Умножитель напряжения — это разновидность схемы диодного выпрямителя, который позволяет получить из переменного напряжения высокое постоянное напряжение. Умножитель увеличивает амплитудное значение входного переменного напряжения в определённое целое количество раз за счёт использования диодно-емкостных секций (степень увеличения зависит от количества секций/ступеней). Такую схему можно отнести к высоковольтным AC/DC преобразователям.
Умножители напряжения применяются в тех устройствах, где необходим высоковольтный, но слаботочный источник (то есть способен обеспечить очень маленький ток нагрузки (единицы или десятки миллиампер), это очень важная особенность) напряжения с небольшими массогабаритными показателями. Благодаря такой схеме в некоторых случаях можно отказаться от дорогостоящих и крупных по размерам и массе повышающих трансформаторов.
К примеру, умножители использовались в качестве источника анодного напряжения для кинескопов в телевизорах и компьютерных мониторах, а также в аналоговых осциллографах с электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ). При этом диодные умножители напряжения часто применялись в связке с небольшим повышающим трансформатором, и такие схемы были собраны в один корпус. Такой модуль назывался как трансформатор диодно-каскадный строчный (ТДКС). Сперва с выхода повышающего трансформатора получали 5-10 кВ, а после увеличивали напряжение до 20-25 кВ посредством умножителя.
Кроме телевизоров и мониторов, умножители можно встретить в некоторых схемах электрошокеров, схемах электровакуумных приборов (счётчик Гейгера, лампа бегущей волны, маломощная рентгеновская трубка), в схемах заряда высоковольтных конденсаторных накопителей, в схемах ионизаторов воздуха (люстра Чижевского).
Типы схем умножителя напряжения
Среди умножителей напряжения выделяют несколько типов схем:
- симметричные;
- несимметричные:
- параллельные (умножители первого рода);
- последовательные (умножители второго рода).
Схема симметричного умножителя напряжения (схема Латура)
Схема симметричного умножителя напряжения (схема Латура-Делона-Гренашера) представляет собой объединение двух однополупериодных выпрямителей с емкостным фильтром. При положительной полуволне входного переменного напряжения конденсатор С1 заряжается через диод VD1, а при отрицательной полуволне заряжается конденсатор C2 через диод VD2. Таким образом, каждый конденсатор заряжен до уровня амплитудного напряжения относительно среднеквадратичного значения входного переменного напряжения, а последовательное соединение конденсаторов C1 и C2 позволяет получить суммарно удвоенное значение амплитудного напряжения.
На рисунке 2 схематично представлен процесс заряда конденсаторов в схеме симметричного удвоителя напряжения. Слева — заряд ёмкости C1 в процессе положительной полуволны напряжения, справа — отрицательной. На графиках входного и выходного напряжений наглядно видно то, как меняется напряжение на выходе схемы в процессе заряда конденсаторов. Обращаем внимание, что напряжение пульсирующее, и амплитуда пульсаций с ростом нагрузки будет увеличиваться, что необходимо учитывать при подборе величины ёмкости конденсаторов (подробнее об этом в разделе про расчёт схемы умножителя напряжения).
Особенностью схемы Латура является хорошая нагрузочная способность, позволяющая обеспечивать большой ток потребления для нагрузки (относительно других схем умножителей).
Схема несимметричного умножителя напряжения
(схема Кокрофта-Уолтона)
Схема однополупериодного несимметричного умножителя (схема Кокрофта-Уолтона) представлена на рисунке 3.
Особенностью данного решения является универсальность, поскольку эта схема представляет собой одну секцию, на базе которой строят многоступенчатые умножители (умножение в 2 раза, в 4 раза и так далее). Относительно симметричных умножителей схема несимметричного обладает невысокой нагрузочной способностью.
В зависимости от схемы включения, несимметричные умножители подразделяются на параллельные и последовательные, схемы которых представлены на рисунках 4 и 5 соответственно. На схемах выделены пунктиром области, выделяющие каждую ступень (секцию) умножителя, что позволяет отследить закономерность построения многоступенчатых умножителей разных типов.
Схема несимметричного параллельного умножителя напряжения
(умножитель первого рода)
Схема несимметричного последовательного умножителя напряжения
(умножитель второго рода)
Алгоритм работы аналогичен тому, который был описан для симметричного умножителя напряжения. Стоит отметить, что с наращиванием ступеней требуется больше времени для заряда конденсаторов — для каждой ступени необходимо два полупериода входного переменного напряжения питания. Соответственно, для заряда конденсаторов умножителя напряжения с двумя ступенями (увеличение напряжения в 4 раза) потребуется четыре полупериода.
Увеличить напряжение посредством умножителя можно не более чем в 8 раз, поскольку при увеличении количества ступеней нагрузочная способность схемы становится нецелесообразной для практического применения.
Схема утроителя напряжения
Также на базе несимметричного умножителя строятся утроители (увеличение напряжения в 3 раза), в схеме которой используется, грубо говоря, полторы ступени, что хорошо проиллюстрировано на рисунке 6.
Соответственно, по такой логике можно строить и умножители напряжения в 5 и 7 раз.
Схема умножителя напряжения в 5 раз
Расчёт умножителя напряжения
Подбор компонентов
Для начала рассмотрим чисто теоретический и простой пример однополупериодного несимметричного последовательного (второго рода) умножителя напряжения. На рисунке 8 представлена схема удвоителя:
Для примера питание схемы умножителя осуществляется посредством линейного трансформатора типа ТТП-15. В нашем случае данный трансформатор является развязывающим (создающим гальваническую развязку между схемой умножителя и сетью питания, что рекомендовано для безопасной работы). Первичная обмотка трансформатора подключается к сети питания 220 В, а на вторичной обмотке, соответственно, тоже 220 В. Трансформатор ТТП-15 способен выдать мощность 15 Вт, что соответствует току нагрузки приблизительно 0,065 А. В цепь первичной обмотки установим предохранитель, рассчитанный на ток до 100 мА (примерно в 2 раза больше максимально предполагаемого тока потребления схемы).
