Умножители напряжения — теория, практика, схемы

Общие сведения об умножителях напряжения

Суть работы умножителя заключается в преобразовании переменного напряжения, получаемого из низковольтного источника, в высокое напряжение постоянного тока. Есть разные варианты данных приборов такие как, умножитель напряжения Шенкеля и другие схемы, проектируемые для конкретной аппаратуры.

В электронике к умножителям напряжения относятся специальные схемы, с помощью которых уровень входящего напряжения преобразуется в сторону увеличения. Одновременно эти устройства выполняют еще и функцию выпрямления. Умножители применяются в тех случаях, когда нежелательно использовать в общей схеме дополнительный повышающий трансформатор из-за сложности его устройства и больших размеров.

В некоторых случаях трансформаторы не могут поднять напряжение до требуемого уровня, поскольку между витками вторичной обмотки может случиться пробой. Данные особенности следует учитывать при решении задачи, как сделать различные варианты удвоителей своими руками.

В схемах умножителей обычно используются свойства и характеристики однофазных однополупериодных выпрямителей, работающих на емкостную нагрузку. В процессе работы этих устройств между определенными точками создается напряжение с величиной, превышающей значение входного напряжения. В качестве таких точек выступают выводы диода, входящего в схему выпрямителя. При подключении к ним еще одного такого же выпрямителя, получится схема несимметричного удвоителя напряжения.

Таким образом, каждый умножитель напряжения как повышающее устройство может быть симметричным и несимметричным. Кроме того, все они разделяются на категории первого и второго рода. Схема симметричного умножителя представляет собой две несимметричные схемы, соединенные между собой. У одной из них происходит изменение полярности конденсаторов и проводимости диодов. Симметричные умножители имеют лучшие электрические характеристики, в частности выпрямляемое напряжение обладает удвоенной частотой пульсаций.

Различные типы таких приборов повсеместно используются в электронной аппаратуре и оборудовании. С помощью этих устройств появилась возможность осуществлять умножение и получать напряжение в десятки и сотни тысяч вольт. Сами умножители напряжения отличаются незначительной массой, малыми габаритами, они просты в изготовлении и дальнейшей эксплуатации.

Принцип работы

Для того чтобы представить себе как работает умножитель напряжения, рассматривается простейшая схема однополупериодного устройства, показанного на рисунке. Когда начинает действовать отрицательный полупериод напряжения, диод Д1 открывается и через него осуществляется зарядка конденсатора С1. Заряд должен сравняться с амплитудным значением подаваемого напряжения.

При наступлении периода с положительной волной происходит зарядка следующего конденсатора С2 через диод Д2. В этом случае заряд приобретает высокие удвоенные значения по сравнению с поданным напряжением. Далее наступает отрицательный полупериод, в течение которого до удвоенного значения заряжается конденсатор С3. Таким же образом, во время дальнейшей смены полупериода, выполняется зарядка конденсатора С4, вновь с удвоенным значением.

Для того чтобы запустить устройство, требуются полные периоды напряжения в количестве нескольких циклов, создающие напряжения на диодах. Величина напряжения, получаемая на выходе, состоит из суммы напряжений конденсаторов С2 и С4, соединенных последовательно и заряжаемых постоянно. В конечном итоге, образуется величина выходного переменного напряжения, которое в 4 раза превышает значение напряжения на входе. В этом и заключается принцип работы умножителя напряжения.

Самый первый конденсатор С1, полностью заряженный, имеет постоянное значение напряжения. То есть, он выполняет функцию постоянной составляющей Ua, применяемой в расчетах. Следовательно, можно и дальше наращивать потенциал умножителя, подключая дополнительные звенья, сделанные по тому же принципу, поскольку напряжение на диодах в каждом из этих звеньев будет равно сумме входного напряжения и постоянной составляющей. За счет этого получается любой коэффициент умножения с требуемым значением. Напряжение на всех конденсаторах, кроме первого будет равным 2х Ua.

Если в умножителе используется нечетный коэффициент, для подключения нагрузки используются конденсаторы, расположенные в верхней части схемы. При четном, наоборот, задействуются нижние конденсаторы.

Примерный расчет схемы умножителя

Перед тем как начинать расчет, задаются основные характеристики устройства. Это особенно важно, когда необходимо изготовить умножитель напряжения своими руками. В первую очередь, это значения входного и выходного напряжения, мощность и габаритные размеры. Следует учитывать и некоторые ограничения, касающиеся параметров напряжения. Его величина на входе должна быть не более 15 кВ, границы диапазона частоты составляют от 5 до 100 кГц.

Рекомендуемое значение выходного высоковольтного напряжения – не выше 150 кВ. Величина выходной мощности умножителя напряжения составляет в пределах 50 Вт, хотя можно создать устройство и с более высокими параметрами, в котором мощность достигает даже 200 Вт.

Выходное напряжение находится в прямой зависимости с токовыми нагрузками и его можно рассчитать с помощью формулы: Uвых = N х Uвх – (I (N3 + +9N2 /4 + N/2)) / 12FC, в которой N соответствует количеству ступеней, I – токовой нагрузке, F – частоте напряжения на входе, С – емкости генератора. Если заранее задать требуемые параметры, данная формула поможет легко рассчитать, какая емкость должна быть у конденсаторов, применяемых в схеме.

Умножитель напряжения представляет собой специальную схему выпрямителя, вырабатывающую выходное напряжение, которое теоретически равно пиковому переменному входному напряжению, увеличенному в целое число раз

например, переменное входное напряжение умноженное в 2, 3 или 4 раза. Таким образом, можно получить 200 Впост из 100 Впик, используя удвоитель, или 400 Впост из учетверителя. Любая нагрузка в реальной схеме снижает эти напряжения.

Применение удвоителя напряжения – это источник постоянного напряжения, способный использовать источник 240 Вперемен или 120 Вперемен. Источник использует переключатель для выбора двухполупериодного мостового выпрямителя для получения примерно 300 Впост из источника 240 Вперемен. Положение 120 В переключателя пересоединяет диодный мост в удвоитель, выдающий примерно 300 Впост из 120 Вперемен. В обоих случаях источник выдает 300 Впост. Такая схема может использоваться в переключаемых источниках питания схем с более низкими напряжениями, например, персонального компьютера.

