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 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:
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.
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:
Где: C(N) –емкость конкретного конденсатора, С(n) – емкость конденсатора на выходе схемы, М – коэффициент увеличения емкости, определяемый по таблице:
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),
С=125Iн/U0
Сопротивление резистора R1 выбирается в пределах 20. 100 Ом. Емкость конденсатора СЗ определяется из выражения:
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.
Форум по обсуждению материала УМНОЖИТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЯ
Микроконтроллер ATtiny13 и MOSFet транзисторы будут управлять светодиодными лентами в этой схеме ЦМУ.
Удвоитель напряжения означает, что напряжение на его выходе в два раза выше чем на выходе обычного выпрямителя. Удвоители, также как и обычные выпрямители, бывают двух типов: однополупериодные и двухполупериодные. На рисунке справа представлена схема обычного однополупериодного удвоителя с положительным напряжением на выходе. Однополупериодным умножителям напряжения присущи теже недостатки, что и аналогичным выпрямителям. Можно увидеть, что частота заряда конденсатора C1 равна частоте входного напряжения. Т.е. он заряжается один раз за период. Между этими циклами зарядки идёт цикл разрядки такой же длительности. Поэтому в этой схеме необходимо серьёзно отнестись к сглаживанию пульсаций.
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!
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.
Удвоитель напряжения применяется для получения из пониженного переменного напряжения более высокого напряжения постоянного тока. Схема удвоителя напряжения довольно проста и, как правило, состоит всего из четырех компонентов – двух выпрямительных диодов и двух электролитических конденсаторов.
Описание работы удвоителя напряжения
В данной схеме удвоителя напряжения, конденсатор С1 заряжается через диод VD1 (1N4007) каждый положительный полупериод. Напряжение на конденсаторе С1 равно примерно входному переменному напряжению умноженного на коэффициент 1,414 ( U амплитудное / U действующее) или примерно 311 вольт в случае, если на вход подано 220 В переменного напряжения.
Емкость C2 заряжается через диод VD2 каждую отрицательную половину цикла до 311 вольт. Поскольку оба конденсатора подключены последовательно, то на выходе мы получим постоянное напряжение в 622 вольта.
Эта схема будет работать при любом входном переменном напряжении с учетом правильного подбора диодов и конденсаторов. Для того чтобы схема работала исправно, необходимо диоды проверить мультиметром. Резистор на 200 Ом предназначен для ограничения бросков тока при использовании конденсаторов большой емкости. Его значение не является критичным.
Так же в качестве источника переменного напряжения может быть использовано напряжение, снятое с вторичной обмотки выпрямительного трансформатора. Такой вариант был применен в конструкции проверки динистора DB3.
Внимание. Поскольку схема удвоителя напряжения построенная без трансформатора, то необходимо соблюдать крайнюю осторожность дабы не получить поражение электрическим током.
Для транспортировки наиболее выгодно использовать переменный ток, но большинство оборудования работает на постоянном. Провести соответствующее его преобразование помогают выпрямители. Существуют различные схемы работы таких устройств. Но в некоторых случаях предпочтительнее использовать выпрямитель, удваивающий напряжение. Он позволит получить нужные выходные параметры даже при наличии трансформатора с небольшим напряжением на вторичной обмотке.
Схема выпрямителя
Выпрямитель с удвоением напряжения носит название выпрямителя Латура-Делона-Гренашера. Принцип работы устройства построен на поочередном заряде двух конденсаторов, соответственно, на положительном или отрицательном полупериоде. Схема выглядит так:
Работа устройства осуществляется следующим образом: на вход поступает синусоидальный сигнал, который имеет отрицательные и положительные периоды. Сигнал проходит через трансформатор. Напряжение при этом корректируется до нужной величины, но остаётся переменным. На вход может поступать относительно небольшое питание, но на выходе оно становится вдвое больше.
Во время положительного полупериода ток проходит через верхний диод VD1 и не проходит через нижний VD2. При этом заряжается конденсатор C1. При пиковом значении накопившегося заряда, конденсатор начинает отдавать его. Далее ток уменьшается до нуля и начинается отрицательный полупериод.
