вони мають різну кількість вхідних радиокомпонентов.
Тому при установці УН9 / 27-1,3 в ТВ УЛПЦТ надходять у такий спосіб: замикають між собою висновки входу для імпульсної напруги і виведення "V"; провід від ТВС припаюють до відповідного входу УН9 / 27; провід зі знаком "земля" під'єднують по найкоротшій відстані до другого контакту ТВС; провід, що йде до варистором фокусування, під'єднують до висновку "+ F", причому штатний конденсатор фільтра фокусування С23 * (згідно заводською схемою на ТБ) можна відключити, оскільки його функцію може виконати конденсатор С1 (рис.10), який встановлений всередині УН. До висновку "+" під'єднують високовольтний провід з "присоскою" і обмежувальним резистором Rф.
Вийшло в результаті такої заміни деяке поліпшення якості зображення на екрані ТБ говорить зовсім не про те, що це результат заміни!
Причина полягає перш за все в тому, що в УН9 / 27-1,3 як вентилів використані кремнієві стовпи типу КЦ106Г, падіння напруги на яких в прямому напрямку (як згадувалося раніше) істотно менше, ніж на стовпах типу 5ГЕ600АФ, які входять до складу УН 8.5 / 25-1,2.
Саме на величину цієї різниці і зростає напруга на виході УН, а значить, і на другому аноді кінескопа, що і спостерігається візуально як збільшення яскравості!
Крім того, в ТВ УЛПЦТ при установці УН9 / 27-1,3 необхідно замінити штатну "присосок" з встановленим всередині неї високовольтним резистором 4,7 кОм Rф) "присоскою" від ТБ 3УЦСТ з резистором 100 кОм. Rф виконує три функції: є частиною ланки згладжує RC-фільтра для ланцюга високої напруги, утвореного ним і ємністю ак-вадага кінескопа Са (рис.9, 10), а також захисним резистором по постійному струму, що обмежує його величину в ланцюзі УН при випадкових короткочасних міжелектродних пробоях всередині кінескопа (що в старих кинескопах відбувається досить часто і непередбачувано).
Він же є і "згорає запобіжником", що захищає ТВС при пробої діодів УН, коли змінна напруга, що надходить від ТВС, практично замикається на корпус через Са, величина реактивного опору якої для струмів малої частоти досить мала.
Тому слід мати на увазі, що значно менша величина сумарного внутрішнього опору УН9 / 27-1,3 при малій величині (або відсутності з тих чи інших причин) Rф у випадках заміни УН небажана, оскільки може привести при появі вищевказаних несправностей як до виходу з ладу ТВС, так і до займання самого ТВ.
З непрацездатних в ТВ УН при певному навику і акуратності можна "добути" (якщо пощастить) високовольтні конденсатори, які можуть ще послужити для термінового ремонту ТВ модифікацій УЛПЦТ або УПІМЦТ або для експериментів з іншими конструкціями.
Для цього спочатку акуратно розбивають молотком корпус УН і звільняють від компаунда корпусу конденсаторів, а потім відділяють послідовним відколюванням за допомогою боко-різів їх висновки від взаємних з'єднань і залишків компаунда. Практичні розбирання трьох примірників кожної марки УН показали, що в УН8 / 25-1,2 конденсатори мають на корпусі маркування К73-13 2200x10 кВ.
У УН9 / 27-1,3 (рис.10), який в порівнянні з УН8 / 25-1,2 має більше число елементів, але менші габаритні розміри, використані конденсатори (судячи по технології виготовлення і матеріалу, з якого вони виготовлені) того ж типу (маркування на корпусі не нанесена), які конструктивно виконані у вигляді трехвиводной (діаметром 16 мм) збірки (С2, С4 - рис.10) з конденсаторів ємністю по 1000 пФ, і четирехвиводной (С1, С3, С5 - рис. 10) збирання діаметром 18 мм. Причому С1 має ємністю 2200 пФ, а С3, С5 - по 1000 пФ. Обидві збірки мають довжину 40 мм.
Медицина
Одним з "екзотичних" прикладів застосування УН в медичній апаратурі є його використання в конструкції Електроеффлювіальние люстри (ЕЛ), яка призначена для отримання потоку негативних іонів, які надають сприятливий вплив на дихальні шляхи людини.
Для отримання високого негативного потенціалу для випромінюючої частини генератора аероіонів використаний УН з негативним вихідним напругою. Через досить великого обсягу допоміжної інформації рекомендації по конструкції і застосуванню ЕЛ виходять за рамки цієї статті, тому ЕЛ згадана тільки інформативно.
Деталі до схем
Специфікація до малюнків:
- до рис.2: С1-С4 - К50-20;
- до рис.6: С1-С2 - КВІ-2;
- до рис.7: С1, С2 - МБГЧ; С3-С5 - КСВ-2;
- до рис.10: С1-С6 - К15-4;
- до рис.12: С1, С2 - К42У-2, С3, С4 -К50-20.
С.А. Йолкін, м Житомир, Україна. Електрик-2004-08.
література:
- Йолкін С.А. Бесстартерний запуск ламп денного світла // Е-2000-7.
- Іванов Б. С Електроніка в саморобки. М .: ДОСААФ, 1981.
- Казанський І.В. Підсилювач потужності КВ радіостанції // На допомогу радіоаматори. - Випуск 44. - М .: ДОСААФ, 1974.
- Костюк А. Підсилювач потужності для СВ радіостанції // Радіоаматор. -1998. - №4. - С.37.
- Кузінец Л.М. та ін. ТБ-приймачі і антени: Справ. - М .: Связь, 1974.
- Поляков В.Т. Радіоаматорам про техніку прямого перетворення. - М .: Патріот, 1990..
- Пляц О.М. Довідник по електровакуумним, напівпровідникових приладів і інтегральних мікросхем. -Мінськ: Вища школа, 1976.