Однополупериодный умножитель напряжения на рисунке ниже (a) состоит из двух цепей: из фиксатора уровня на рисунке (b) и пикового детектора (однополупериодного выпрямителя) из предыдущей главы, который показан в модифицированной форме на рисунке (c). К пиковому детектору (однополупериодному выпрямителю) был добавлен конденсатор C2.

Однополупериодный умножитель напряжения (a) состоит из (b) фиксатора уровня и (c) однополупериодного выпрямителя

Относительно рисунка выше (b), конденсатор C2 заряжается до 5 В (4,3 В с учетом падения напряжения на диоде) во время отрицательного полупериода входного переменного напряжения. Его правый вывод соединен с общим проводом через проводящий диод D2. Его левый вывод заряжается отрицательным пиком входного переменного напряжения. Это работа фиксатора уровня.

Во время положительного полупериода начинает работать однополупериодный выпрямитель на рисунке выше (c). Диод D2 убирается из схемы, так как он смещен в обратном направлении. Конденсатор С2 теперь последовательно соединен с источником напряжения. Обратите внимание, что полярности генератора и C2 направлены в одну сторону и складываются. Таким образом, выпрямитель D1 видит итоговые 10 В на пике синусоиды, 5 В от генератора и 5 В от конденсатора C2.

D1 проводит сигнал v(1) (рисунок ниже), заряжая конденсатор C1 до пика синусоиды, смещенной на 5 Впост (рисунок ниже v(2)). Сигнал v(2) представляет собой сигнал на выходе удвоителя, который стабилизируется на уровне 10 В (8,6 В с учетом падений напряжения на диодах) после нескольких циклов входного синусоидального сигнала.

Удвоитель напряжения: v(4) входной сигнал, v(1) выход фиксатора уровня, v(2) выход однополупериодного выпрямителя, который является и выходом удвоителя.*SPICE 03255.eps C1 2 0 1000p D1 1 2 diode C2 4 1 1000p D2 0 1 diode V1 4 0 SIN(0 5 1k) .model diode d .tran 0.01m 5m .end

Двухполупериодный удвоитель напряжения состоит из пары включенных последовательно однополупериодных выпрямителей (рисунок ниже). Соответствующий список соединений показан ниже. Нижний выпрямитель заряжает C1 во время отрицательного полупериода входного сигнала. Верхний выпрямитель заряжает C2 во время положительного полупериода. Каждый конденсатор заряжается до 5 В (4,3 В с учетом падения напряжения на диоде). На выходе в точке 5 последовательно соединенные конденсаторы C1 + C2 дают общее напряжение 10 В (8,6 В с учетом падений напряжения на диодах).

Двухполупериодный удвоитель напряжения состоит из двух однополупериодных выпрямителей, работающих для разных полярностей*SPICE 03273.eps *R1 3 0 100k *R2 5 3 100k D1 0 2 diode D2 2 5 diode C1 3 0 1000p C2 5 3 1000p V1 2 3 SIN(0 5 1k) .model diode d .tran 0.01m 5m .end

Обратите внимание, что выходной сигнал v(5) на рисунке ниже достигает своего конечного значения за один период входного сигнала v(2).

Двухполупериодный удвоитель напряжения: v(2) вход, v(3) напряжение в средней точке, v(5) напряжение на выходе

Рисунок ниже показывает построение двухполупериодного удвоителя из пары однополупериодных выпрямителей противоположных полярностей (a). Отрицательный выпрямитель пары перерисовывается для ясности (b). Оба выпрямителя объединяются на (c), используя одну и ту же точку общего провода. На (d) отрицательный выпрямитель переподключается для совместного использования с положительным выпрямителем одного источника напряжения. Это дает источник питания ±5 В (4,3 В с учетом падений напряжения на диодах); хотя между выходами можно измерить 10 В. Точка земли перемещается так, чтобы +10 В были доступны относительно общего провода.

Двухполупериодный выпрямитель: (a) пара выпрямителей, (b) перерисовка, (c) использование общей точки земли, (d) использование общего источника напряжения, (e) перемещение точки земли

Утроитель напряжения (рисунок ниже) строится из соединения удвоителя и однополупериодного выпрямителя (C3, D3). Однополупериодный выпрямитель вырабатывает 5 В (4,3 В) в точке 3. Удвоитель обеспечивает 10 В (8,6 В) между точками 2 и 3. В итоге получаем 10 В (12,9 В) на выходной точке 2 относительно земли.

Список соединений показан ниже.

Утроитель напряжения состоит из удвоителя, помещенного над одним звеном выпрямителя*SPICE 03283.eps C3 3 0 1000p D3 0 4 diode C1 2 3 1000p D1 1 2 diode C2 4 1 1000p D2 3 1 diode V1 4 3 SIN(0 5 1k) .model diode d .tran 0.01m 5m .end

Обратите внимание, что v(3) на рисунке ниже поднимается до 5 В (4,3 В) за первый отрицательный полупериод. Входной сигнал v(4) сдвигается на 5 В (4,3 В) из-за напряжения 5 В на однополупериодном выпрямителе. И еще 5 В на v(1) добавляются из-за фиксатора уровня (C2, D2). D1 заряжает C1 (диаграмма v(2)) до пикового значения v(1).

Утроитель напряжения: v(3) однополупериодный выпрямитель, v(4) входной сигнал + 5 В, v(1) фиксатор уровня, v(2) итоговый выходной сигнал

Учетверитель напряжения является комбинацией двух удвоителей и показан на рисунке ниже. Каждый удвоитель обеспечивает 10 В (8,6 В), чтобы при последовательном включении дать в точке 2 напряжение 20 В (17,2 В) относительно общего провода.

Список соединений показан ниже.

Учетверитель напряжения состоит из двух удвоителей, включенных последовательно с выходом в точке 2*SPICE 03441.eps *SPICE 03286.eps C22 4 5 1000p C11 3 0 1000p D11 0 5 diode D22 5 3 diode C1 2 3 1000p D1 1 2 diode C2 4 1 1000p D2 3 1 diode V1 4 3 SIN(0 5 1k) .model diode d .tran 0.01m 5m .end

Диаграммы напряжений в учетверителе показаны на рисунке ниже. Доступны два выхода постоянного напряжения: v(3), выход удвоителя, и v(2), выход учетверителя. Некоторые из промежуточных напряжений показывают, что входная синусоида (не показана) с амплитудой 5 В последовательно фиксируется на более высокие уровни: v(5), v(4) и v(1). Строго говоря, v(4) не является выходом фиксатора уровня. Это просто источник переменного напряжения, соединенный последовательно с v(3), выходом удвоителя. Тем не менее, v(1) является зафиксированной версией v(4).