Допустим, что сопротивление нагрузки в нашей схеме равно Rн=24 кОм. Определим ток нагрузки:
Соответственно, выбранный трансформатор достаточно мощный для нашей нагрузки.
Так как рассматриваемый умножитель имеет две ступени, то амплитуда выходного напряжения в 4 раза больше, чем амплитудное значение входного напряжения. Соответственно, на выходе умножителя ожидается примерно 1240 В, и это напряжение прикладывается к сопротивлению нагрузки Rн. Уточним, что схема удвоителя питается напряжением 220 В (это среднеквадратичное значение) со вторичной обмотки трансформатора. Для данного напряжения амплитудным значением является 310 В. Соответственно, удвоенное амплитудное значение — 620 В. А увеличенное в 4 раза — 1240 В.
Крайне важно обратить на рабочее напряжение элементов. Так как в данном конкретном примере рассматривается последовательный умножитель, то напряжение на каждом диоде и конденсаторе распределяется равномерно, и на каждый конденсатор (кроме C1) заряжается до удвоенного амплитудного значения входного напряжения. Таким образом, необходимо использовать конденсаторы с номинальным рабочим напряжением не меньше 620 В, а лучше взять с запасом. Для этого подойдёт конденсатор с рабочим напряжением 1000 В.
Выпрямительные диоды 1N4007 в каждой ступени имеют максимальное обратное напряжение 1000 В и максимальную величину прямого тока 1 А. Дополнительно отметим, что максимальное обратное напряжение каждого диода должно быть больше напряжения заряда конденсатора на каждой ступени, а максимальный прямой ток через диод должен быть как минимум в 2 раза больше тока нагрузки. Учитывая, что ток нагрузки в нашей схеме Iн = 51,6 мА, выбранный диод подходит указанному критерию.
Что касается тока заряда конденсаторов. Если ёмкость каждого конденсатора будет относительно большой (единицы микрофарад), то в первый момент времени заряда конденсатора, когда он полностью разряжен, ток заряда может быть весьма значительный, что может вывести из строя диод. По этой причине необходимо смотреть на ёмкость конденсаторов, и, отталкиваясь от этого, выбирать диод с соответствующим максимальным прямым током. С другой стороны, лучше перестраховаться и использовать токоограничивающий резистор, установив его перед первым конденсатором первой ступени умножителя. Сопротивление конденсатора подобрать такое, которое позволит ограничить импульс тока в начале заряда конденсаторов, но и не будет слишком увеличивать постоянную времени заряда, а также не будет сильно ограничивать ток для нагрузки.
Практический расчёт умножителя напряжения
Сам расчёт умножителя напряжения, чаще всего, сводится к подбору номинальной ёмкости конденсаторов в каждой ступени. Чтобы рассчитать приближенное значение ёмкости, можно воспользоваться одной из следующих формул (ориентируясь либо на ток нагрузки, либо на сопротивление нагрузки):
где N — кратность умножения напряжения (во сколько раз увеличивается);
Iн [мА] — ток нагрузки;
Kп [%] — коэффициент пульсаций выходного напряжения;
Uвых [В] — величина выходного напряжения;
где N — кратность умножения напряжения (во сколько раз увеличивается);
Rн [кОм] — сопротивление нагрузки;
Kп [%] — коэффициент пульсаций выходного напряжения.
Стоит отметить, что коэффициент пульсаций не должен превышать 5 % от величины выходного напряжения, поскольку эффективность работы схемы резко снижается. То есть, в нашем примере ожидается выходное напряжение величиной 1240 В. Следовательно, максимальная допустимая величина амплитуды пульсаций будет равна:
Ёмкость конденсатора C1 должна быть не менее чем в 4 раза больше расчётного значения, чтобы длительность переходного процесса (имеется ввиду длительность заряда конденсаторов всех ступеней умножителя — от момента включения питания до выхода уровня выходного напряжения на максимальный) не была большой. Чем больше ёмкость — тем больший ток заряда, и тем меньше длительность переходного процесса. Остальные конденсаторы в схеме умножителя будут иметь одинаковое значение, равное расчётному по формулам 1 или 2.
Условимся, что коэффициент пульсаций равен Kп = 3 %. Определим величину ёмкости для нашей схемы умножителя напряжения (увеличение в 4 раза — N = 4):
Округлим в большую сторону, и выберем ближайший стандартный номинал — 0,22 мкФ. Благодаря этому будет меньше амплитуда пульсаций.
Рассматриваемая в примере схема является несимметричным последовательным умножителем напряжения. Такая схема построения намного требует применение конденсаторов со значительно большей величиной ёмкости, нежели в схемах параллельного умножителя.
Однако, рабочее напряжение каждого конденсатора в последовательной схеме может быть одинаковой, в то время как в параллельной схеме рабочее напряжение конденсатора на выходе каждой ступени должно быть не меньше уровня выходного напряжения.
Конечно, можно использовать последовательное соединение конденсаторов, чтобы повысить их общее рабочее напряжение, но при этом пропорционально уменьшается их суммарная ёмкость. Это не всегда рационально с точки зрения надёжности и подбора компонентов, поэтому при необходимости строить умножитель напряжения для высоких значений выходного напряжения лучше использовать схему последовательного несимметричного умножителя напряжения.