- Сотников С. Несправності умножителя напруги і ланцюгів фокусується-ки // Радіо. - 1983. - №10. - С.37.
- Садченкова Д Умножители напря-вання // Радіоаматор. - 2000. - №12. -С.35.
- Фоменков А.П. Радіоаматорові про транзисторних телевізорах. - М .: ДОСААФ, 1978.
- Штани О.Ю, штани Ю.А. Про деякі особливості застосування іонізаторів повітря // Радіоаматор. - 2001. - №1. - С.24.
- 12. Ященко О. Пристрій для перевірки і відновлення кінескопів // Радіо. - 1991. - №7. - С.43.
Серед різних схем випрямляють пристроїв особливу трупу складають схеми, в яких за допомогою відповідного включення випрямних елементов.і конденсаторів здійснюється не тільки випрямлення, але одночасно і множення випрямленої напруги.
Перевага таких схем полягає в можливості побудови високовольтних бестрансформаторних випрямлячів і випрямлячів з трансформаторами, тільки для харчування ланцюгів напруження кенотронов. Відсутність в силовому трансформаторі підвищувальної обмотки значно полегшує його виготовлення і підвищує експлуатаційні якості випрямляча. До недоліків цих схем відносяться порівняно сильна залежність випрямленої напруги від струму в навантаженні і відносна складність отримання великих потужностей.
Схеми випрямлячів з множенням напруги отримали найбільш широке поширення в рентгенотехніческіх установках. У радіотехнічної практиці вони використовуються в основному для харчування малопотужної апаратури, яка споживає струм не більше 50-70 мА при напрузі близько 200 в. Однак і тут область їх застосування можна значно розширити, побудувавши, наприклад, за схемою з потроєною або учетверенное напруги досить потужні безтрансформаторні випрямлячі. Подібні випрямлячі при напрузі мережі змінного струму 110, 127 або 220 в дозволяють отримати постійну напругу 300- 400 в при струмі до 100-150 мА, що забезпечує харчування анодних ланцюгів приймачів, підсилювачів низької частоти середньої потужності.
Особливістю роботи випрямлячів з множенням напруги є використання властивостей конденсаторів накопичувати і протягом деякого часу зберігати електричну енергію. При роботі випрямляча від звичайної мережі 50-периодной змінного струму час, протягом якого конденсатор повинен зберігати заряд, не перевищує 0,02 сек. Чим більше ємність (що входять в схему конденсаторів, тим більша кількість електричної енергії вони зберігають і тим вище при одній і тій же.нагрузке виходить випрямлена напруга. Тому в таких випрямлячах найзручніше застосовувати електролітичні конденсатори, які, маючи невеликі розміри, володію! Значній ємністю .
Нижче описується ряд практичних схем випрямлячів з множенням напруги, причому для більшості з них наводяться характеристики навантажень, зняті при різних ємностях накопичувальних конденсаторів. Такі характеристики дозволяють досить повно судити про можливі областях застосування тієї чи іншої схеми, а також по заданих випрямлення струму, випрямлена напруга і напрузі живильної мережі вибрати схему випрямляча і визначити основні дані його деталей.
СХЕМИ ВИПРЯМЛЯЧІВ з множенням напруги
Схеми з подвоєнням напруги. Схеми випрямлячів з подвоєнням напруги, які отримали найбільш широке поширення в радіоаматорського практиці, наведені на фіг. 1.
Фіг. 1. Принципові схеми випрямлячів з подвоєнням напруги.
а - схема двухполуперіодного випрямляча; б - схема однополупериодного випрямляча.
Для того щоб можна було досить повно порівняти і оцінити достоїнства і недоліки обох схем, на фіг. 2 наведені їх характеристики навантажень. Характеристики були зняті при різних ємностях конденсаторів С1 і С2. У випрямлячах використовувалися селенові стовпчики В1 і В2, зібрані кожен з 13 шайб діаметром 45 мм. Напруга живильної мережі підтримувалося рівним 120 в. Для обмеження пускового струму, який через ємнісного характеру навантаження може досягати значних величин, послідовно в ланцюг харчування включалося опір R, рівне 20 Ом. Завдяки цьому створювалися більш сприятливі умови для роботи випрямлячів.
Фіг. 2. навантажувальні характеристики випрямлячів з подвоєнням напруги (зняті при напрузі живильної електромережі, рівному 120 в).
а - характеристики двухполуперіодного випрямляча; б - характеристики однополупериодного випрямляча.
Порівнюючи навантажувальні характеристики обох випрямлячів, зняті при одних і тих (ж значеннях ємності конденсаторів С1 і С2, можна помітити, що для схеми двухполуперіодного випрямлення вони лежать помітно вище, ніж для схеми однополупериодного. Отже, випрямлена напруга на навантаженні при однаковому струмі виходить великим для першої схеми (фіг. 1, а), ніж для другої (фіг. 1, б).
Наведені характеристики дозволяють також судити про реальні робочих напругах, при яких працюють конденсатори схеми.
Завдяки тому, що частота пульсації при двопівперіодним випрямлянні виходить в два рази більшою, ніж при однополуперіодним, для першої схеми (фіг. 1, а) значно полегшується подальша фільтрація випрямленої напруги, і крім того, коефіцієнт пульсації показує, яку частину випрямленої напруги на виході випрямляча становить амплітуда змінної складової цієї напруги) для однакової напруги і однакових значень ємності конденсаторів С1 і С2 виходить дещо меншим. Так, наприклад, при опорі навантаження 2000 Ом і ємності конденсаторів С1 і С2 по 48 мкФ коефіцієнт пульсацій для першої схеми становив 6,5%, а для другої - 7,6% (незважаючи на те, що в першій схемі сумарна ємність на виході випрямляча в два рази менше, ніж у другій).