Учетверитель напряжения: Постоянное напряжение доступно в v(3) и v(2). Диаграммы промежуточных напряжений: фиксаторы v(5), v(4), v(1)

На данный момент необходимо сделать несколько замечаний относительно умножителей напряжения. Параметры, используемые в примерах схем (V = 5В 1кГц, C = 1000 пФ), не обеспечивают большие токи, а только микроамперы. Кроме того, не были приведены резисторы нагрузки. Нагрузка уменьшает напряжения, показанные выше. Если схема управляется низковольтным источником с частотой в килогерцы, как в примерах, то конденсаторы обычно составляют от 0,1 до 1,0 мкФ, чтобы на выходе были доступны миллиамперы. Если на умножители подается напряжение с частотой 50/60 Гц, конденсатор составляет от нескольких сотен до нескольких тысяч микрофарад, чтобы обеспечить выходной ток в сотни миллиампер. Если вы работаете с сетевым напряжением, то обратите внимание на полярности и номиналы напряжений конденсаторов.

Наконец, любой источник питания, подключенный напрямую (без трансформатора), опасен для экспериментатора и тестового оборудования. Промышленные источники, работающие напрямую от сети, безопасны, поскольку опасные схемы находятся в корпусе для защиты пользователя. При макетировании этих схем с электролитическими конденсаторами любых напряжений, если полярность конденсатора меняется на противоположную, то конденсатор взрывается. Такие схемы должны быть закрыты защитным экраном.

Умножитель напряжения из каскадно включенных однополупериодных выпрямителей произвольной длины известен как умножитель Кокрофта — Уолтона и показан на рисунке ниже. Этот умножитель используется, когда требуется высокое напряжение при малом токе. Его преимущество перед обычным источником питания заключается в том, что не требуется дорогостоящий трансформатор напряжения.

Умножитель напряжения Кокрофта — Уолтона на 8, выход в точке v(8)D1 7 8 diode C1 8 6 1000p D2 6 7 diode C2 5 7 1000p D3 5 6 diode C3 4 6 1000p D4 4 5 diode C4 3 5 1000p D5 3 4 diode C5 2 4 1000p D6 2 3 diode D7 1 2 diode C6 1 3 1000p C7 2 0 1000p C8 99 1 1000p D8 0 1 diode V1 99 0 SIN(0 5 1k) .model diode d .tran 0.01m 50m .end

Пара диодов и конденсаторов слева от узлов 1 и 2 на рисунке выше составляют однополупериодный удвоитель. Вращение диодов на 45° против часовй стрелки, а нижний конденсатор на 90° делают их похожими на первый рисунок (a). Четыре секции удвоителей включаются каскадно для получения теоретического коэффициента умножения 8. Узел 1 имеет форму сигнала фиксатора уровня (не показана), синусоида сдвинута вверх на 1x (5В). Остальные узлы с нечетными номерами – это синусоиды, последовательно фиксируемые на более высоких напряжениях.

Узел 2, выход первого удвоителя, равен удвоенному постоянному напряжению, v(2) на рисунке ниже. Последующие четные узлы заряжаются последовательно более высокими напряжениями: v(4), v(6), v(8).

Формы напряжений в умножителе Кокрофта-Уолтона (x8). Выходное напряжение v(8)

Без учета падений напряжения на диодах, каждый удвоитель дает 2Vin или 10 В; реально, с учетом падений напряжения на двух диодах, (10 – 1,4) = 8,6 В. В общей сложности 4 удвоителя ожидаемо дают 4·8,6=34,4 В из 40 В. Если посмотреть на рисунок выше, v(2) соответствует ожиданиям; однако, v(8) < 30 В, вместо ожидаемых 34,4 В. Недостаток умножителя Кокрофта-Уолтона заключается в том, что каждая дополнительная ступень добавляет меньше предыдущей. Таким образом, существует практическое ограничение в добавлении ступеней. Это ограничение можно преодолеть модификацией базовой схемы. Также обратите внимание на шкалу времени длиной 40 мс по сравнению с 5 мс для предыдущих схем. Чтобы напряжения достигли предельных значений в этой схеме, требуется 40 мс.

В список соединений выше добавлена команда «.tran 0.010m 50m», чтобы расширить время симуляции до 50 мс; хотя на графике показаны только 40 мс.

Умножитель Кокрофта-Уолтона служит более эффективным источником высокого напряжения для трубок фотоэлектронных умножителей, требующих напряжение до 2000 В. Кроме того, трубка имеет множество динодов, выводов, которые требуют подключения к четным узлам с более низкими напряжениями. Рад удвоителей умножителя заменяет собой нагревающийся резистивный делитель напряжения, используемый в предыдущих конструкциях.

Умножитель Кокрофта-Уолтона, работающий от сети переменного тока, обеспечивает высокое напряжения для «ионных генераторов» для нейтрализации электростатического заряда и для очистителей воздуха.

Умножители напряжения

В радиолюбительской практике часто требуется несколько напряжений для питания слаботочных узлов (специализированных микросхем, предварительных усилителей и т.п.), а имеющийся источник питания выдает одно напряжение. Чтобы не искать трансформатор с дополнительными обмотками, можно воспользоваться схемами умножения напряжения. Схема ниже:

Предлагаем еще несколько схем умножения напряжения. Изображена мостовая двухтактная схема удвоения напряжения. В этой схеме частота пульсаций выпрямленного напряжения равна удвоенной частоте сети (fn=2fc), обратное напряжение на диодах в 1,5 раза больше выпрямленного, коэффициент использования трансформатора — 0,64. Ее можно представить в виде двух последовательно включенных однополупериодных схем, работающих от одной обмотки трансформатора и подключенных к общей нагрузке. Если среднюю точку (точку соединения конденсаторов) подключить к общему проводу, получится двухполярный источник с выходным напряжением ±U.
Вторая схема удвоения напряжения показана на рисунке 2, который вы видите ниже:

