Высоковольтный генератор и умножитель напряжения

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.

Инвертирующий преобразователь импульсного типа

Инвертирующий преобразователь импульсного типа содержит все то же сочетание основных элементов, но снова в ином их соединении (рис. 3): к источнику питания подключена последовательная цепочка из коммутирующего элемента S1, диода VD1 и сопротивления нагрузки RH с конденсатором фильтра С1.

Индуктивный накопитель энергии L1 включен между точкой соединения коммутирующего элемента S1 с диодом VD1 и общей шиной.

Рис. 3. Импульсное преобразование напряжения с инвертированием.

Работает преобразователь так: при замыкании ключа энергия запасается в индуктивном накопителе. Диод VD1 закрыт и не пропускает ток от источника питания в нагрузку. При отключении ключа ЭДС самоиндукции накопителя энергии оказывается приложенной к выпрямителю, содержащему диод VD1, сопротивление нагрузки Rн и конденсатор фильтра С1.

Поскольку диод выпрямителя пропускает в нагрузку только импульсы отрицательного напряжения, на выходе устройства формируется напряжение отрицательного знака (инверсное, противоположное по знаку напряжению питания).

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.

Советуем к прочтению: Как проверить батарейку мультиметром: на работоспособность

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

Прямое включение диода. Прямой ток.

Если к электродам диода подключить источник постоянного напряжения: на вывод анода «плюс

» а на вывод катода «
минус
», то диод окажется в
открытом
состоянии и через него потечет ток, величина которого будет зависеть от приложенного напряжения и свойств диода.

При такой полярности подключения электроны из области n

-типа устремятся навстречу дыркам в область
p
-типа, а дырки из области
p
-типа двинутся навстречу электронам в область
n
-типа. На границе раздела областей, называемой
электронно-дырочным или p-n переходом, они встретятся, где происходит их взаимное поглощение или рекомбинация
.

Например. Oсновные носители заряда в области n

-типа электроны, преодолевая
p-n
переход попадают в дырочную область
p
-типа, в которой они становятся
неосновными
. Ставшие неосновными, электроны будут поглощаться
основными
носителями в дырочной области –
дырками
. Таким же образом дырки, попадая в электронную область
n
-типа становятся
неосновными
носителями заряда в этой области, и будут также поглощаться
основными
носителями –
электронами
.

Контакт диода, соединенный с отрицательным

полюсом источника постоянного напряжения будет
отдавать
области
n
-типа практически неограниченное количество электронов, пополняя убывание электронов в этой области. А контакт, соединенный с
положительным
полюсом источника напряжения, способен
принять
из области
p
-типа такое же количество электронов, благодаря чему восстанавливается концентрация дырок в области
p
-типа. Таким образом, проводимость
p-n
перехода станет
большой
и сопротивление току будет
мало
, а значит, через диод будет течь ток, называемый
прямым током диода Iпр
.

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.

Преобразователь с задающим генератором-мультивибратором

Для получения выходного напряжения величиной 30…80 В П. Беляцкий использовал преобразователь с задающим генератором на основе несимметричного мультивибратора с выходным каскадом, нагруженным на индуктивный накопитель энергии — катушку индуктивности (дроссель) L1 (рис. 7).

Рис. 7. Схема преобразователя напряжения с задающим генератором на основе несимметричного мультивибратора.

Устройство работоспособно в диапазоне питающих напряжений 1,0. ..1,5 В и имеет КПД до 75%. В схеме можно применить стандартный дроссель ДМ-0,4-125 или иной с индуктивностью 120.. .200 мкГн.

Вариант выполнения выходного каскада преобразователя напряжения показан на рис. 8. При подаче на вход каскада управляющих сигналов прямоугольной формы 7777-уровня (5 В) на выходе преобразователя при его питании от источника напряжением 12 В получено напряжение 250 В при токе нагрузки 3…5 мА (сопротивление нагрузки около 100 кОм). Индуктивность дросселя L1 — 1 мГн.

