Схемы умножения напряжения

Аннотация

В работе рассказывается об схемах умножения напряжения, приводится подробная классификация. Также подробно рассматриваются технические характеристики видов схем умножения напряжения, приведен их сравнительный анализ.

После подробной классификации схем умножения напряжения будут рассмотрены их структурные особенности.

Особое внимание будет уделено реализации каждого из типов схем умножения напряжения. Будут приведены схемотехнические решения и описания их работы.

Целью работы является технический обзор схем умножения напряжения, описание областей.

 

Содержание

 

 

1.4 Введение

 

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.

 

1. Классификация умножителей напряжения.

Схемы умножителей напряжения разделяются на симметричные и несимметричные (рис. 1.1.).

 

Рис. 1.1.  Классификация умножителей напряжения.

 

В схемах умножения напряжения используется свойство однофазной однополупериодной схемы выпрямления, работающей на емкостную нагрузку, создавать между отдельными ее точками разность потенциалов, превышающую амплитуду напряжения вторичной обмотки питающего трансформатора.

Схемы выпрямителей с умножением напряжения можно разделить на два типа — симметричные и несимметричные. И те, и другие позволяют путем последовательного соединения ряда простых однофазных выпрямителей с емкостным фильтром на выходе получать выпрямленное напряжение, в несколько раз превосходящее подводимое. Симметричные схемы получают путем объединения четного числа несимметричных схем. 
Несимметричные схемы выпрямителей с умножением напряжения содержат цепочки последовательно включенных диодов.

 

1.1 Схема умножения первого рода.

 

Схемы умножения напряжения, применяемые для получения выпрямленного напряжения в несколько раз большего напряжения вторичной обмотки трансформатора, используют свойство конденсаторов накапливать и в течение некоторого времени сохранять электрическую энергию. Это свойство конденсаторов используется не только для питания нагрузки, но и для заряда совместно с переменным напряжением сети других конденсаторов.

Схема умножения первого рода представлена на рисунке (рис. 1.2.).

Рис. 1.2.  Схема умножения первого рода .

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 (1.1):

Rн (Ком) = Uвых (В) / Iн (mA)        1.1

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 (1.2).

С(n) = 5,7 / Kп* Rн ( мкф)         1.2

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 (1.3). Наилучшие результаты дает ряд емкостей, для которого:

С(N) = M * С(n)          1.3

Где: C(N) –емкость конкретного конденсатора, С(n) – емкость конденсатора на выходе схемы, М – коэффициент увеличения емкости, определяемый по таблице (Табл 1.):

 

Табл. 1.  Подбор конденсаторов.

Номер конденсатора по схеме	Кратность умножения напряжения				Конкретный номинал для усилителя на 3- х лампах ГУ- 50 при Uвых =1200В Iвых =0,4А
	5	4	3	2
С1	25	16	9	4	320 Х 300 В
С2	6,25	4	2,25	1	80 Х 600 В
С3	2,78	1,78	1	-	35,6 Х 900 В
С4	1,56	1	-	-	20 Х 1200 В
С5	1	-	-	-	-

 

 

1.2 Несимметричная схема умножения второго рода.

Принцип работы этого умножителя (рис. 1.3.). аналогичен работе умножителя первого рода.

Рис. 1.3.  Несимметричная схема умножения второго 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 (1.4).

Iпр. = 2,1 * Iн = 2,1 * 0,4 = 0, 82 А        1.4

Необходимая емкость конденсаторов в этой схеме определяется по формуле (1.5):

С (мкф) = 2,85 * N / Кп*Rн = 2,85* 4 / 3*0,1 = 38 мкф     1.5

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.)

 

1.3 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.

Симметричная схема умножения напряжения представлена на рисунке (рис. 1.4.).

Рис. 1.4.  Симметричные схемы умножителей напряжения.

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

 

1.4 Сравнительные характеристики.

 

Существует значительное разнообразие схем выпрямителей с умножением напряжения.

Достоинства:

- сравнительная простота, с увеличением  умножения по напряжению;

- заменяет исключительно сложный  и малонадёжный высоковольтный  трансформатор;

- есть возможность получить  сетку питания напряжений постоянного  тока;

Недостаток:

- невозможность питаниями нагрузок  с большими токами: при больших  токах емкости существенно разряжаются, следовательно, пульсация на выходе  по напряжению растёт и, следовательно, падает значение этого напряжения. Резкая зависимость от потребляемого  нагрузкой тока соответствует  большему (100-ни Ом) сопротивлению  выпрямителя с умножением частоты.

Все схемы для однофазной сети переменного тока имеют общие недостатки:

- с их помощью затруднительно  реализовать питание мощных потребителей (более 1 кВт);

- значительная величина коэффициента  пульсации (1,57 - в схемах 1 первого рода, 0,67 – в схемах 1 второго рода);

- сравнительно меньшей является  частота пульсаций 1-й гармоники;

 

 

Выводы

Умножитель напряжения состоит из включенных определенным образом диодов и конденсаторов и представляет собой преобразователь напряжения переменного тока низковольтного источника в высокое напряжение постоянного тока.

Наиболее простым видом умножителя является одпополупериодный удвоитель напряжения.

Двухполупериодный удвоитель напряжения представляет собой более сложную схему.

Утроитель напряжения состоит и однополупериодного удвоителя напряжения и выпрямителя.

Учетверитель состоит из пары однополупериодных удвоителей.

 

Список использованных источников

1. Березин О.К., Костиков В.Г., Шахнов  В.А. Источники электропитания РЭА.-М. Три Л. 2000. –400с.

2. Виноградов ЮА и др. Практическая  радиоэлектроника. Собрание схем, конструкций  и идей. М. 2000.

3. Интегральные микросхемы. Микросхемы  для линейных источников питания  и их применение. –М. ДОДЕКА, 1996., 288с.

4. Источники электропитания РЭА. Справочник. Г.С. Найвельт и др. Под  ред. Г.С. Найвельта. -М. Радио и связь. 1986 -576с. (можно использовать для  расчетов и понимания процессов  в ВИП).

5. Шрайбер Г. 300 схем источников  питания. М. ДМК. 2000 -224с.