В ней вход (вторичная обмотка трансформатора) и выход имеют общую точку, что в ряде случаев может оказаться полезным. Здесь в течение отрицательного полупериода входного напряжения конденсатор С1 заряжается через диод VD2 до напряжения, равного амплитудному значению U-1. Во время положительного полупериода диод VD2 закрыт, а конденсатор С1 оказывается включенным последовательно с вторичной обмоткой Т1, поэтому конденсатор С2 через диод VD1 заряжается до удвоенного значения напряжения. Добавив к данной схеме еще один диод и конденсатор, получим варианты утроителей напряжения, которые представлены на следущих рисунках:

Схему на рис.2 можно каскадировать и получать весьма высокие напряжения. Такой каскадный умножитель представлен на рисунке:

В этой схеме все конденсаторы, за исключением С1, заряжаются до удвоенного напряжения Ui (Uc=2Ui), а С1 заряжается только до Ui. Таким образом, рабочее напряжение конденсаторов и диодов получается достаточно низким. Максимальный ток через диоды определяется выражением:

lmax=2,1IH,
где lH—ток, потребляемый нагрузкой.
Необходимая емкость конденсаторов в этой схеме определяется по приближенной формуле:
С=2,85N*Iн/(Кп*Uвых), Мкф
где N—кратность умножения напряжения;
IН — ток нагрузки, мА;
Кп — допустимый коэффициент пульсаций выходного напряжения, %;
Uвыlx—выходное напряжение, В.

Емкость конденсатора С1 необходимо увеличить в 4 раза по сравнению с расчетным значением (хотя в большинстве случаев хватает и двух-трех- кратного увеличения). Конденсаторы должны быть с минимальным током утечки (типа К73 и аналогичные).

Умножать напряжение можно и с помощью мостовых выпрямителей. Схема ниже на рисунке 6:

Здесь удобно взять малогабаритные выпрямительные мосты, например, серий RB156, RB157 и аналогичные. Конденсаторы СЗ…С6 (и далее) — емкостью 0,22…0,56 мкФ. Следует учитывать возрастание напряжения на обкладках конденсаторов и соответствующим образом выбирать их рабочее напряжение. Это же относится и к конденсаторам фильтра С1, С2.

При совсем малых токах нагрузки можно воспользоваться схемой одно- полупериодного умножителя:

В зависимости от необходимого выходного напряжения Uвых=0,83Uo определяется количество каскадов N по приближенной формуле:

N=0.85U0/U1
где U1 — входное напряжение.
Емкость С конденсаторов С1…СЗ рассчитывается:
С=34Iн*(Т+2)/U2
где lH —ток нагрузки умножителя;
U2 — падение напряжения на R1 (обычно выбирается в пределах 3…5% от U-1).
Снизить коэффициент пульсаций в умножителях напряжения можно с помощью транзисторных фильтров (рис.8),

Которые существенно уменьшают пульсации и шумы выходного напряжения и характеризуются весь малыми массогабаритными показателями. Сейчас выпускаются мощные транзисторы с допустимым напряжением 1,5 кВ и выше при токе нагрузки до 10 А. Диоды выбираются из условия Uобр=1,5U0 и Iмакс=2Iвых — Емкость С конденсаторов С1, С2 рассчитывается по приближенной формуле:
С=125Iн/U0
Сопротивление резистора R1 выбирается в пределах 20… 100 Ом. Емкость конденсатора СЗ определяется из выражения:
С3=0,5*10^6/(m*fc*R1)
где m — число фаз выпрямителя (т=2);
fc — рабочая частота умножителя (fc=50 Гц).

Сопротивление R2 подбирается экспериментально (в пределах 51…75 кОм), поскольку оно зависит от коэффициента усиления по току транзистора VT1. В фильтре можно использовать отечественные транзисторы КТ838, КТ840,КТ872, КТ834 и аналогичные.

Однополупериодный умножитель

На рис.1 приведена схема однополупериодного последовательного умножителя.

В течение отрицательного полупериода напряжения происходит зарядка конденсатора
через диод , который открыт. Конденсатор заряжается до амплитудной величины приложенного напряжения . В течение положительного полупериода заряжается конденсатор через диод до разности потенциалов . Далее в отрицательный полупериод конденсатор заряжается через диод до разности потенциалов . В очередной положительный полупериод конденсатор заряжается до напряжения . При этом умножитель запускается за несколько периодов изменения напряжения. Напряжение на выходе постоянное и оно является суммой напряжений на конденсаторах и , которые постоянно заряжаются, то есть составляет величину, равную

Обратное напряжение на диодах и рабочее напряжение конденсаторов в таком умножителе равно полной амплитуде входного напряжения. При практической реализации умножителя следует обращать внимание на изоляцию элементов, чтобы не допускать коронного разряда, который может вывести прибор из строя. Если необходимо изменить полярность напряжения на выходе, то меняют полярность диодов при соединении.

Последовательные умножители применяют особенно часто, так как они универсальны, имеют равномерное распределение напряжения на диодах и конденсаторах. С их помощью можно реализовать большое количество ступеней умножения.

Применяют, также параллельные умножители напряжения. Для них необходима меньшая емкость конденсатора на одну ступень умножения. Но, их недостатком считают увеличение напряжения на конденсаторах с ростом количества ступеней умножения, что создает ограничение в их использовании до напряжения выхода около 20 кВ. На рис. 2 приведена схема однополупериодного параллельного умножителя напряжения.

Для того чтобы рассчитать умножитель следует знать основные параметры: входное переменное напряжение, напряжение и мощность выхода, необходимые размеры (или ограничения в размерах), условия при которых умножитель будет работать. При этом следует учесть, что напряжение входа должно быть менее чем 15 кВ, частота от 5 до 100 кГц, напряжение выхода менее 150 кВ. Температурный интервал обычно составляет -55
. Обычно мощность умножителя составляет до 50 Вт, но встречаются и более 200 Вт.

Для последовательного умножителя, если частота на входе в умножитель постоянна, то выходное напряжение вычисляют при помощи формулы:

где
— входное напряжение;
– частота напряжения на входе; N – число ступеней умножения; C – емкость конденсатора ступени; I – сила тока нагрузки.

Умножитель напряжения многократный

Процессы в схеме утроения напряжения протекают в такой последовательности: сначала заряжаются конденсаторы С1 и С3 через сопротивление R и соответствующие диоды VD1 и VD3. В следующий полупериод С2 через VD2 заряжается до удвоенного напряжения (С1 + обмотка) и на сопротивлении нагрузки получается утроенное значение.

Больший интерес имеет следующий умножитель напряжения. Рассмотрим принцип его работы. Когда потенциал точки 1 положителен относительно точки 2 ток протекает по пути через VD1 и С1 заряжая конденсатор.