В качестве VT1 можно использовать отечественный транзистор, например, КТ604, КТ605, КТ704Б, КТ940А(Б), КТ969А и др.

Рис. 8. Вариант выполнения выходного каскада преобразователя напряжения.

Рис. 9. Схема выходного каскада преобразователя напряжения.

Аналогичная схема выходного каскада (рис. 9) позволила при питании от источника напряжением 28В и потребляемом токе 60 мА получить выходное напряжение 250 В при токе нагрузки 5 мА, Индуктивность дросселя — 600 мкГч. Частота управляющих импульсов — 1 кГц.

В зависимости от качества изготовления дросселя на выходе может быть получено напряжение 150…450 В при мощности около 1 Вт и КПД до 75%.

Умножитель напряжения на диодах и конденсаторах

При изготовлении электронных устройств, в частности блоков питания, в некоторых случаях возникает необходимость иметь выпрямленное напряжение большей величины, чем на клеммах вторичной обмотке трансформатора или в розетке 220 В.

Например, после выпрямления сетевого напряжения 220 В на фильтрующем конденсаторе при очень малой нагрузке можно получить максимум амплитудное значение переменного напряжения 311 В. Следовательно конденсатор зарядится до указанного значения.

Однако применяя умножитель напряжения можно повысить его до 1000 В и более.

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.

Советуем к прочтению: Схема подключения пускателя (контактора): как сделать своими руками

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.

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.

Накачка конденсаторов в умножителе

Иначе говоря, в устройстве умножителя постоянного напряжения происходит некоторый переходный процесс установления параметра на выходе соответствующего заявленному. Легче всего увидеть это на примере удвоения электричества. Когда через полупроводник D1 конденсатор C1 зарядится до полного значения, то в следующую полуволну он вместе с источником электричества одновременно заряжает второй конденсатор. C1 не успевает полностью отдать свой заряд C2, поэтому на выходе сперва не присутствует удвоенная разность потенциалов.

При третьей полуволне первый конденсатор подзаряжается и далее прикладывает потенциал к C2. Но напряжение на втором конденсаторе уже имеет встречное направление к первому. Поэтому выходной конденсатор подзаряжается не полностью. С каждым новым циклом электричество на элементе C1 будет стремиться к входному, напряжение C2 к удвоенному по величине.

Как рассчитать умножитель

Выполняя расчет устройства умножения, необходимо отталкиваться от исходных данных, которыми являются: нужный для нагрузки ток (In), напряжение на выходе (Uout), коэффициент пульсирования (Kp). Минимальная величина емкости элементов конденсаторов, выраженная в мкФ, определяется по формуле: С(n)=2,85*n*In/(Kp*Uout), где:

• n – число, во сколько раз увеличивается входное электричество;
• In – ток, протекающий в нагрузке (мА);
• Kp – коэффициент пульсирования (%);
• Uout – напряжение, полученное на выходе устройства (В).

Увеличивая полученную расчетами емкость в два или три раза, получают величину емкости конденсатора на входе схемы C1. Такой номинал элемента позволяет получить на выходе сразу полное значение напряжения, а не ждать, пока пройдет некоторое количество периодов. Когда работа нагрузки не зависит от скорости нарастания электричества до номинального на выходе, емкость конденсатора можно взять идентичную расчетным значениям.

Лучше всего для нагрузки, если коэффициент пульсаций умножителя напряжения на диодах не превышает величины 0,1 %. Удовлетворительным также является наличие пульсаций до 3 %. Все диоды схемы выбирают из расчета, чтобы они свободно могли выдержать силу тока, в два раза превышающую его значение в нагрузке. Формула расчета прибора с большой точностью выглядит так: n*Uin — (In*(n3 + 9*n2/4 + n/2)/(12 *f* C))=Uout, где:

• f – частота напряжения на входе устройства (Гц);
• C – конденсаторная емкость (Ф).

Светотехника

Примером использования умножителя напряжения на четыре [1] 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.

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.

