Как применить диодный мост для удвоения напряжения
Умножитель напряжения — схема выпрямителя особого типа, амплитуда напряжение на выходе которой теоретически в целое число раз выше, чем на входе. То есть, с помощью удвоителя напряжения можно получить 200 В постоянного тока из 100 В переменного тока источника, а с помощью умножителя на четыре — 400 В постоянного. Это если не учитывать падение напряжения на диодах (0,7В на каждом).
В реальных схемах любая нагрузка будет уменьшать полученное напряжение. Умножитель содержит в себе конденсаторы и диоды. Нагрузочная способность умножителя пропорциональна частоте, величине емкости входящих в его состав конденсаторов и обратно пропорциональна числу звеньев.
А теперь, к Вашему вниманию — "экспонаты" коллекции:
- Удвоитель напряжения Латура-Делона-Гренашера
Особенности: хорошая нагрузочная способность.
Несимметричный умножитель напряжения (Кокрофта-Уолтона)
Особенности: универсальность, низкая нагрузочная способность.
Генераторы Кокрофта-Уолтона применяются во многих областях техники, в частности, в лазерных системах, в источниках высокого напряжения, в системах рентгеновского излучения, подсветке жидкокристаллических экранов, лампах бегущей волны, ионных насосах, электростатических системах, ионизаторах воздуха, ускорителях частиц, копировальных аппаратах, осциллографах, телевизорах и во многих других устройствах, где необходимо одновременно высокое напряжение и постоянный ток.
- Утроитель, 1-й вариант
Особенности: хорошая нагрузочная способность.
Утроитель, 2-й вариант
Особенности: хорошая нагрузочная способность.
Утроитель, 3-й вариант
Особенности: хорошая нагрузочная способность.
Умножитель на 4, 1-й вариант
Особенности: симметричная схема, хорошая нагрузочная способность.
Умножитель на 4, 2-й вариант
Особенности: симметричная схема, хорошая нагрузочная способность.
Умножитель на 4, 3-й вариант
Особенности: симметричная схема, хорошая нагрузочная способность, две полярности относительно общей точки.
Умножитель на 5, 1-й вариант
Особенности: хорошая нагрузочная способность.
Умножитель на 6, 1-й вариант
Особенности: хорошая нагрузочная способность.
Умножитель на 6, 2-й вариант
Особенности: симметричная схема, хорошая нагрузочная способность, две полярности относительно общей точки.
Умножитель на 8, 1-й вариант
Особенности: симметричная схема, хорошая нагрузочная способность.
Умножитель на 8, 2-й вариант
Особенности: симметричная схема, хорошая нагрузочная способность, две полярности относительно общей точки.
Умножитель напряжения Шенкеля – Вилларда
Особенности: симметричная схема, превосходная нагрузочная способность, ступенчатое увеличение напряжения на каждом звене.
Умножитель со ступенчатой нагрузочной способностью
Особенности: нагрузочная характеристика имеет две области — область низкой мощности – в диапазоне выходных напряжений от 2U до U и область повышенной мощности – при выходном напряжении ниже U.
Выпрямитель с вольтодобавкой
Особенности: наличие дополнительного маломощного выхода с удвоенным напряжением питания.
Умножитель из диодных мостов
Особенности: хорошая нагрузочная способность. Одна из классических схем умножения напряжения в высоковольтных источниках питания для физических экспериментов. На рисунке изображен удвоитель напряжения, но число каскадов в умножителе может быть увеличено.
—> —>
Примечание: универсальность.