В следующий полупериод, когда ток изменил свое направление, заряжается второй конденсатор через второй диод до величины, равного сумме напряжений на С1 и обмотке трансформатора. При этом С1 разрядится. В третий полупериод, когда первый конденсатор снова начнет заряжаться, С2 через третий диод разрядится на С3, зарядив его до двойного значения относительно выводов обмотки.

К концу третьего полупериода на нагрузку будет подано суммарное напряжение заряженных конденсаторов С1 и С3, т. е. примерно утроенное значение.

Если данную схему применить без трансформатора, непосредственно подключить к 220 В, то на выходе получим приблизительно 930 В.

По аналогии с рассмотренными схемами могут быть построены схемы с большей кратностью умножения. Но следует помнить, что с увеличением числа умножений по причине большего содержание в схеме диодов и конденсаторов возрастает внутренне сопротивление выпрямителя, что приводит к дополнительной просадке напряжения.

Схемы с умножением напряжения применяются для питания малой нагрузки, т.е. сопротивление нагрузки должно быть высоким. В противном случае нужно использовать неполярные конденсаторы большой емкости, рассчитанные на высокое напряжение. Это связано с тем, что при значительном токе нагрузки конденсаторы будут быстро разряжаться, что вызовет недопустимо большие пульсации на нагрузке.

Изготавливая умножитель напряжения, следует всегда помнить о том, что конденсаторы и диоды должны быть рассчитаны на соответствующие напряжения.

Двухполупериодный удвоитель напряжения

Но более распространён двухполупериодный удвоитель напряжения. Сразу надо сказать, что как предыдущая схема, так и эта, может быть подключена к сети переменного напряжения напрямую, минуя трансформатор. Это если требуется напряжение, вдвое превышающее сетевое и не требуется гальваническая развязка с сетью.
В этом случае серьёзно повышаются требования к соблюдению техники безопасности!

Схема удвоителя напряжения
(двухполупериодный)

Резистор R0, как обычно, установлен для ограничения импульсов тока в диодах. Его значение сопротивления невелико и, как правило не превышает сотен ом. Резисторы R1 и R2 необязательны. Они установлены параллельно конденсаторам C1 и C2 для того, чтобы обеспечить разряд конденсаторов после отключения от сети и от нагрузки. Также, они обеспечивают выравнивание напряжения на C1 и C2.

Работа удвоителя очень похожа на работу обычного двухполупериодного выпрямителя. Разница в том, что здесь выпрямитель в каждом из полупериодов нагружен на свой конденсатор и заряжает его до амплитудного значения переменного напряжения. Удвоенное выходное напряжение получается путём сложения напряжения на конденсаторах.

В тот момент, когда напряжение в точке А относительно точки B положительно, через диод D1 заряжается конденсатор C1. Его напряжение практически равно амплитуде переменного напряжения вторичной обмотки конденсатора. В следующий полупериод напряжение в точке А отрицательно по отношению к точке B. В этом момент ток идёт через диод D2 и заряжает конденсатор C2 до такого же амплитудного значения. Так как конденсаторы соединены последовательно по отношению к нагрузке, то мы получаем сумму напряжений на этих конденсаторах, т.е. удвоенное напряжение.

Конденсаторы C1 и C2 желательно должны иметь одинаковую ёмкость. Напряжение этих электролитических конденсаторов должно превышать амплитудное значение переменного напряжения. Также должны быть равны и номиналы резисторов R1 и R2.

Где применяют устройство

Умножители нашли свое применение в разных типах устройств, это: системы лазерной накачки, устройства излучения рентгеновской волны в их блоках высокого напряжения, для подсветки дисплеев жидкокристаллической структуры, насосах ионного типа, лампах бегущей волны, ионизаторах воздушной среды, системах электростатических, ускорителях элементарных частиц, аппаратах для копирования, телевизорах и осциллографах с кинескопами, а также там, где требуется высокое постоянное электричество небольшой силы тока.

Светотехника

Примером использования умножителя напряжения на четыре является схема для бесстартерного запуска ламы дневного света (ЛДС), показанная на рис.5, которая состоит из двух удвоителей напряжения, включенных последовательно по постоянному току и параллельно по переменному.

Рис. 5. Схема умножителя напряжения на четыре для бесстартерного запуска ламы дневного света.

Лампа зажигается без подогрева электродов. Пробой ионизированного промежутка «холодной» ЛДС происходит при достижении напряжения зажигания ЛДС на выходе УН. Поджиг ЛДС происходит практически мгновенно.

Зажженная лампа шунтирует своим низким входным сопротивлением высокое выходное сопротивление УН, конденсаторы которого в связи со своей малой величиной перестают функционировать как источники повышенного напряжения, а диоды начинают работать как обычные вентили.

2-обмоточный дроссель L1 (или два 1 -обмоточных) служит для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения. Падение напряжения питающей сети примерно равномерно распределяется на балластных конденсаторах С1, С2 и ЛДС, которые включены по переменному току последовательно, что соответствует нормальному рабочему режиму ЛДС.

При использовании в этой схеме ЛДС с диаметром цилиндрической части 36 мм зажигаются без каких-либо проблем, ЛДС с диаметром 26 мм зажигаются хуже, поскольку в связи с особенностями их конструкции напряжение зажигания даже новых ламп без подогрева накала может превышать 1200 В.

Телевидение

Известно, что выходной трансформатор строчной развертки (ТВС) является одним из напряженных узлов в телевизоре (ТВ). Как показывает эволюция развития схемотехники этого узла, с переходом от ламповых ТВ к цветным, в связи с увеличением мощности потребления от источника высокого напряжения (ток потребления черно-белого кинескопа с диагональю 61 см по второму аноду порядка 350 мкА, а цветного — уже 1 мА!), конструкторы ТВ постоянно искали пути повышения его надежности.

Схемотехнические решения получения высокого напряжения для питания второго анода кинескопа, которые использовались во всех моделях ламповых ТВ, имели место лишь в первых модификациях УЛПЦТ, а затем вместо повышающей обмотки ТВС (практически равной по числу витков анодной  стали применять УН, которые по своей электрической прочности, а значит, и надежности значительно превышали аналогичные параметры намоточного узла.

Рис. 6. Схема умножителя напряжения с утроением, из телевизора Юность.