Слід також зазначити, що робочі напруги на конденсаторах в першій схемі однакові і рівні половині випрямленої напруги, т. Е. Не перевищують 150 в (якщо тільки випрямляч не працює без навантаження), тоді як у другій схемі під такою напругою працює тільки конденсатор С1 а конденсатор С2 перебуває під повним випрямленою напругою і, отже, повинен бути розрахований на робочу напругу не менше ніж 300 в.
При роботі випрямлячів з подвоєнням напруги без навантаження, т. Е. Вхолосту, випрямлена напруга приблизно дорівнює подвоєному амплітудному значенням напруги мережі живлення, і отже, може перевищити 350 в (якщо ефективне напруга мережі одно 127 в). Таке підвищення напруги може привести до пробою конденсаторів, селенових шайб або ізоляції між ниткою напруження і катодом в кенотрона. Тому, якщо за технічними умовами випрямляч повинен працювати без навантаження або на дуже високоомних навантаження, то деталі, які використовують в ньому, повинні бути розраховані на відповідне робоче напруга. Остання умова відноситься також і до схем, які наводяться в наступних розділах брошури.
Деякою перевагою однополупериодной схеми є можливість досить простого перемикання її на живлення від мережі з напругою 220 в. Щоб зробити таке перемикання, потрібно з'єднати послідовно випрямні елементи В1 і В2 і закоротити конденсатор С1. В цьому випадку випрямляч буде працювати за схемою однополупериодного випрямлення без подвоєння напруги. Навантажувальні характеристики випрямляча при цьому майже не зміняться.
Область застосування описаних вище схем випрямлячів - харчування 4 ... 5 лампових приймачів (мають вихідну потужність не більше 2-3 Вт), малопотужних підсилювачів низької частоти і малоламповой вимірювальної апаратури.
У всіх цих випадках в якості випрямляча найзручніше використовувати кенотрон 30Ц6С, нитка розжарення якого з'єднується послідовно з нитками розжарення інших ламп апарату. Випрямляч з цим кенотроном і конденсаторами С1 і С2 ємністю по 20-40 мкф дає напругу 200-220 в при струмі близько 70 мА. Застосовуючи замість кенотрона 30Ц6С селенові стовпчики, зібрані з шайб діаметром 35 або 45 мм, і конденсатори більшої ємності, можна дещо збільшити випрямлена напруга і отримати струм удвічі (для шайб діаметром 35 мм) і втричі (для шайб діаметром 45 мм) більший. Випрямлячі в цьому випадку можуть живити більш потужні приймачі (до 4 вт вихідний потужності), підсилювачі низької частоти, малоламповие телевізори і т. П.
Фіг. 3. Принципова схема випрямляча з потроєною напруги.
Фіг. 4. навантажувальні характеристики випрямляча з потроєною напруги (зняті при напрузі живильної електромережі, рівному 120 в).
Схема з потроєною напруги. Схема випрямляча з потроєною напруги наведена на фіг. 3. Вона являє собою комбінацію двох схем однополуперіодних випрямлячів: схеми з подвоєнням напруги і схеми без множення. До мережі живлення обидві схеми підключаються паралельно, а їх виходи (випрямлені напруги) з'єднуються між собою послідовно. Таким чином, напруга на виході випрямляча, яка дорівнює загальній кількості випрямлених напруг (подвоєному напрузі мережі на конденсаторі С2 і одинарному - на конденсаторі С3), виявляється рівним, приблизно, потроєному напрузі мережі.
Навантажувальні характеристики, випрямляча, наведені на фіг. 4, показують, що при струмі близько 200 мА такий випрямляч може віддавати напругу понад 300 в. Характеристики знімалися при опорі R \u003d 10 Ом з випрямляча, в якому (як випрямних елементів В1, В2 і В3 використовувалися однакові селенові стовпчики, зібрані кожен в 13 шайб діаметром 45 мм.
Напруга живильної мережі підтримувалося рівним 120 в, а ємності конденсаторів С1, С2 і С3 змінювалися в межах від 32 до 100 МКФ.
Характер пульсації випрямленої напруги цієї схеми при рівних значеннях ємності всіх трьох конденсаторів такий же, як і в схемі двухполуперіодного випрямлення, а коефіцієнт пульсації при навантаженні випрямляча опором 2000 Ом і ємності конденсаторів по 50 мкф - близько 7%. Робочі напруги на конденсаторах С1 і С3 не перевищують 150 в, а на конденсаторі С2 - 300 в.
Слід мати на увазі, що в схемі з потроєною напруги при відсутності навантаження і напрузі живильної мережі 120-127 в випрямлена напруга перевищує 500 в.
Наведені вище дані показують, що випрямляч з потроєною напруги може отримати ще більш широке застосування, ніж з подвоєнням. Питання про вибір випрямних елементів для такого випрямляча буде розглянуто нижче.
Схеми з учетверенное напруги. Схема випрямляча з учетверенное напруги може бути двох видів: симетричною і несиметричною.
Симетрична схема, зображена на фіг. 5, являє собою комбінацію двох схем однополуперіодних випрямлячів з подвоєнням, що працюють в різні напівперіоди напруги мережі живлення. Робота цієї схеми відбувається наступним чином-Під час напівперіоду одного знака заряджаються конденсатори С1 і С4, причому напруга на конденсаторі С1 досягає, приблизно, одинарного, а на конденсаторі С4 - подвоєного ефективного значення напруги мережі живлення (конденсатор С4 заряджається, використовуючи вже наявний заряд на конденсаторі С2). Під час напівперіоду протилежного знаку таким же чином заряджаються конденсатори С2 і С3. Випрямлена напруга знімається з відповідних полюсів конденсаторів С3 і С4, з'єднаних між собою послідовно. Таким чином, воно подвоюється вдруге.
Фіг. 5. Симетрична схема випрямляча з учетверенное напруги.