Советуем к прочтению: Выпрямитель напряжения: принцип работы и разновидности

Повышающий импульсный преобразователь

Повышающий импульсный преобразователь напряжения (рис. 2) выполнен на тех же основных элементах, но имеет иное их сочетание: к источнику питания подключена последовательная цепочка из индуктивного накопителя энергии L1, диода VD1 и сопротивления нагрузки RH с параллельно подключенным конденсатором фильтра С1. Коммутирующий элемент S1 включен между точкой соединения накопителя энергии L1 с диодом VD1 и общей шиной.

Рис. 2. Принцип действия повышающего преобразователя напряжения.

При открытом ключе ток от источника питания протекает через катушку индуктивности, в которой запасается энергия. Диод VD1 при этом закрыт, цепь нагрузки отключена от источника питания, ключа и накопителя энергии.

Напряжение на сопротивлении нагрузки поддерживается благодаря запасенной на конденсаторе фильтра энергии. При размыкании ключа ЭДС самоиндукции суммируется с напряжением питания, запасенная энергия передается в нагрузку через открытый диод VD1. Полученное таким способом выходное напряжение превышает напряжение питания.

Схемы выпрямителей с умножением напряжения

Схемы с умножением напряжения целесообразно применять для получения достаточно высоких выпрямленных напряжений при малых токах нагрузки. Эти схемы применяют для питания электронно-лучевых трубок, фотоумножителей, в установках для испытания электрической прочности.

Схемы выпрямителей, работающих с умножением напряжения, содержат несколько выпрямителей с емкостным фильтром, выходные напряжения которых суммируются.

Однофазная несимметричная схема удвоения напряжения

Схема на рис.5 представляет собой два однофазных однополупериодных выпрямителя. Первый выпрямитель VD1, C1 является однополупериодным выпрямителем с параллельно включенным диодом. За счет его работы конденсатор C1 заряжается до амплитудного напряжения U2. На нем образуется постоянное напряжение UC1=U2m. На диоде VD1 образуется пульсирующее напряжение. Максимальное значение напряжения на нем

UVD1,MAX=UC1+U2m .

Это пульсирующее напряжение окончательно выпрямляется и сглаживается обычным выпрямителем с емкостной нагрузкой VD2, C2. В итоге получаем выходное напряжение U0 примерно равное удвоенному значению амплитуды напряжения вторичной обмотки трансформатора.

Частота пульсации выпрямленного напряжения на нагрузке равна частоте сети.

Обратное напряжение на диодах равно удвоенной амплитуде напряжения вторичной обмотки трансформатора.

Основным недостатком схемы является то, что основная частота пульсации выпрямленного напряжения, равна частоте сети.

Для увеличения кратности выпрямленного напряжения увеличивают число диодов и конденсаторов, включая их аналогично описанной схеме. На рис. 6, а показана схема умножения напряжения, где в целях получения различной кратности умножения напряжения предусмотрены соответствующие варианты подключения нагрузки к схеме (показаны пунктиром), а именно: присоединяя нагрузку к точкам б, в и г схемы, получим умножение напряжения соответственно в 2, 3 и 4 раза. В этой схеме все конденсаторы с нечетными номерами (С1, С3) заряжаются в один полупериод напряжения и2, а с четными номерами (С2, С4) — в другой полупериод.

Чем выше кратность умножения напряжения, тем большими будут пульсации выпрямленного напряжения при одинаковой емкости конденсаторов, так как для зарядного и разрядного токов они включены последовательно.

Недостатки таких выпрямителей аналогичны недостаткам однополупериодного однофазного выпрямителя с емкостной нагрузкой. Кроме того, они обладают увеличенным внутренним сопротивлением из-за последовательного включения диодов.

Двухфазные симметричные схемы

Двухфазные симметричные схемы умножения можно; получить соединением нескольких несимметричных схем.

Конденсаторы с нечетными номерами (С1, С3, С5, C1’, С3’, С5’) заряжаются токами соответствующих диодов один раз в период напряжения вторичной обмотки, конденсаторы с четными номерами (С2, С4, С6) — дважды, поэтому частота пульсации выпрямленного напряжения в 2 раза больше частоты сети.