УН практически сразу же начали использовать в отечественных черно-белых переносных ТВ. К примеру, в ТВ «Юность 401» [10] применена схема УН с утроением напряжения, показанная на рис.6.

При реализации практических схем УН имеет значение, с какой точкой схемы УН (1 или 2, рис.3) будет соединен «общий» провод схемы, в которой он будет использоваться, т.е. «фазировка» УН. В этом нетрудно убедиться с помощью осциллографа.

При проведении измерений на ненагруженном УН (рис.3) видно, что на нечетных звеньях величина переменной составляющей почти равна питающему напряжению, а на четных она практически отсутствует.

Поэтому при использовании в реальных конструкциях напряжений только с четных или только с нечетных звеньев умножения этот факт следует учитывать, подключая УН к источнику питания соответствующим образом.

Например, если «общий» провод (рис.3) соединен с точкой 2, то рабочие напряжения снимают с четных звеньев, если с точкой 1 — с нечетных.

При использовании одновременно четных и нечетных звеньев одного УН для получения постоянного напряжения от звена, в котором присутствует переменная составляющая, необходимо (особенно при емкостной нагрузке) между звеном умножителя и нагрузкой включить (рис.7) еще одно звено (диод и конденсатор).

Диод (VDd) в этом случае будет предотвращать замыкание через нагрузку переменной составляющей, а конденсатор (Cdf) выполнять функцию фильтра. Естественно, что конденсатор Cdf должен иметь рабочее напряжение, равное полному постоянному выходному напряжению.

Рис. 7. Включение еще одного звена к умножителю напряжения.

Не следует также забывать и об отрицательном влиянии на надежность работы многозвенных УН утечек, которые всегда имеются в радиоэлементах и материалах при их работе под большими напряжениями, что накладывает определенные ограничения на реально достижимую величину выходного напряжения.

Практический вариант схемотехники УН с умножением на три показан на рис.6; на четыре — на рис.4; на пять — на рис.8, рис.9; на шесть — на рис.10.

Рис. 8. Схема умножителя напряжения с умножением на четыре.

Рис. 9. Схема умножителя напряжения с умножением на пять.

Рис. 10. Схема умножителя напряжения с умножением на шесть.

В данной статье рассмотрена только часть схемотехники УН, применявшейся ранее и используемой в настоящее время в бытовой технике и радиолюбительском конструировании. Некоторые разновидности схемотехники УН, принципы работы которых аналогичны рассмотренным, опубликованы в.

В литературе и в общении с радиолюбителями часто приходится встречать путаницу касательно УН в терминах. К примеру, утверждается, что если на УН нанесена маркировка 8.5/25-1,2 или 9/27-1,3, то это утроитель напряжения. По схемотехнике эти УН являются умножителями на пять.

Маркировка несет информацию только о том, что при подаче на вход УН напряжения с амплитудой 8,5 кВ он обеспечивает получение на его выходе среднего значения постоянного (положительного) напряжения 25 кВ (при токе, потребляемом его нагрузкой, порядка 1 мА), т.е. маркировка говорит только о его входных и выходных параметрах.

Для получения высокого напряжения в ТВ используется импульсное напряжение, возникающее во вторичной обмотке ТВС во время обратного хода луча, следующее с частотой 15625 Гц, с длительностью (положительного) импульса около 12 мкс и скважностью около пяти.

При большом коэффициенте умножения значительную величину составляет также падение напряжения в прямом направлении на выпрямительных столбах, каковыми являются выпрямители УН. Например, для столба 5ГЕ600АФ, при работе его в качестве единичного выпрямителя, падение напряжения в прямом направлении составляет 800 В!

Из вышесказанного следует, что элементы УН к тому же служат для питающего импульсного напряжения также и интегрирующей цепью, снижающей относительно входного напряжения величину среднего значения постоянного напряжения (при токе нагрузки 1 мА) до величины приблизительно 5 кВ на одно звено. Именно эти факторы и являются основными, оказывающими влияние на величину выходного напряжения УН, а не примерная арифметика.

Исторически применение в качестве выпрямителей в первых образцах УН для ТВ селеновых диодов было определено достигнутым на тот момент уровнем технологии, их низкой себестоимостью, а также мягкой электрической характеристикой, позволяющей включать последовательно практически неограниченное количество диодов.

Очевидно, что селеновые выпрямители в связи с большим внутренним сопротивлением лучше, чем кремниевые, переносят кратковременные перегрузки. По мере совершенствования технологии изготовления кремниевых диодов в УН ТВ стали применять кремниевые столбы типа КЦ106.

При ремонтах ТВ даже предварительная оценка возможного наличия дефектов в выпрямительных элементах УН авометром невозможна. Физический смысл этого явления заключается в том, что для открывания одного кремниевого диода к нему необходимо приложить в прямом направлении разность потенциалов порядка 0,7 В.

Если, к примеру, вместо столба КЦ106Г использовать эквивалент из отдельно взятых диодов КД105Б (иобр=400 В), то для получения обратного напряжения 10 кВ потребуется цепочка из 25 последовательно включенных диодов, в результате чего необходимое напряжение для их открывания составит 17,5 В, а авометр позволяет приложить только 4,5 В!

Единственное, что можно однозначно констатировать после измерения УН авометром, — при проверке исправного УН стрелка омметра не должна отклоняться при измерении сопротивления между любыми его электродами.

Простое решение для предварительной проверки на работоспособность элементов УН методом вольтметра было предложено в. Суть предложения заключается в использовании для этой цели дополнительного источника (A1) постоянного напряжения (ИПН) 200…300 В и авометра, работающего в режиме вольтметра постоянного тока на пределе 200.300 В. Измерения производят следующим образом.

Авометр включают (рис.11) последовательно с одноименным полюсом ИПН и испытываемым выпрямительным столбом или УН. Алгоритм проверки.

Рис. 11. Схема включения авометра к выпрямительному столбу.

Если при измерении диода в противоположных направлениях показания вольтметра:

• существенно различаются, то он исправен;
• равны максимальному напряжению ИПН, то он пробит;
• малы, то он оборван;
• промежуточные величины говорят о наличии в нем значительных утечек.

Пригодность элементов испытываемого выпрямителя определяются эмпирически для конкретной марки статистическим методом сравнения с величинами падения напряжений, полученных практически при измерениях в прямом и обратном направлении исправного, аналогичного по марке столба или диода УН.