Напруга, до якого заряджаються конденсатори С1 і С2, виявляється тим більшим, чим більше навантажувальний опір або, інакше кажучи, менше віддається випрямлячем потужність. Максимального значення зарядна напруга досягає в разі відключення від випрямляча навантаження, стаючи рівним амплітудному значенням напруги мережі (в 1,41 рази більше ефективного значення) на конденсаторах С1 і С2 і подвоєному амплітудному значенням (в 2,82 рази більше ефективного значення) - на конденсаторах С3 і С4.
Фіг. 6. навантажувальні характеристики випрямляча з учетверенное напруги (зняті при напрузі мережі живлення, що дорівнює 120 в).
Для того щоб можна було швидко визначити необхідні ємності конденсаторів C1, С2, С3 і С4, на фіг. 6 наведені навантажувальні характеристики, зняті з випрямляча при різних значеннях цих ємностей (у всіх випадках С1 \u003d С2 і С3 \u003d С4). Наведені характеристики показують, що вже при конденсаторах С1 і С2 ємністю по 60 мкф і С3 і С4 - по 16 мкф напруга на виході випрямляча при струмі 150 мА досягає 400 в.
Конденсатори С1 і С2 повинні бути розраховані на робочу напругу не менше ніж 150 в, а С3 і С4 - не менший ніж 250 в.
Коефіцієнт пульсації випрямленої напруги в разі навантаження випрямляча опором 3000 Ом виявляється рівним, приблизно, 6%, а форма напруги на навантаженні та ж, що і при двопівперіодним випрямлянні.
Слід мати на увазі, що в симетричних схемах випрямлячів з множенням напруги шасі знаходиться під порівняно високим потенціалом щодо землі і живильного джерела.
Фіг. 7. Несиметрична схема випрямляча з учетверенное напруги.
Несиметрична схема випрямляча з учетверенное напруги показана на фіг. 7. Працює вона за дещо іншим принципом, ніж попередня. Тут в напівперіод відповідного знака через випрямний елемент В1 і опір R, приблизно до напруги мережі, заряджається конденсатор С1. Наступний напівперіод через випрямний елемент В2 і опір R, використовуючи заряд на конденсаторі С1, приблизно до подвійного напруги мережі, заряджається конденсатор С3. До такого ж напруги заряджається в наступний напівперіод конденсатор С2 через випрямний елемент В3. В цей же час знову заряджається конденсатор С1. Потім заряд конденсатора С2 через випрямний елемент В4 заряджає конденсатор С4. Випрямлена напруга знімається з послідовно з'єднаних конденсаторів С3 і С4. Вся схема працює за принципом однополупериодного випрямлення.
Фіг. 8. навантажувальні характеристики несиметричного учетверяется випрямляча (зняті при напрузі мережі живлення, що дорівнює 120 в).
Зняті з випрямляча навантажувальні характеристики (фіг. 8) мають значний нахил. Це показує на неможливість використання таких схем для радіотехнічних апаратів підвищеної потужності. Робоча напруга розподіляється на конденсаторах вельми своєрідно, причому характер розподілу залежить від величини навантаження. У табл. 1 наведені робочі напруги на конденсаторах при двох різних навантаженнях і без навантаження.
Таблиця 1
| Конденсатори на схемі фіг. 7 | Ємність, мкФ | Робоча напруга при навантаженні 2000 Ом, в | Робоча напруга при навантаженні 7500 Ом, в | Напруга без навантаження, в |
| C1 | 60 | 100 | 125 | 170 |
| С2 | 48 | 125 | 220 | 340 |
| С3 | 48 | 175 | 240 | 340 |
| С4 | 48 | 100 | 105 | 340 |
Примітка. Напруга живильної мережі 120 в.
Такий нерівномірний розподіл напруги супроводжується вельми нерівномірного формою пульсації, і тому коефіцієнт пульсації на виході випрямляча становить при опорі навантаження 5000 Ом близько 10%, а при опорі навантаження 1 700 Ом підвищується до 23%. Внаслідок цього несиметричну схему випрямляча з учетверенное напруги можна використовувати тільки при великих опорах навантаження або, інакше кажучи, при малих споживаних токах.
Випрямлячі, зібрані за симетричною схемою з учетверенное, в яких застосовуються селенові випрямні елементи, можуть широко використовуватися для харчування різних радіотехнічних пристроїв, що вимагають досить високих напруг при токах 150-200 мА.
Схеми з багаторазовим множенням напруги. Принцип випрямлення з учетверенное напруги, викладений вище, дійсний для будь-якої парної кратності множення. Для кожного наступного збільшення випрямленої напруги на подвійну напругу мережі схему випрямляча потрібно доповнити лише двома випрямними елементами і двома конденсаторами, як показано на фіг. 9.
Схема, наведена на фіг. 9, добре працює тільки при дуже малому споживаної струмі, але зате може давати дуже висока випрямлена напруга. Її зручно застосовувати в телевізорах для живлення анода кінескопа і т. Д. В якості випрямних елементів тут можуть бути використані селенові шайби самого малого діаметру, зібрані в стовпчики з таким розрахунком, щоб допустимий зворотна напруга була рівною подвійний амплітуді напруги, що дається джерелом змінної напруги. На таке ж робоча напруга повинні бути розраховані і всі конденсатори схеми, крім (конденсатора С1 знаходиться під одинарним амплітудним напругою джерела. Так як схема розраховується на малі робочі струми,
Фіг. 9. Несиметрична схема випрямляча з багаторазовим множенням напруги.
ємності конденсаторів можуть бути невеликими, в межах від 0,25 до 0,5 мкФ. Через велику опору навантаження коефіцієнт пульсації на виході випрямляча виходить незначним навіть при таких малих значеннях ємності конденсаторів. Повна напруга, що дається випрямлячем, підраховується для ненавантаженого випрямляча шляхом множення амплітуди змінної напруги на число пар елементів схеми. За одну пару елементів приймаються конденсатор і випрямний елемент.
На фіг. 10 показана симетрична схема багаторазового множення напруги, що має в порівнянні зі схемою
Фіг. 10. Симетрична схема випрямляча з багаторазовим множенням напруги.