Принципы построения и работы схем умножения напряжения.

В последнее время радиолюбители все чаще и чаще интересуются схемами питания построенным по принципу умножения напряжения. Причин этому можно назвать много, одни из самых главных – появление на рынке малогабаритных конденсаторов большой емкости и резкое удорожание медного провода, использовавшегося при намотке трансформаторов. Немаловажно и то, что схемы с умножением напряжения позволяют значительно снизить вес и габариты аппаратуры. Однако многие попытки выбора радиолюбителями таких схем заканчиваются неудачей, поскольку не соблюдаются несколько непременных условий для достаточно надежной и качественной работы таких, казалось бы, простых схем. Для того чтобы понять, как правильно выбрать схему и элементы умножителя, рассмотрим принципы работы таких устройств.

Схемы умножителей напряжения разделяются на симметричные и несимметричные. Для начала рассмотрим принцип работы и построения несимметричных схем. Несимметричные схемы умножителей подразделяются на два типа: Схемы умножителей первого рода и схемы умножителей второго рода.

Схема умножения первого рода

представлена на рисунке.

В полупериод напряжения, когда в точке “А” имеется отрицательный потенциал относительно точки “F” конденсатор С1 будет заряжаться по цепи “F” -VD1 –“B” — С1 –“A” до амплитудного значения напряжения на входе схемы ( в точках “А” –“F”). Одновременно с зарядом С1 будет также заряжаться конденсатор С3 по цепи “F” –VD1 –“B” – VD2 – “C” — VD3 –“D” – C3 – “A” также до амплитудного значения напряжения на входе схемы. Также будут заряжаться и другие конденсаторы схемы умножения, которые могут быть и которые подключены одним выводом к точке “А”. Обратим внимание на то, что все эти конденсаторы заряжаются по цепочке последовательно соединенных диодов. Через диод VD1 течет ток заряда конденсаторов всех ступеней умножения, через диоды VD2, VD3 и далее – ток заряда всех остальных конденсаторов, подключенных одним выводом к точке “А”, кроме первого. Таким образом, через диоды в первоначальный момент проходят значительные токи заряда емкостей. Это необходимо учесть при выборе элементов для схемы умножения. Конденсаторы С2 и все которые могут быть в других ступенях и подключаются одним выводом к точке “F” в этот полупериод не заряжаются, поскольку оказываются шунтироваными парами диодов VD1-VD2, VD3-VD4 и далее VD(N)-VD(N+1).

С началом другого полупериода положительный потенциал будет в точке “А”. Поскольку конденсатор С1 уже заряжен до такого же потенциала, как максимальный Uo, то он оказываются включенным последовательно с источником питания и будут разряжаться по цепи “В” — VD2 –“С” — С2 –“F” – Источник – “А” . Поскольку конденсатор С2 был разряжен, то теперь он зарядится почти до удвоенного амплитудного напряжения Uo. “Почти” потому, что С1 за этот небольшой промежуток времени отдаст часть своего заряда конденсатору С2.

Если емкость конденсатора С1 намного больше емкости конденсатора С2, то С2 зарядится до удвоенного амплитудного значения напряжения Uo. Если емкости этих конденсаторов равны, то все равно, через несколько периодов напряжение на конденсаторе С2 достигнет удвоенного Uo. Аналогично, по цепи “D” –VD(N) – “E” — C(N) – “F” – Источник – “А” произойдет заряд конденсатора С(N) до удвоенного напряжения Uo.

В следующий полупериод напряжения конденсатор С2, заряженный до удвоеннного напряжения Uo, будет включен последовательно и по цепи “С” – VD3 –“D”- C3 – “А” – Источник – “F” зарядит конденсатор С3 почти до утроенного напряжения Uo. А конденсатор С1 будет подзаряжен до напряжения Uo.