Теперь верхний диод VD1 закрывается, а нижний VD2 открывается. По мере нарастания отрицательного импульса конденсатор C2 заряжается. После достижения пика ток начинает уменьшаться. В это время с обкладок конденсатора стекает заряд, который снижает пульсацию напряжения.
Оба конденсатора расположены последовательно. Как известно, в этом случае напряжения на них складываются. Нужно принять во внимание, что разрядка происходит не только на соответствующем полупериоде, но и при смене знака периода. Это приводит к тому, что на обкладках каждого конденсатора присутствует заряд примерно равный среднему значению выходного напряжения.
Представленную выше схему применяют в тех случаях, когда необходимо получить напряжение, увеличенное вдвое по сравнению с выходным напряжением трансформатора. Необходимость в этом возникает относительно редко, поэтому схема используется нечасто. Чтобы увеличить напряжение, можно воспользоваться альтернативным способом — увеличить вдвое количество витков вторичной обмотки трансформатора. Однако такой вариант более сложен и трудозатратен по сравнению с использованием приведённой выше схемы выпрямителя, что делает её применение более выгодным.
Поэтому, если имеются проблемы с наматыванием вторичной обмотки или используется трансформатор с недостаточным для работы напряжением, то будет полезно применение удвоителя.
Характеристики выпрямителя
Чтобы объективно судить о качестве работы выпрямителя, нужно учитывать его характеристики. Основными являются:
Выпрямители могут быть построены по разным схемам. Приведённые здесь характеристики позволяют сравнивать их эффективность.
Сильные и слабые стороны устройства
Плюсом рассматриваемой схемы можно считать возможность использования трансформатора с меньшим количеством витков на вторичной обмотке. Недостатком является наличие относительно большого тока на выпрямителях.
Если сравнивать с двухполупериодными устройствами, то уровень пульсаций при использовании рассматриваемой схемы будет выше. Отмечены случаи, когда происходило повреждение электролитического конденсатора из-за внезапного пробоя одного или обоих диодов. Для предотвращения такой ситуации они должны быть выбраны в соответствии с параметрами работы выпрямителя.
Варианты использования схемы
При использовании разных схем принцип работы выпрямителя не меняется, но отличается расположение клемм для снятия постоянного напряжения.
Первая из рассмотренных схем позволяет получить выпрямленные напряжения одной полярности, а вторая — двуполярные с общей точкой.
Особенности использования выпрямителей
При работе с нагрузкой иногда возникает ситуация, когда у потребителя постоянного тока происходит короткое замыкание. В этом случае через выпрямитель проходит большой ток. Чтобы этого не произошло, в него можно встроить предохранитель.
Если при создании схемы отсутствуют конденсаторы необходимой ёмкости, можно использовать параллельное соединение двух или большего количества. Нужно, чтобы рабочее напряжение у них было не меньше требуемого.
Дальнейшее развитие схемы выпрямителя
Удвоитель можно при помощи добавки конденсатора и диода заставить давать напряжение втрое больше номинального. В таком случае применяется следующая схема:
Таким образом можно каскадировать первоначальное питание и получать выпрямители, которые можно считать умножителями тока. Далее показан пример такой схемы.
С помощью многокаскадного умножителя можно получать различное выходное постоянное напряжение в зависимости от того, к каким выходам будет присоединена нагрузка. Здесь все применяемые конденсаторы, за исключением C1, заряжаются до удвоенной величины напряжения, а этот конденсатор — до одинарной. Максимальный ток, проходящий через диоды в данной схеме, будет не больше, чем в 2.1 раза превосходить ток нагрузки.
Использование рассматриваемого типа выпрямителей позволяет получить существенно более высокое напряжение по сравнению с питающим. Это увеличение производится за счет зарядки разрядки конденсаторов, как на положительных, так и на отрицательных полупериодах. Благодаря значительной емкости, они накапливают заряд, который отдают практически одновременно.
Схемы удвоителей наиболее широкое распространение получили в рентгенотехнических установках. В радиотехнике их в основном используют для питания аппаратуры малой мощности, которая потребляет ток не более 70 мА.
Микроконтроллер ATtiny13 и MOSFet транзисторы будут управлять светодиодными лентами в этой схеме ЦМУ.
