При вирішенні схемотехнічних задач бувають випадки, коли необхідно піти від застосування трансформаторів для збільшення вихідної напруги. Причиною тому найчастіше виявляється неможливість включити в пристрої підвищують перетворювачі з-за їх масогабаритних показників. У такій ситуації виходом є використання схеми помножувача.
Помножувач напруги – визначення
Пристрій, під яким мається на увазі помножувач електрики – це схема, що дозволяє перетворювати напругу змінного струму або пульсуюче в постійне, але більш високе значення. Зростання величини параметра на виході приладу прямо пропорційно кількості каскадів схеми. Самий елементарний з існуючих умножителей напруги був придуманий вченими Кокрофтом і Уолтоном.
Сучасні конденсатори, розроблені радіоелектронної промисловістю, характеризуються невеликими розмірами і порівняно великою ємністю. Це дозволило перебудувати багато схем і впровадити виріб в різні пристрої. Зібраний помножувач напруги на діодах і конденсаторах, підключених своїм порядком.
Крім функції підвищення електрики помножувачі одночасно перетворюють його з змінного в постійне. Це зручно тим, що загальна схемотехніка приладу спрощується і стає більш надійною і компактною. За допомогою приладу можна досягти збільшення до декількох тисяч вольт.
Де застосовують пристрій
Помножувачі знайшли своє застосування у різних типах пристроїв, це: системи лазерного накачування, пристрої випромінювання рентгенівської хвилі в їх блоках високої напруги, для підсвічування дисплеїв рідкокристалічної структури, насосах іонного типу, лампи біжучої хвилі, іонізатори повітряного середовища, системах електростатичних, прискорювачах елементарних частинок, апаратах для копіювання, телевізорах і осцилографах з кінескопами, а також там, де потрібна висока постійне електрика невеликої сили струму.
Принцип роботи помножувача напруги
Щоб зрозуміти, як функціонує схема, краще подивитися роботу так званого універсального пристрою. Тут число каскадів точно не встановлено, а вихідна електрика визначається формулою: n*Uin = Uout, де:
- n – кількість присутніх каскадів схеми;
- Uin – напруга, що подається на вхід пристрою.
При початковому моменті часу, коли на схему приходить перша, припустимо, позитивна полуволна, діод вхідного каскаду пропускає її на свій конденсатор. Останній заряджається до амплітуди надійшов електрики. При другою негативною полуволне перший діод закритий, а напівпровідник другого каскаду пускає її до свого конденсатору, який також заряджається. Плюс до цього напруга першого конденсатора, включеного послідовно з другим, підсумовується з останнім і на виході каскаду виходить вже подвоєне електрика.
На кожному наступному каскаді відбувається те ж саме – це принцип помножувача напруги. І якщо переглянути прогресію до кінця, то виходить, що вихідна електрика перевершує вхідна в енну кількість разів. Але як і в трансформаторі, сила струму тут буде зменшуватися при збільшенні різниці потенціалів – закон збереження енергії також працює.
Схема побудови помножувача
Вся ланцюг схеми зібрана з декількох ланок. Одна ланка помножувача напруги на конденсаторі являє собою випрямляч однопівперіодного типу. Для отримання приладу необхідно мати два послідовно з’єднаних ланок, в кожному з яких є діод і конденсатор. Така схема є подвоювачем електрики.
Графічне зображення пристрою множення напруги в класичному варіанті виглядає з діагональним положенням діодів. Від напрямку включення напівпровідників залежить те, який потенціал – негативний чи позитивний, чи буде присутній на виході помножувача щодо його загальної точки.
При об’єднанні схем з негативним і позитивним потенціалами на виході пристрою виходить схема двополярної удвоителя напруги. Особливістю такої побудови є те, що якщо виміряти рівень електрики між полюсом і загальною точкою і він перевищить вхідна напруга у 4 рази, то величина амплітуди між полюсами зросте вже у 8 разів.
У умножителе загальною точкою (яка з’єднана з загальним проводом) буде та, де висновок напруги джерела з’єднується з виводом конденсатора, об’єднаного в групу з іншими послідовно з’єднаними конденсаторами. Наприкінці них береться вихідна електрика на парних елементах – при парнім коефіцієнті, на непарних конденсаторах, відповідно, при непарному коефіцієнті.
Накачування конденсаторів в умножителе
Інакше кажучи, у пристрої помножувача напруги постійного відбувається певний перехідний процес встановлення параметра на виході відповідного заявленому. Найлегше побачити це на прикладі подвоєння електрики. Коли через напівпровідник D1 конденсатор C1 зарядиться до повного значення, то в наступну півхвилю він разом з джерелом електрики одночасно заряджає другий конденсатор. C1 не встигає повністю віддати свій заряд C2, тому на виході спершу не присутній подвоєна різниця потенціалів.
При третій полуволне перший конденсатор заряджається і далі прикладає потенціал до C2. Але напруга на другому конденсаторі вже має зустрічний напрямок до першого. Тому вихідний конденсатор заряджається не повністю. З кожним новим циклом електрика на елементі C1 буде прагнути до вхідного, напруга C2 до подвоєного за величиною.
Як розрахувати помножувач
Виконуючи розрахунок пристрою множення, необхідно відштовхуватися від вихідних даних, якими є: потрібний для навантаження струм (In), напруга на виході (Uout), коефіцієнт пульсування (Kp). Мінімальна величина ємності елементів конденсаторів, виражена у мкФ, визначається за формулою: С(n)=2,85*n*In/(Kp*Uout), де:
- n – число, у скільки разів збільшується вхідна електрика;
- In – струм, що протікає в навантаженні (мА);
- Kp – коефіцієнт пульсування (%);
- Uout – напруга, отримане на виході пристрою (В).
Збільшуючи отриману розрахунками ємність в два або три рази, отримують величину ємності конденсатора на вході схеми C1. Такий номінал елемента дозволяє отримати на виході відразу повне значення напруги, а не чекати, поки пройде деякий кількість періодів. Коли робота навантаження не залежить від швидкості наростання струму до номінального на виході, ємність конденсатора можна взяти ідентичну розрахунковим значенням.
Краще всього для навантаження, якщо коефіцієнт пульсацій помножувача напруги на діодах не перевищує величини 0,1 %. Задовільним є також наявність пульсацій до 3 %. Всі діоди схеми вибирають з розрахунку, щоб вони вільно могли витримати силу струму в два рази перевищує його значення в навантаженні. Формула розрахунку приладу з великою точністю виглядає так: n*Uin — (In*(n3 + 9*n2/4 + n/2)/(12 *f* C))=Uout, де:
- f – частота напруги на вході пристрою (Гц);
- C – конденсаторна ємність (Ф).
Переваги і недоліки
Говорячи про переваги помножувача напруги, можна відзначити наступні:
- Можливість отримувати на виході значні величини електрики – чим більше ланок, тим більший коефіцієнт множення вийде.
- Простота конструкції – все зібрано на типових ланках і надійних радиоэлементах, рідко виходять з ладу.
- Масогабаритні показники – відсутність громіздких елементів, таких як силовий трансформатор, зменшують розміри і вага схеми.
Найбільший недолік будь-якої схеми помножувача в тому, що неможливо отримати за допомогою його великий струм на виході для живлення навантаження.
Висновок
Вибираючи помножувач напруги для конкретного пристрою. важливо знати, що симетричні схеми мають кращі параметри в плані коефіцієнта пульсацій, ніж несиметричні. Тому для чутливих апаратів доцільніше використовувати більш стабільні помножувачі. Несиметричні прості у виготовленні, містять менше елементів.