Генераторы Кокрофта-Уолтона применяются во многих областях техники, в частности, в лазерных системах, в источниках высокого напряжения, в системах рентгеновского излучения, подсветке жидкокристаллических экранов, лампах бегущей волны, ионных насосах, электростатических системах, ионизаторах воздуха, ускорителях частиц, копировальных аппаратах, осциллографах, телевизорах и во многих других устройствах, где необходимо одновременно высокое напряжение и постоянный ток. 3. Утроитель, 1-й вариант
Отличная нагрузочная способность. 4. Утроитель, 2-й вариант
Отличная нагрузочная способность. 5. Утроитель, 3-й вариант
Отличная нагрузочная способность. 6. Умножитель на 4, 1-й вариант
Симметричная схема, хорошая нагрузочная способность. 7. Умножитель на 4, 2-й вариант
Симметричная схема, хорошая нагрузочная способность. 8. Умножитель на 4, 3-й вариант
Симметричная схема, хорошая нагрузочная способность, две полярности относительно общей точки. 9. Умножитель на 5
Отличная нагрузочная способность. 10. Умножитель на 6, вариант первый
отличная нагрузочная способность. 11. Умножитель на 6, вариант второй
Симметричная схема, отличная нагрузочная способность, две полярности относительно общей точки. 12. Умножитель на 8, первая схема подключения
Симметричная схема, отличная нагрузочная способность. 13. Умножитель на 8, вторая схема подключения
Симметричная схема, отличная нагрузочная способность, две полярности относительно общей точки. 14. Умножитель напряжения Шенкеля – Вилларда
Превосходная нагрузочная способность, ступенчатое увеличение напряжения на каждом звене. 15. Умножитель со ступенчатой нагрузочной способностью
Нагрузочная характеристика имеет две области — область низкой мощности – в диапазоне выходных напряжений от 2U до U и область повышенной мощности – при выходном напряжении ниже U. 16. Выпрямитель с вольт добавкой
Наличие дополнительного маломощного выхода с удвоенным напряжением питания. 17. Умножитель из диодных мостов
Хорошая нагрузочная способность. Одна из классических схем умножения напряжения в высоковольтных источниках питания для физических экспериментов. На рисунке изображен удвоитель напряжения, но число каскадов в умножителе может быть увеличено.
Как применить диодный мост для удвоения напряжения
Выпрямители. Как и почему.
Автор:
Опубликовано 20.04.2006
Итак, дорогие мои, мы собрали нашу схемку и пришло время ее проверить, испытать и нарадоваться сему щастью. На очереди у нас — подключение схемы к источнику питания. Приступим. На батарейках, аккумуляторах и прочих прибамбасах питания мы останавливаться не будем, перейдем сразу к сетевым источникам питания. Здесь рассмотрим существующие схемы выпрямления, как они работают и что умеют. Для опытов нам потребуется однофазное (дома из розетки) напряжение и соответствующие детальки. Трехфазные выпрямители используются в промышленности, мы их рассматривать также не будем. Вот электриками вырастете — тогда пжалста.
Источник питания состоит из нескольких самых важных деталей: Сетевой трансформатор — на схеме обозначается похожим как на рисунке,
Выпрямитель — его обозначение может быть различным. Выпрямитель состоит из одного, двух или четырех диодов, смотря какой выпрямитель. Сейчас будем разбираться.
а) — простой диод.
б) — диодный мост. Состоит из четырех диодов, включенных как на рисунке.
в) — тот же диодный мост, только для краткости нарисован попроще. Назначения контактов такие же, как у моста под буквой б).
Конденсатор фильтра. Эта штука неизменна и во времени, и в пространстве, обозначается так:
Обозначений у конденсатора много, столько же, сколько в мире систем обозначений. Но в общем они все похожи. Не запутаемся. И для понятности нарисуем нагрузку, обозначим ее как Rl — сопротивление нагрузки. Это и есть наша схема. Также будем обрисовывать контакты источника питания, к которым эту нагрузку мы будем подключать.
Далее — пара-тройка постулатов.
— Выходное напряжение определяется как Uпост = U*1.41. То есть если на обмотке мы имеем 10вольт переменного напряжения, то на конденсаторе и на нагрузке мы получим 14,1В. Примерно так.
— Под нагрузкой напряжение немного проседает, а насколько — зависит от конструкции трансформатора, его мощности и емкости конденсатора.
— Выпрямительные диоды должны быть на ток в 1,5-2 раза больше необходимого. Для запаса. Если диод предназначен для установки на радиатор (с гайкой или отверстие под болт), то на токе более 2-3А его нужно ставить на радиатор.
Так же напомню, что же такое двуполярное напряжение. Если кто-то подзабыл. Берем две батарейки и соединяем их последовательно. Среднюю точку, то есть точку соединения батареек, назовем общей точкой. В народе она известна так же как масса, земля, корпус, общий провод. Буржуи ее называют GND (ground — земля), часто ее обозначают как 0V (ноль вольт). К этому проводу подключаются вольтметры и осциллографы, относительно нее на схемы подаются входные сигналы и снимаются выходные. Потому и название ее — общий провод. Так вот, если подключим тестер черным проводом в эту точку и будем мерить напряжение на батарейках, то на одной батарейке тестер покажет плюс1,5вольта, а на другой — минус1,5вольта. Вот это напряжение +/-1,5В и называется двуполярным. Обе полярности, то есть и плюс, и минус, обязательно должны быть равными. То есть +/-12, +/-36В, +/-50 и т.д. Признак двуполярного напряжения — если от схемы к блоку питания идут три провода (плюс, общий, минус). Но не всегда так — если мы видим, что схема питается напряжением +12 и -5, то такое питание называется двухуровневым, но проводов к блоку питания будет все равно три. Ну и если на схему идут целых четыре напряжения, например +/-15 и +/-36, то это питание назовем просто — двуполярным двухуровневым.