фіг. 9 ті ж переваги, що і симетрична схема з учетверенное напруги в порівнянні з несиметричною. Цю схему можна рекомендувати для випрямлячів, що живлять вихідні ступені аматорських короткохвильових передавачів і пристроїв, що вимагають високих напруг і порівняно великих струмів. При цьому, звичайно, повинні бути відповідно підібрані випрямні елементи і конденсатори випрямляча.
Для наведених вище схем випрямлячів характер навантажувальних характеристик визначається ємностями застосовуваних конденсаторів. Чим більше ці ємності, тим менший нахил має характеристика, і отже, великим виходить напруга на даному навантаженні.
Для випадку роботи випрямляча без навантаження існують певні мінімальні значення ємностей конденсаторів, при заниженні яких схеми з множенням напруги перестають працювати. У тих випадках, коли від випрямляча необхідно отримати струм в кілька десятків або сотень, міліампер, конденсатори слід брати якомога більшою ємності. Це сприяє також і поліпшенню фільтрації випрямленої напруги. Крім того, підбором ємностей конденсаторів можна ефективно встановлювати потрібне по режиму харчування анодна напруга.
У промислових і аматорських телевізорах для живлення анодів кінескопів знайшла застосування схема з множенням напруги, зображена на фіг. 11. Ця схема відрізняється від наведених раніше наявністю додаткових опорів і ємностей. Працює вона наступним чином. Під час позитивного напівперіоду напруги живлення через випрямний елемент В1 заряджається до амплітудного значення напруги конденсатор C1, а під час негативного - через опір R1 конденсатор С2.
Фіг. 11. Схема множення напруги з опорами.
У наступний позитивний напівперіод напруга на конденсаторі С2 складається з годує напругою, і цей конденсатор розряджається через випрямний елемент В2 на послідовно з'єднані конденсатори С1 і С3, з кінців яких отримане подвоєне випрямлена напруга і підводиться до навантаження. Нарощуючи в схемі ланки так, як показано пунктиром на фіг. 11, можна отримати множення напруги будь-якої кратності.
Переваги такої схеми полягають в полегшенні умов роботи випрямних елементів і ємностей, так як зворотна напруга на кожному випрямному елементі не перевищує подвійного, а на кожному конденсаторі - одинарного амплітудного напруги, підводимо від до випрямляча. Опору R1, R2 і т. Д. Дозволяють в разі використання селенових стовпчиків мати значний розкид їх зворотних опорів.
Розглянута схема придатна тільки для роботи випрямляча при великому опорі навантаження. Конденсатори можуть мати ємність близько 500 ... 1000 нФ, а опору близько 2 ... 4 мОм. Як випрямних елементів можуть застосовуватися відповідні селенові стовпчики або кенотрони, однак для харчування ниток напруження останніх на силовому трансформаторі необхідно мати окремі добре ізольовані обмотки.
Багато електронщики часто використовують схеми живлення виконані за принципом множення напруги. Адже використання умножителя дозволяють істотно зменшити вагу і габарити пристрою. Для розуміння фізики роботи такого електронного пристрою, розглянемо основні схемотехнічні варіанти побудови таких конструкцій. Їх можна умовно поділити на симетричні і несиметричні умножители. Несиметричні в свою чергу, поділяються на два види: першого і другого роду
Всі конструкції зазвичай складаються з конденсаторів і діодів, для отримання значень понад кіловольта, потрібно застосовувати спеціальні високовольтні діоди і неполярні конденсатори.
Ці конструкції широко використовують в лазерній техніці, в різних високовольтних конструкціях, наприклад в, в іонізатори повітря,
Однофазні несиметричні схеми множення є послідовне підключення декількох однакових однотактний схем випрямлення з ємнісний навантаженням.
У схемі кожна последующуя ємність заряджається до більш високого значення. Якщо ЕРС вторинної обмотки трансформатора спрямована від точки а до точки б, то відкривається перший діод і йде заряд С1. Цей конденсатор заряджається до U рівного амплітуді на вторинній обмотці трансформатора U 2m. При зміні ЕРС вторинної обмотки буде йти зарядний струм другого конденсатора по ланцюгу: точка а, С1, VD2, С2, точка б. При цьому ємність С2 заряджається до UC2 \u003d U2m + UC1 \u003d 2U2m, так як вторинна обмотка трансформатора і С1 виявилися включеними узгоджено і послідовно. При черговому зміні напрямку ЕРС вторинної обмотки починається заряд С3 по ланцюгу: точка б, С2, VD3, С3 точка а вторинної обмотки. Конденсатор С3 буде заряджатися до напруги UC3 \u003d U2m + UC2≈ 3U2m і так далі. Тобто, на кожному наступному конденсаторі кратність відповідає формулі:
Необхідне значення помноженого U знімається з однієї ємності С n
Під час негативної напівхвилі ємність С1 заряджається через відкритий діод VD1 до амплітудного значення U. Коли до входу приходить позитивна хвиля полупериода, ємність С2 через відкритий діод VD2 заряджається до значення 2Ua. Під час наступного циклу негативного напівперіоду через діод VD3 до значення 2U заряджається ємність СЗ. І в результаті, при черговій позитивній напівхвилі до 2U заряджається конденсатор С4.
Дуже добре видно, що запуск помножувача здійсниться за кілька періодів полуволн. Постійне вихідна напруга сумируется з напруг на послідовно включених і постійно заряджають ємностях С2 і С4 і одно 4Ua.
Зображений на верхній схемі умножитель відноситься до послідовного типу. Існують також паралельні, для яких потрібно менші номінали конденсатора на щабель подвоєння.
Найбільш часто радіоаматори використовують послідовні помножувачі. Вони більш універсальні, напруга на діодах і конденсаторах розділене приблизно рівномірно, можна здійснити більше число ступенів множення. Але є свої плюси і у паралельних конструкцій. Однак їх величезний мінус, як збільшення напруги на ємностях зі збільшенням числа ступенів множення, обмежує їх використання до номіналів 20 кВ.