В следующий полупериод конденсатор С2 будет заряжен так же как уже было описано, до удвоенного напряжения, а конденсатор С(N) будет заряжен по цепи D – VD(N) – E – C(N) –F – Источник – А – С3. Причем за счет утроенного напряжения на конденсаторе С3 и напряжения на входе конденсатор С(N) зарядится до учетверенного Uo. Если наращивать ступени умножения и дальше, их работа ничем не будет отличаться от работы первых стtпеней умножения. Следует отметить, что в один из полупериодов будут заряжаться конденсаторы, подключенные одним выводом к точке “А”, а в другой – конденсаторы, подключенные одним выводом к точке “F”, поэтому частота пульсаций на выходе схемы умножения первого рода равна частоте питающего напряжения.

Минимально допустимую величину конденсатора на выходе схемы умножения С(N) можно посчитать, исходя из заданного уровня пульсаций выпрямленного напряжения. Для начала определим сопротивление нагрузки:

Rн (Ком) = Uвых (В) / Iн (mA)

Для питания анодной цепи усилителя мощности на 3-х ГУ-50 зададим: напряжение на выходе умножителя 1200 Вольт при токе 400 мА.

Подставляя данные в формулу, получим сопротивление нагрузки выпрямителя Rн = 3 Ком.

(Далее все практические расчеты будут сделаны именно для усилителя этого типа.)

Теперь определим емкость конденсатора на выходе схемы умножения.

С(n) = 5,7 / Kп* Rн ( мкф)

Для усилителей мощности КВ радиостанций, работающих в телеграфном режиме, коэффициент пульсаций выбирается в пределах 0,5 – 3,0 % Для передатчиков ,работающих в SSB коэффициент пульсаций должен быть значительно ниже. Выберем Кп = 0, 1% , тогда: С(n) = 19 мкф (выберем 20 мкф)

Для того, чтобы получить как можно более пологую статическую характеристику важно соблюдать определенные пропорции в емкостях конденсаторов, которые обеспечат равенство энергий, накапливаемых каждым конденсатором при работе на реальную нагрузку. Наилучшие результаты дает ряд емкостей, для которого:

С(N) = M * С(n)

Где: C(N) –емкость конкретного конденсатора, С(n) – емкость конденсатора на выходе схемы, М – коэффициент увеличения емкости, определяемый по таблице:

Несимметричная схема умножения второго рода.

Принцип работы этого умножителя аналогичен работе умножителя первого рода.

Основное отличие заключается в том, что в этой схеме все конденсаторы за исключением С1 заряжаются только до удвоенного напряжения Uo. Конденсатор С1 заряжается только до Uo. Таким образом рабочее напряжение конденсаторов и диодов в умножителе напряжения второго рода может быть значительно ниже, чем в умножителе первого рода. “Пусковой” ток через диоды в этой схеме тоже меньше, поскольку определяется емкостью только одного конденсатора С1. Диоды могут быть выбраны с током

Iпр. = 2,1 * Iн = 2,1 * 0,4 = 0, 82 А

Необходимая емкость конденсаторов в этой схеме определяется по формуле:

С (мкф) = 2,85 * N / Кп*Rн = 2,85* 4 / 3*0,1 = 38 мкф

Несмотря на увеличение каждой емкости в два раза, общая емкость конденсаторов в такой схеме будет меньше, при тех же пульсациях. Необходимо только увеличить емкость конденсатора С1 в 4 раза по сравнению с остальными. Хотя в большинстве случаев достаточно и двух-трехкратное увеличение емкости конденсатора С1.

О включении нагрузки в такой схеме: При четном количестве ступеней умножения (например 2,4,6,8 и т.д.) напряжение на нагрузку снимается с конденсаторов с четными номерами ( точки “С” “Е” и т.д.) Если необходимо получить нечетное количество ступеней умножения (3,5,7 и т.д.) Нагрузка подключается к конденсаторам с нечетными номерами (точки “А”, “D” и т.д.

Симметричные схемы умножителей напряжения.

Симметричная схема умножения напряжения получается, если применить две несимметричных схемы, у одной из которых необходимо сменить полярность электролитических конденсаторов и изменить проводимость диодов.