Ну а теперь к делу.
1. Мостовая схема выпрямления.
Самая распространенная схема. Позволяет получить однополярное напряжение с одной обмотки трансформатора. Схема обладает минимальными пульсациями напряжения и несложная в конструкции.
2. Однополупериодная схема.
Так же, как и мостовая, готовит нам однополярное напряжение с одной обмотки трансформатора. Разница лишь в том, что у этой схемы удвоенные пульсации по сравнению с мостовой, но один диод вместо четырех сильно упрощает схему. Используется при небольших токах нагрузки, и только с трансформатором, много большим мощности нагрузки, т.к. такой выпрямитель вызывает одностороннее перемагничивание трансформатора.
3. Двухполупериодная со средней точкой.
Два диода и две обмотки (или одна обмотка со средней точкой) будут питать нас малопульсирующим напряжением, плюс ко всему мы получим меньшие потери в сравнении с мостовой схемой, потому что у нас 2 диода вместо четырех.
4. Мостовая схема двуполярного выпрямителя.
Для многих — наболевшая тема. У нас есть две обмотки (или одна со средней точкой), мы с них снимаем два одинаковых напряжения. Они будут равны, пульсации будут малыми, так как схема мостовая, напряжения на каждом конденсаторе считается как напряжение на каждой обмотке помножить на корень из двух — всё, как обычно. Провод от средней точки обмоток выравнивает напряжения на конденсаторах, если нагрузки по плюсу и по минусу будут разными.
5. Схема с удвоением напряжения.
Это две однополупериодные схемы, но с диодами, включенными по разному. Применяется, если нам надо получить удвоенное напряжение. Напряжение на каждом конденсаторе будет определяться по нашей формуле, а суммарное напряжение на них будет удвоенным. Как и у однополупериодной схемы, у этой так же большие пульсации. В ней можно усмотреть двуполярный выход — если среднюю точку конденсаторов назвать землей, то получается как в случае с батарейками, присмотритесь. Но много мощности с такой схемы не снять.
6. Получение разнополярного напряжения из двух выпрямителей.
Совсем не обязательно, чтобы это были одинаковые блоки питания — они могут быть как разными по напряжению, так и разными по мощности. Например, если наша схема по +12вольтам потребляет 1А, а по -5вольтам — 0,5А, то нам и нужны два блока питания — +12В 1А и -5В 0,5А. Так же можно соединить два одинаковых выпрямителя, чтобы получить двуполярное напряжение, например, для питания усилителя.
7. Параллельное соединение одинаковых выпрямителей.
Оно нам дает то же самое напряжение, только с удвоенным током. Если мы соединим два выпрямителя, то у нас будет двойное увеличение тока, три — тройное и т.д.
Ну а если вам, дорогие мои, всё понятно, то задам, пожалуй, домашнее задание. Формула для расчета емкости конденсатора фильтра для двухполупериодного выпрямителя:
Для однополупериодного выпрямителя формула несколько отличается:
Двойка в знаменателе — число «тактов» выпрямления. Для трехфазного выпрямителя в знаменателе будет стоять тройка.
Во всех формулах переменные обзываются так:
Cф — емкость конденсатора фильтра, мкФ
Ро — выходная мощность, Вт
U — выходное выпрямленное напряжение, В
f — частота переменного напряжения, Гц
dU — размах пульсаций, В
Для справки — допустимые пульсации:
Микрофонные усилители — 0,001. 0,01%
Цифровая техника — пульсации 0,1. 1%
Усилители мощности — пульсации нагруженного блока питания 1. 10% в зависимости от качества усилителя.
Эти две формулы справедливы для выпрямителей напряжения частотой до 30кГц. На бОльших частотах электролитические конденсаторы теряют свою эффективность, и выпрямитель рассчитывается немного не так. Но это уже другая тема.
Умножители напряжения
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.
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
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
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
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)
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.