До переваг паралельної схеми, та що в центрі малюнка, слід віднести наступні: на ємності С1, СЗ приходить тільки амплітудне напруга, навантаження на діоди однакова, досягається пристойна стабільність вихідної напруги. Другий умножитель, схема якого наведена нижче. відрізняють такі характеристики, як можливість видачі високої потужності на виході конструкції, простота в збірці своїми руками, однакове розподіл навантаження між елементами, велика кількість ступенів перетворення.
Це бруківка схема у якій в два плеча моста приєднані діоди VD1 VD2, а в два інші плеча - конденсатори С1 С2. До однієї з діагоналей моста приєднана вторинна обмотка, до іншої навантаження. Схему подвоєння можна представити у вигляді двох однополуперіодних схем, включених послідовно і працюють від однієї вторинної обмотки. У перший напівперіод, коли потенціал точки а вторинної обмотки позитивний щодо б, відкриється вентиль VD1 і починається заряд С1. Струм в цей момент йде через вторинну обмотку, VD1 і С1.
У другій напівперіод заряджається С2. Зарядний струм цього конденсатора йде через вторинну обмотку, С2 і VD2. С1 і С2 по відношенню до Rн1 (опір навантаження) включені послідовно, і U на навантаженні дорівнює сумі UC1 + UC2. Основна перевага даної схеми це підвищена частота пульсації в порівнянні з двофазної схемою і досить повне використання трансформатора.
Все частіше і частіше радіоаматори стали цікавитися схемами живлення, які побудовані за принципом множення напруги. Цей інтерес пов'язаний з появою на ринку мініатюрних конденсаторів з великою ємністю і підвищенням вартості мідного дроту, який використовується для намотування котушок трансформаторів. Додатковим плюсом згаданих пристроїв є їх малі габарити, що значно знижує кінцеві розміри проектованої апаратури. А що ж являє собою помножувач напруги? Цей прилад складається з підключених певним чином конденсаторів і діодів. По суті, це перетворювач змінної напруги низьковольтного джерела в висока постійна напруга. А навіщо потрібен умножитель напруги постійного струму?
Галузь застосування
Такий пристрій знайшло широке застосування в телевізійній апаратурі (в джерелах анодного напруги кінескопів), медичному обладнанні (при харчуванні потужних лазерів), у вимірювальній техніці (прилади вимірювання радіації, осцилографи). Крім того, воно використовується в пристроях нічного бачення, в електрошокових приладах, побутової та офісної апаратури (ксерокопіювальні апарати) і т. Д. Умножитель напруги завоював таку популярність завдяки можливості формувати напругу до десятків і навіть сотень тисяч вольт, і це при незначних розмірах і масі пристрою. Ще один важливий плюс згаданих приладів - це простота виготовлення.
типи схем
Розглянуті пристрої діляться на симетричні і несиметричні, на умножители першого і другого роду. Симетричний умножитель напруги виходить шляхом з'єднання двох несиметричних схем. У однієї такої схеми змінюється полярність конденсаторів (електролітів) і провідність діодів. Симетричний умножитель володіє кращими характеристиками. Одним з головних достоїнств є подвоєне значення частоти пульсацій випрямляється напруги.
Принцип роботи
На фото показана найпростіша схема однополупериодного приладу. Розглянемо принцип роботи. При дії негативного напівперіоду напруги через відкритий діод Д1 починає заряджатися конденсатор С1 до амплітудного значення поданого напруги. У той момент, коли настає період позитивної хвилі, заряджається (через діод Д2) конденсатор С2 до подвоєного значення поданого напруги. При початку наступного етапу негативного напівперіоду відбувається заряд конденсатора С3 - також до подвоєного значення напруги, а при зміні полупериода і конденсатор С4 також заряджається до вказаного значення. Запуск пристрою здійснюється за кілька повних періодів напруги змінного струму. На виході виходить постійна фізична величина, яка складається з показників напружень послідовних, постійно заряджаються конденсаторів С2 і С4. В результаті отримаємо величину, в чотири рази більшу, ніж на вході. Ось за таким принципом і працює умножитель напруги.
розрахунок схеми
При розрахунку необхідно задати необхідні параметри: вихідну напругу, потужність, змінне вхідна напруга, габарити. Не слід нехтувати і деякими обмеженнями: вхідна напруга не повинна перевищувати 15 кВ, частота його коливається в межах 5-100 кГц, значення на виході - не більше 150 кВ. На практиці застосовують пристрої з вихідною потужністю 50 Вт, хоча реально сконструювати умножитель напруги з вихідним показником, що наближається до 200 Вт. Значення вихідної напруги безпосередньо залежить від струму навантаження і визначається за формулою:
U вих \u003d N * U вх - (I (N3 + + 9N2 / 4 + N / 2)) / 12FC, де
I - струм навантаження;
N - число ступенів;
F - частота вхідної напруги;
С - ємність генератора.
Таким чином, якщо задати значення вихідної напруги, струму, частоти і кількості ступенів, можливо вирахувати необхідну
До недавнього часу умножители напруги недооцінювали. Багато розробники розглядають ці схеми з точки зору лампової технології, і тому втрачають деякі прекрасні можливості. Добре відомо, яким вдалим рішенням стало застосування утроітеля і учетверітелей напруги в телевізорах. На щастя, нам не треба вирішувати завдання, що стосуються рентгенівського випромінювання в ПІП, але схема множення напруги часто може бути корисна для подальшого скорочення габаритів після того, як досягнуть очевидний межа звичайними методами, які використовують високочастотну комутацію і видалені трансформатори, що працюють з частотою 60 Гц. В інших випадках умножители напруги можуть забезпечити витончений спосіб отримання додаткового вихідного напруги, використовуючи одну вторинну обмотку трансформатора.