Симметричные схемы обладают теми же свойствами, но лучшими характеристиками. Немаловажное достоинство симметричных схем – удвоенная частота пульсаций выпрямленного напряжения.

Практические схемы умножителей напряжения:

Схемы самые обычные, слева схема симметричного удвоителя, справа –схема несимметричного удвоителя. Как видно эту схему удвоения можно отнести и к 1-му роду и ко 2-му роду одновременно.

Внизу схема умножения напряжения первого рода, вверху — схемы умножения второго рода. Схемы с нечетной кратностью умножения не могут быть полностью симметричными.

Слева (вверху и внизу) схемы умножения первого рода, справа вверху – схема умножения второго рода. Справа внизу – схема симметричного умножителя на 4.

Преобразователь напряжения с индуктивным накопителем энергии

Преобразователь напряжения с индуктивным накопителем энергии, позволяющий поддерживать на выходе стабильное регулируемое напряжение, показан на рис. 13.

Рис. 13. Схема преобразователя напряжения со стабилизацией.

Схема содержит генератор импульсов, двухкаскадный усилитель мощности, индуктивный накопитель энергии, выпрямитель, фильтр, схему стабилизации выходного напряжения. Резистором R6 устанавливают необходимое выходное напряжение в пределах от 30 до 200 В.

Аналоги транзисторов: ВС237В — КТ342А, КТ3102; ВС307В — КТ3107И, BF459—КТ940А.

Преобразователь напряжения на основе КР1006ВИ1

Преобразователь напряжения, выполненный на основе генератора импульсов на микросхеме DA1 КР1006ВИ1, усилителя на основе полевого транзистора VT1 и индуктивного накопителя энергии с выпрямителем и фильтром, показан на рис. 10.

На выходе преобразователя при напряжении питания 9В и потребляемом токе 80…90 мА образуется напряжение 400…425 В. Следует отметить, что величина выходного напряжение не гарантирована — она существенно зависит от способа выполнения катушки индуктивности (дросселя) L1.

Рис. 10. Схема преобразователя напряжения с генератором импульсов на микросхеме КР1006ВИ1.

Для получения нужного напряжения проще всего экспериментально подобрать катушку индуктивности для достижения требуемого напряжения или использовать умножитель напряжения.

Импульсно-резонансный преобразователь

Импульсно-резонансные преобразователи конструкции к,т.н. Н. М. Музыченко, один из которых показан на рис. 4,27, в зависимости от формы тока в ключе VT1 делятся на три разновидности, в которых коммутирующие элементы замыкаются при нулевом токе, а размыкаются — при нулевом напряжении. На этапе переключения преобразователи работают как резонансные, а остальную, большую, часть периода — как импульсные.

Рис. 27. Схема импульсно-резонансного преобразователя Н. М. Музыченко.

Отличительной чертой таких преобразователей является то, что их силовая часть выполнена в виде индуктивно-емкостного моста с коммутатором в одной диагонали и с коммутатором и источником питания в другом. Такие схемы (рис. 27) отличаются высокой эффективностью.

Источник: Шустов М. А. Практическая схемотехника. Преобразователи напряжения.

Понижающие и инвертирующие преобразователей напряжения

Два варианта — понижающего и инвертирующего преобразователей напряжения [4.1] показаны на рис. 14. Первый из них обеспечивает выходное напряжение 8,4 В при токе нагрузки до 300 мА, второй — позволяет получить напряжение отрицательной полярности (-19,4 В) при таком же токе нагрузки. Выходной транзистор ѴТЗ должен быть установлен на радиатор.

Рис. 14. Схемы стабилизированных преобразователей напряжения.

Аналоги транзисторов: 2N2222 — КТЗ117А 2N4903 — КТ814.

Преобразователь напряжения с импульсным накоплением энергии

В преобразователе напряжения С. Ф. Сиколенко с «импульсным накоплением энергии» (рис. 26) ключи К1 и К2 выполнены на транзисторах КТ630, система управления (СУ) — на микросхеме серии К564.