Радиолюбителям, которые занимаются ремонтом телевизионной техники на дому у заказчика, для предварительной проверки на работоспособность элементов УН методом вольтметра удобнее (исходя из массогабаритных размеров) использовать схему, показанную на рис.12 и предложенную в, которая питается через токоограничительные конденсаторы от сети 220 В.

Рис. 12. Схема питания с токоограничительными конденсаторами.

Схема хорошо зарекомендовала себя на практике, а по схемотехнике является выпрямителем с удвоением напряжения. Алгоритм измерений тот же. Эту же схему можно использовать и для устранения некоторых типов межэлектродных замыканий («прострела») в кинескопе.

Довольно часто спрашивают, можно ли вместо УН8.5/25-1,2 устанавливать УН9/27-1,3? Совет один: можно, но осторожно! Все зависит от остроты возникшей проблемы и модификации телевизора. Для сравнения рассмотрим схемы

УН8.5/25-1,2 (рис.8) и УН9/27-1,3 (рис.9). Из схем УН видно, что в принципе прямая замена возможна, а обратная нет, так как они имеют разное количество входящих радиокомпонентов.

Поэтому при установке УН9/27-1,3 в ТВ УЛПЦТ поступают следующим образом: замыкают между собой выводы входа для импульсного напряжения и вывода «V»; провод от ТВС припаивают к соответствующему входу УН9/27; провод со знаком «земля» подсоединяют по кратчайшему расстоянию ко второму контакту ТВС; провод, идущий к варистору фокусировки, подсоединяют к выводу «+F», причем штатный конденсатор фильтра фокусировки С23* (согласно заводской схеме на ТВ) можно отключить, поскольку его функцию может выполнить конденсатор С1 (рис.10), который установлен внутри УН. К выводу «+» подсоединяют высоковольтный провод с «присоской» и ограничительным резистором Rф.

Получившееся в результате такой замены некоторое улучшение качества изображения на экране ТВ говорит совсем не о том, что это результат замены!

Причина заключается прежде всего в том, что в УН9/27-1,3 в качестве вентилей использованы кремниевые столбы типа КЦ106Г, падение напряжения на которых в прямом направлении (как упоминалось ранее) существенно меньше, чем на столбах типа 5ГЕ600АФ, которые входят в состав УН 8.5/25-1,2.

Именно на величину этой разницы и возрастает напряжение на выходе УН, а значит, и на втором аноде кинескопа, что и наблюдается визуально как увеличение яркости!

Кроме того, в ТВ УЛПЦТ при установке УН9/27-1,3 необходимо заменить штатную «присоску» с установленным внутри нее высоковольтным резистором 4,7 кОм Rф) «присоской» от ТВ 3УЦСТ с резистором 100 кОм. Rф выполняет три функции: является частью звена сглаживающего RC-фильтра для цепи высокого напряжения, образованного им и емкостью ак-вадага кинескопа Са (рис.9, 10), а также защитным резистором по постоянному току, ограничивающим его величину в цепи УН при случайных кратковременных межэлектродных пробоях внутри кинескопа (что в старых кинескопах происходит весьма часто и непредсказуемо).

Он же является и «сгорающим предохранителем», защищающим ТВС при пробое диодов УН, когда переменное напряжение, поступающее от ТВС, практически замыкается на корпус через Са, величина реактивного сопротивления которой для токов строчной частоты достаточно мала.

Поэтому следует иметь в виду, что значительно меньшая величина суммарного внутреннего сопротивления УН9/27-1,3 при малой величине (или отсутствии по тем или иным причинам) Rф в случаях замены УН нежелательна, поскольку может привести при появлении вышеуказанных неисправностей как к выходу из строя ТВС, так и к возгоранию самого ТВ.

Практические рекомендации по «ремонту» УН8/25-1,2 описаны в. Суть «ремонта» заключается в высверливании с помощью сверла диаметром 6 мм вышедшего из строя VD1 (рис.9) и замену его диодом, расположенным снаружи Ун.

Из неработоспособных в ТВ УН при определенном навыке и аккуратности можно «добыть» (если повезет) высоковольтные конденсаторы, которые могут еще послужить для срочного ремонта ТВ модификаций УЛПЦТИ или УПИМЦТ или для экспериментов с другими конструкциями.

Для этого вначале аккуратно разбивают молотком корпус УН и освобождают от компаунда корпуса конденсаторов, а затем отделяют последовательным откалыванием с помощью боко-резов их выводы от взаимных соединений и остатков компаунда. Практические разборки трех экземпляров каждой марки УН показали, что в УН8/25-1,2 конденсаторы имеют на корпусе маркировку К73-13 2200×10 кВ.

В УН9/27-1,3 (рис.10), который по сравнению с УН8/25-1,2 имеет большее число элементов, но меньшие габаритные размеры, использованы конденсаторы (судя по технологии изготовления и материалу, из которого они изготовлены) того же типа (маркировка на корпусах не нанесена), которые конструктивно выполнены в виде трехвыводной (диаметром 16 мм) сборки (С2, С4 — рис.10) из конденсаторов емкостью по 1000 пФ, и четырехвыводной (С1, С3, С5 — рис.10) сборки диаметром 18 мм. Причем С1 имеет емкость 2200 пФ, а С3, С5 — по 1000 пФ. Обе сборки имеют длину 40 мм.

Медицина

Одним из «экзотических» примеров применения УН в медицинской аппаратуре является его использование в конструкции электроэффлювиальной люстры (ЭЛ), которая предназначена для получения потока отрицательных ионов, оказывающих благоприятное воздействие на дыхательные пути человека.

Для получения высокого отрицательного потенциала для излучающей части генератора аэроионов использован УН с отрицательным выходным напряжением. Из-за достаточно большого объема  вспомогательной информации рекомендации по конструкции и применению ЭЛ выходят за рамки настоящей статьи, поэтому ЭЛ упомянута только информативно.

Требования к диодам и конденсаторам умножителей напряжения

Основные требования, предъявляемые к диодам, используемым в схемах умножителей:

– максимально допустимая величина обратного напряжения диода должна с запасом (как минимум на 20 %) превышать рабочее напряжение в схеме;

— быстрое восстановление изолирующих свойств при смене полярности напряжения. С этой целью рекомендуется использование диодов класса Ultra-Fast с временем обратного восстановления порядка 10-50 нс;

— малая паразитная емкость. В связи с этим не является целесообразным использование диодов с большим запасом по току, т.к. у них большая емкость.