Багато підручники докладно зупиняються на недоліках умножителей напруги. Стверджується, що у них погана стабільність напруги і вони занадто складні. Констатація цих недоліків має під собою грунт, але заснована вона на досвіді застосування лампових схем, які завжди працювали з синусоїдальними напругами з частотою 60 Гц. Властивості умножителей напруги значно поліпшуються, коли вони працюють з прямокутними, а не з синусоїдальними напругами, і особливо при роботі з високими частотами. При частоті перемикання 1 кГц, і тим більше при 20 кГц, умножитель напруги заслуговує переоцінки його можливостей. З огляду на, що для прямокутного коливання пікове і середнє квадратичне значення рівні, конденсатори в схемі умножителя мають набагато більший час накопичення заряду, в порівнянні з випадком синусоїдальних коливань. Це проявляється в підвищенні стабільності напруги і поліпшення фільтрації. Відомо, що дуже хороша стабільність можлива і при синусоїдальній напрузі, але тільки за рахунок конденсаторів великої ємності. Деякі корисні схеми помножувачів напруги показані на рис. 16.4. Два різних зображення однієї і тієї ж схеми на рис. (А) показує, що спосіб накреслення схеми може іноді вводити в оману.
Хоча стабільність тепер не є великою проблемою в помножувачах напруги, дуже хороша стабільність зовсім не обов'язкова в системі, де про остаточну стабілізацію вихідного постійної напруги подбають один або кілька контурів зворотного зв'язку. Зокрема, деякі умножители напруги дуже добре працюють при 50-процентному робочому циклі інвертора. Відповідні умножители напруги рекомендуються як нестабілізованого джерела живлення, зазвичай передує схемою стабілізації з петлею зворотного зв'язку. Як правило, таке використання пов'язане з перетворювачем постійної напруги в постійне. Наприклад, напруга мережі з частотою 60 Гц можна випрямити і подвоїти. Потім це постійна напруга використовується в потужному перетворювачі постійної напруги в постійне, який можна виконати у вигляді імпульсного стабілізатора. Зауважте, що цей метод дає можливість отримати високу вихідну напругу без трансформатора, що працює на частоті 60 Гц.
Умножитель напруги полегшує створення гарного інвертора. Трансформатор інвертора найкраще працює з коефіцієнтом трансформації близько одиниці. Значні відхилення від цієї величини, особливо при підвищенні напруги, часто призводять до появи досить великий індуктивності розсіювання в обмотках трансформатора, що викликає нестійку роботу інвертора. Так, ті, хто експериментували з інверторами і перетворювачами добре знають, що найбільш імовірним збоєм в роботі навіть простої схеми є коливання, частота яких відрізняється від розрахункової. А індуктивність розсіювання може легко привести до руйнування перемикаючих транзисторів. Цієї проблеми можна уникнути, застосовуючи умножитель напруги, щоб використовувати трансформатор з коефіцієнтом трансформації близько одиниці.
Рис. 16.4. Схеми умножителей напруги. Обидві схеми на рис. (А) електрично ідентичні. Зверніть увагу на допустимі і заборонені варіанти заземлення різних ланцюгів - в деяких випадках генератор і навантаження не можуть використовувати одну і ту ж точку заземлення.
Коли ми маємо справу з напругою синусоїдальної форми, слід пам'ятати, що умножители напруги оперують з піковим значенням напруги. Таким чином, так званий подвоювач напруги, що працює з вхідною напругою, мають ефективне значення 100 В, дасть на виході напруга холостого ходу 2 х 1,41 х 100 \u003d 282 В. Таким чином, якщо ємність конденсаторів велика, а навантаження відносно невелика, то результат більше схожий на потроєння вхідного ефективного значення напруги. Подібне міркування справедливо і для інших умножителей.
Якщо прийняти рівними місткості всіх конденсаторів і синусоїдальна напруга на вході, то умножители напруги повинні мати величину (ocr не менше 100, де (0 \u003d 2К /, робоча частота виражена в герцах, ємність у Фарада, а - ефективний опір в Омасі, відповідне самій низкоомной навантаженні, яка може бути підключена. В цьому випадку вихідна напруга складе не менше 90% від максимально досяжного постійної напруги і буде відносно слабко змінюватися. Для напруги прямокутної форми величина cocr може бути значно менше 100.
При виборі схеми множення напруги слід приділити увагу заземлення. На рис. 16.4, символ генератора зазвичай представляє вторинну обмотку трансформатора. Зауважте, що якщо один з висновків навантаження повинен бути заземлений, то в однополуперіодних схемах можливо заземлення одного виведення трансформатора, а в двухполуперіодних варіантах немає. Двухполуперіодні схеми зручні для отримання джерел з Двуполярность виходом, у яких один вихід має позитивний потенціал щодо землі, а інший - негативний, і на кожному виході є половина повного вихідного напруги.
Схеми, показані на рис. 16.4 (A), ідентичні і є двухполуперіодним випрямляча з подвоєнням напруги. Схема на рис. В являє собою однополуперіодний випрямляч з подвоєнням напруги. Схема рис. З працює як однополуперіодний утроітель. Двухполуперіодний учетверітель показаний на рис. D, а однополуперіодний учетверітель на рис. Е. Подібні умножители напруги, знаходять широке застосування в телевізійних джерелах живлення зворотного ходу, що забезпечують кінескопи високою напругою. Вони використовуються також в лічильниках Гейгера, лазерах, електростатичних сепараторах і т.д.
Хоча двухполуперіодні умножители напруги мають кращу стабільність і менші пульсації, ніж однополуперіодні, практично відмінності стають невеликими, якщо використовуються прямокутні коливання високої частоти. Використовуючи конденсатори великої ємності, завжди можна поліпшити стабільність напруги і зменшити пульсації. Взагалі, при частоті 20 кГц і вище, наявність у однополуперіодних умножителей загальної точки заземлення справляє визначальний вплив на вибір конструктора.