Рис. 26. Схема преобразователя напряжения с импульсным накоплением.

Накопительный конденсатор С1 — 47 мкФ. В качестве источника питания используется батарея напряжением 9 В. Выходное напряжение на сопротивлении нагрузки 1 кОм достигает 50 В. КПД составляет 80% и возрастает до 95% при использовании в качестве ключевых элементов К1 и К2 КМОП-структур типа RFLIN20L.

Инверторы на специализированных микросхемах

Наиболее удобно собирать высокоэффективные современные преобразователи напряжения, используя специально созданные для этих целей микросхемы.

Микросхема КР1156ЕУ5 (МС33063А, МС34063А фирмы Motorola) предназначена для работы в стабилизированных повышающих, понижающих, инвертирующих преобразователях мощностью в несколько ватт.

На рис. 17 приведена схема повышающего преобразователя напряжения на микросхеме КР1156ЕУ5. Преобразователь содержит входные и выходные фильтрующие конденсаторы С1, СЗ, С4, накопительный дроссель L1, выпрямительный диод VD1, конденсатор С2, задающий частоту работы преобразователя, дроссель фильтра L2 для сглаживания пульсаций. Резистор R1 служит датчиком тока. Делитель напряжения R2, R3 определяет величину выходного напряжения.

Рис. 17. Схема повышающего преобразователя напряжения на микросхеме КР1156ЕУ5.

Частота работы преобразователя близка к 15 кГц при входном напряжении 12 В и номинальной нагрузке. Размах пульсаций напряжения на конденсаторах СЗ и С4 составлял соответственно 70 и 15 мВ.

Дроссель L1 индуктивностью 170 мкГн намотан на трех склеенных кольцах К12x8x3 М4000НМ проводом ПЭШО 0,5. Обмотка состоит из 59 витков. Каждое кольцо перед намоткой следует разломить на две части.

В один из зазоров вводят общую прокладку из текстолита толщиной 0,5 мм и склеивают пакет. Можно также применить кольца из феррита с магнитной проницаемостью свыше 1000.

Пример выполнения понижающего преобразователя на микросхеме КР1156ЕУ5 приведен на рис. 18. На вход такого преобразователя нельзя подавать напряжение более 40 В. Частота работы преобразователя — 30 кГц при UBX=15 В. Размах пульсаций напряжения на конденсаторах СЗ и С4 — 50 мВ.

Рис. 18. Схема понижающего преобразователя напряжения на микросхеме КР1156ЕУ5.

Рис. 4.19. Схема инвертирующего преобразователя напряжения на микросхеме КР1156ЕУ5.

Дроссель L1 индуктивностью 220 мкГч намотан аналогичным образом (см. выше) на трех кольцах, но зазор при склейке был установлен 0,25 мм, обмотка содержала 55 витков такого же провода.

На следующем рисунке (рис. 4.19) показана типовая схема инвертирующего преобразователя напряжения на микросхеме КР1156ЕУ5, Микросхема DA1 питается суммой входного и выходного напряжений, которая не должна превышать 40 В.

Частота работы преобразователя — 30 кГц при UBX=5 S; размах пульсаций напряжения на конденсаторах СЗ и С4 — 100 и 40 мВ.

Для дросселя L1 инвертирующего преобразователя индуктивностью 88 мкГн были использованы два кольца К12x8x3 М4000НМ с зазором 0,25 мм. Обмотка состоит из 35 витков провода ПЭВ-2 0,7. Дроссель L2 во всех преобразователях стандартный — ДМ-2,4 индуктивностью 3 мкГч. Диод VD1 во всех схемах (рис. 17 — 19) должен быть диодом Шотки.

Для получения двухполярного напряжения из однополярного фирмой MAXIM разработаны специализированные микросхемы. На рис. 20 показана возможность преобразования напряжения низкого уровня (4,5…5 6) в двухполярное выходное напряжение 12 (или 15 6) при токе нагрузки до 130 (или 100 мА).