Как правило, средние значения тока протекающего через диоды умножителей напряжения не превышает сотен миллиампер, поэтому в умножителях напряжениях используются диоды, рассчитанные на малый ток и большое напряжение (таблица 1). При необходимости обеспечения большего значения обратного напряжения допустимо использование последовательного соединения диодов, но при этом необходимо, чтобы диоды были одинакового типа и желательно одной партии.

Таблица 1 — Основные характеристики быстродействующих диодов

Марка диода	Корпус	Максимальное обратное напряжение, В	Средний ток, А	Время обратного восстановления, нс	Общая емкость, пФ
UF4007	DO-41	1000	1,0	75	17
HER108	DO-41	1000	1,0	75	15
HER158	DO-15	1000	1,5	75	25
SF16	DO-41	600	1,0	35	10
HFA04TB60	TO-220AC	600	4,0	28	4
HFA06TB120	TO-220AC	1200	6,0	26	9
BYV26E	SOD-57	1000	1,0	75	25
MUR1100E	CASE 59−10	1000	1,0	75	<15
AU1PM	DO-220AA (SMP)	1000	1,0	75	7,5
SEOM	SMA	1000	1,5	100	50
SE3M	SMC	1000	3,0	100	50
STTH112	SMA	1200	1,0	75	—
ES1K	SMA	800	1,0	35	10
US1M	SMA	1000	1,0	75	10

Таблица 2 — Основные характеристики высоковольтных диодов

Марка диода	Корпус	Максимальное обратное напряжение, В	Средний ток (импульсный ток), А	Время обратного восстановления, нс	Общая емкость, пФ
2CL69	D3ммх8мм	4000	0,005 (0,5)	100	1
2CL70	D3ммх8мм	6000	0,005 (0,5)	100	1
2CL71	D3ммх8мм	8000	0,005 (0,5)	100	1
2CL72	D3ммх10мм	10000	0,005 (0,5)	100	1
2CL73	D3ммх10мм	12000	0,005 (0,5)	100	1
2CL74	D3ммх10мм	14000	0,005 (0,5)	100	1
2CL75	D3ммх20мм	16000	0,005 (0,5)	100	1
2CL76	D3ммх20мм	18000	0,005 (0,5)	100	1
2CL77	D3ммх20мм	20000	0,005 (0,5)	100	1
UX-FOB	7ммх7ммх22мм	8000	0,5 (20)	40	—

Основные требования, предъявляемые к конденсаторам, используемым в схемах умножителей:

– максимально допустимая величина напряжения заряда конденсатора должна с запасом (как минимум на 20 %) превышать рабочее напряжение в схеме. При этом необходимо учитывать уменьшение амплитуды максимально допустимого напряжения на конденсаторе с ростом частоты. Эти данные приводятся в справочных листах (datasheet) фирмами-производителями.

– при высокой частоте входного напряжения (более 500 Гц) необходимо использовать неполярные конденсаторы;

– среди неполярных конденсаторов рекомендуется использовать керамические конденсаторы с диэлектриками, имеющими минимальные потери — NPO, X7R, X5R или пленочные полистирольные и полипропиленовые;

– с целью уменьшения потерь целесообразно использовать типы конденсаторов, имеющие малое сопротивление утечки;

— предпочтительнее использовать конденсаторы с конструкцией обеспечивающей минимальную паразитную индуктивность — дисковые и многослойные.

Таблица 3. Характеристики высоковольтных дисковых конденсаторов фирмы Murata

Марка конденсатора	Свойства	Максимальное напряжение, В	Общая емкость, пФ	Размер	Диапазон рабочих температур
Диаметр, мм	Толщина, мм
DEH – серия	Керамические, малый нагрев	500	330-4700	6-14	4	-25 +125
1000	220-4700	7-17	4,5
2000	220-4700	7-21	5
3150	150-2700	7-19	6
DEA – серия	Керамический, малый нагрев	1000	10-560	4,5-12	4	-25 +125
2000	10-560	4,5-15	5
3150	10-390	5-16	6
DEB – серия	Керамический, Малый размер при большой емкости	1000	100-10000	4,5-15	4	-25 +85
2000	100-10000	4,5-16	5
3150	100-4700	5-15	6
DEC — серия	Керамический, Предназначены для схем умножителей и эл. балластов	6300	10-2200	7-15	7,5-10	-25 +85

Как удвоить напряжение с трансформатора

Если у вас имеется трансформатор с низким напряжением и вам необходимо «выжать» из него в два раза больше, то нет никаких проблем. Всего 4 элемента нужно чтобы выпрямить выходное напряжение с него и одновременно удвоить. Схема стара как мир, но многие о ней не знают.

• Два диода 4007.
• Два конденсатора 2200 мкФ 25 В.

Изготовление удвоителя напряжения

Припаиваем конденсаторы последовательно друг к другу: плюс к минусу.
Также припаиваем диоды последовательно друг к другу: анод к катоду. И спаиваем эти две пары паралельно друг другу.
Схематично все это выглядит так:
Подключаем наш удвоитель к трансформатору.
Значение переменного напряжение с которого равно примерно 11,5 В. А с выхода удвоителя уже выходит примерно 30 В постоянного напряжения.
Для тех кто не понял как 11,5 В превратились в 30 поясняю: 11,5 В это переменное напряжение которое измеряется по среднеквадратическому значению. После выпрямления оно бут равно примерно 14,4 В. А после удвоения примерно 29-30 В, учитывая погрешность измерения и отсутствие нагрузки.
При использовании данной схемы, так же учитывайте, что ток на трансформатор также удваивается. И если нагрузка потребляет примерно 0,2 Ампер, ток на низковольтной обмотке трансформатора будет равен 0,4 Ампер.

Подведем итоги

• Умножители напряжения выдают постоянное напряжение, равное умноженному (на 2, 3, 4 и т.д.) пиковому значению входного переменного напряжения.
• Самый базовый умножитель – это однополупериодный удвоитель.
• Двухполупериодный удвоитель – это лучшая схема удвоителя.
• Утроитель представляет собой однополупериодный удвоитель и обычный выпрямительный каскад (пиковый детектор).
• Учетверитель – это пара однополупериодных удвоителей.
• Длинная цепочка однополупериодных удвоителей известна как умножитель Кокрофта-Уолтона.

Помогла ли вам статья?