Поєднуючи велике число елементарних каскадів, можна отримувати дуже високі постійні напруги. Хоча цей спосіб не новий, реально здійснити його, використовуючи напівпровідникові діоди, виявилося простіше, ніж з колишніми ламповими випрямлячами, які ускладнювали завдання ізоляції і вартості через ланцюгів напруження. Два приклади багатокаскадних умножителей напруги показані на рис. 16.5. Вони множать амплітудне значення вхідної змінної напруги в вісім разів. У схемі на рис. 16.5А, ні на одному конденсаторі напруга не перевищує величини 2К Відмінною особливістю схеми, зображеної на рис. 16.5В є спільна точка землі для входу і виходу. Однак номінальну напругу конденсаторів повинні поступово підвищуватися в міру того, як вони наближаються до виходу схеми. Хоча при частоті 60 Гц це призводить до збільшення габаритів і вартість, але при високих частотах ці недоліки менш чутливі. Діоди в обох схемах повинні витримати пікове вхідна напруга Е, але для надійності слід застосовувати діоди з номінальною напругою, по крайней мере, в кілька разів вище, ніж Е, В цих схемах зазвичай використовуються конденсатори, що мають однакові ємності. Чим більше ємність конденсаторів, тим краще стабільність і менше пульсації. Однак конденсатори великої ємності накладають підвищені вимоги до діодів щодо максимальних значень струмів.
Схема, показана на рис. 16.6, виявилася дуже корисною для застосування в електроніці. Зауважте, що вона працює від однополярної послідовності імпульсів. Це схема помножувача напруги Кок-рофта-Уолтона, яка часто зустрічається в літературі. Хоча все конденсатори можуть мати одну і ту ж ємність і одне і те ж номінальну напругу Е, але краще скористатися наступним підходом:
Спочатку розраховуємо ємність вихідного конденсатора
де / q - вихідний струм в амперах, а / - тривалість однополярного імпульсу в мікросекундах. Нехай в якості прикладу \u003d 40 мА. Якщо Ви приймаєте, що частота дорівнює 20 кГц, то t становить половину величини зворотної 20 кГц, або
Як напруги V приймається максимальна величина пульсацій. Розумною можна вважати величину 100 мВ, тоді
Рис. 16.5. Два варіанти многокаскадного умножителя напруги. (А) У цій схемі ні на одному конденсаторі немає напруги вище 2 Е. (В) Особливістю цієї схеми є спільна точка заземлення для входу і виходу.
У міру наближення до входу схеми ємність конденсаторів поступово збільшується в кілька разів у порівнянні з ємністю останнього конденсатора С ^. Ці обчислення прості, але можуть виявитися невірними, якщо на них не звернути пильну увагу. Відзначте числа, що стоять поруч з конденсаторами в схемі на рис. 16.6. Це коефіцієнти, на які треба множити ємність С ^, щоб отримати фактичну величину ємності. Таким чином, ємність конденсатора, позначеного номером 2 дорівнює 2С ^ або в нашому прикладі 10 мкФ х 2 \u003d 20 мкФ. Конденсатор має ємність 5С ^ або 50 мкФ. А перший конденсатор має ємність IIС ^ або ПО мкФ.
Звідки беруться ці числа? Вони представляють відносні значення струмів уздовж ланцюга. Якщо поруч з конденсаторами немає чисел, показаних на рис. 16.6, Ви можете визначити їх, використовуючи вираз (2 / 1-1). Тут п представляє коефіцієнт множення вхідного напруги. Очевидно, що в умножителе на шість л \u003d 6. Ви починаєте з вхідного конденсатора і знаходите, що 2п- \\ \u003d 11. Потім продовжуєте уздовж нижнього ряду конденсаторів, отримуючи послідовно 2 / 1-3, 2 / 2-5, 2/1 -7, 2 / 2-9 і, нарешті, для - (2 / 2-11). Потім, слідуючи цій процедурі, починаємо з першого конденсатора зліва в верхньому ряду. Цього разу, множники З ^, такі: 2 / 2-2, 2 / 2-4, 2 / 2-6, 2 / 2-8 і, нарешті, для правого замикаючого конденсатора 2 / 2-10.
Рис. 16.6. Умножитель напруги на шість, що працює від джерела однополярним імпульсів. Призначення чисел поруч з конденсаторами пояснено в тексті.
Те, що конденсатори біля входу мають велику ємність, ніж ті, які ближче до виходу, пов'язано, з перекачуванням заряду, який природно повинен бути досить великим на вході. Протягом одного циклу відбувається 2 / 2-1 переносів заряду. При кожному з таких переносів, відбувається природна втрата енергії. Ці втрати енергії мінімальні, якщо ємності конденсаторів розраховані так, як було сказано вище.
Перше випробування будь-якого умножителя напруги повинно проводитися зі змінним автотрансформатором або з яким-небудь іншим пристроєм, що дозволяє плавно підвищувати вхідна напруга. В іншому випадку стрибком струму можуть бути зруйновані діоди. Строгість дотримання цього правила залежить від таких факторів, як ємність конденсаторів, рівень потужності, частота, ESR конденсаторів і, звичайно, номінальний піковий струм діодів. Можливо, на вході помножувача необхідно помістити терморезистор, або резистор, що включається за допомогою реле. З іншого боку, у багатьох випадках можна обійтися взагалі без захисту, тому що цілком доступні діоди, що працюють з великими піковими струмами. Іноді, захист «невидима», наприклад, трансформатор на вході просто не може забезпечити великий стрибок струму.
При роботі з високими напругами величина прямого падіння напруги на діодах не суттєва. При низькій напрузі накопичується падіння напруги на діодах може перешкодити досягненню необхідного вихідного напруги і суттєво знизити к.к.д. умножителя напруги. Слід переконатися, що час зворотного відновлення діодів сумісно з частотою вхідного напруги. Інакше, розрахований коефіцієнт множення напруги буде «загадково» відсутні.