Рис. 20. Схема преобразователя напряжения на микросхеме МАХ743.

По внутренней структуре микросхема не отличается от типового построения подобного рода преобразователей, выполненных на дискретных элементах, однако интегральное исполнение позволяет при минимальном количестве внешних элементов создавать высокоэффективные преобразователи напряжения.

Так, для микросхемы МАХ743 (рис. 20) частота преобразования может достигать 200 кГц (что намного превышает частоту преобразования подавляющего большинства преобразователей, выполненных на дискретных элементах). При напряжении питания 5 В КПД составляет 80…82% при нестабильности выходного напряжения не более 3%.

Микросхема снабжена защитой от аварийных ситуаций: при снижении питающего напряжения на 10% ниже нормы, а также при перегреве корпуса (выше 195°С).

Для снижения на выходе преобразователя пульсаций с частотой преобразования (200 кГц) на выходах устройства установлены П-образные LC-фильтры. Перемычка J1 на выводах 11 и 13 микросхемы предназначена для изменения величины выходных напряжений.

Для преобразования напряжения низкого уровня (2,0…4,5 6) в стабилизированное 3,3 или 5,0 В предназначена специальная микросхема, разработанная фирмой MAXIM, — МАХ765. Отечественные аналоги — КР1446ПН1А и КР1446ПН1Б. Микросхема близкого назначения — МАХ757 — позволяет получить на выходе плавно регулируемое напряжение в пределах 2,7…5,5 В.

Рис. 21. Схема низковольтного повышающего преобразователя напряжения до уровня 3,3 или 5,0 В.

Схема преобразователя, показанная на рис. 21, содержит незначительное количество внешних (навесных) деталей.

Работает это устройство по традиционному принципу, описанному ранее. Рабочая частота генератора зависит от величины входного напряжения и тока нагрузки и изменяется в широких пределах — от десятков Гц до 100 кГц.

Величина выходного напряжения определяется тем, куда подключен вывод 2 микросхемы DA1: если он соединен с общей шиной (см. рис. 21), выходное напряжение микросхемы КР1446ПН1А равно 5,0±0,25 В, если же этот вывод соединен с выводом 6, то выходное напряжение понизится до 3,3±0,15 В. Для микросхемы КР1446ПН1Б значения будут 5,2±0,45 В и 3,44±0,29 В. соответственно. Максимальный выходной ток преобразователя — 100 мА. Микросхема МАХ765 обеспечивает выходной ток 200 мА при напряжении 5-6 и 300 мА при напряжении 3,3 В. КПД преобразователя — до 80%.

Назначение вывода 1 (SHDN) — временное отключение преобразователя путем замыкания этого вывода на общий провод. Напряжение на выходе в этом случае понизится до значения, несколько меньшего, чем входное напряжение.

Светодиод HL1 предназначен для индикации аварийного снижения питающего напряжения (ниже 2 В), хотя сам преобразователь способен работать и при более низких значениях входного напряжения (до 1,25 6 и ниже).

Дроссель L1 выполняют на кольце К10x6x4,5 из феррита М2000НМ1. Он содержит 28 витков провода ПЭШО 0,5 мм и имеет индуктивность 22 мкГч. Перед намоткой ферритовое кольцо разламывают пополам, предварительно надпилив алмазным надфилем. Затем кольцо склеивают эпоксидным клеем, установив в один из образовавшихся зазоров текстолитовую прокладку толщиной 0,5 мм.

Индуктивность полученного таким образом дросселя зависит в большей степени от толщины зазора и в меньшей — от магнитной проницаемости сердечника и числа витков катушки. Если смириться с увеличением уровня электромагнитных помех, то можно использовать дроссель типа ДМ-2,4 индуктивностью 20 мкГч.

Конденсаторы С2 и С5 типа К53 (К53-18), С1 и С4 — керамические (для снижения уровня высокочастотных помех), VD1 — диод Шотки (1 N5818, 1 N5819, SR106, SR160 и др.).