Умножитель напряжения, принцип работы, примеры схем
Введение
Умножитель напряжения — это электронная схема, предназначенная для преобразования переменного напряжения (AC) низкого уровня в значительно более высокое постоянное напряжение (DC). В различных областях, от электроники до электротехники, умножители напряжения играют важную роль в создании стабильных и высоких уровней напряжения. Этот технический процесс имеет широкий спектр применения и является неотъемлемой частью многих электронных и электротехнических систем.
Умножитель напряжения позволяет повышать напряжение сигнала до значительно более высокого уровня, чем это возможно с использованием простых источников питания. Он является эффективным способом генерации высокого напряжения без необходимости в использовании больших и громоздких трансформаторов. Это делает его особенно полезным в ситуациях, когда требуется создание высокого напряжения с ограниченными ресурсами и пространством.
Принцип работы
Основными элементами схемы являются диоды и конденсаторы. Диоды работают как управляемые электрические клапаны, пропуская ток только в одном направлении. Они строго контролируют путь заряда конденсаторов, позволяя им заряжаться только в определенные полупериоды входного напряжения и блокируя их разряд обратно в источник или на предыдущие ступени. Конденсаторы выполняют двойную роль: они накапливают электрический заряд, полученный от источника через открытые диоды, и, будучи соединенными определенным образом, суммируют напряжения на своих обкладках.
Для понимания принципа работы умножителя рассмотрим на примере простейшего удвоителя напряжения. В течение первого полупериода входного напряжения (например, когда верхний вывод источника становится положительным) открывается первый диод. Ток через него заряжает первый конденсатор примерно до пикового значения входного напряжения. Второй диод в это время закрыт, не давая заряду уйти со второго конденсатора.
Когда наступает второй полупериод, полярность входного напряжения меняется (верхний вывод становится отрицательным). Первый диод закрывается, запирая первый конденсатор и не давая ему разрядиться. Теперь вступает в действие второй диод. Напряжение, уже накопленное на первом конденсаторе, складывается с «перевернутым» входным напряжением этого полупериода. Поскольку входное напряжение в этот момент достигает своего отрицательного пика, эквивалентного по величине положительному пику относительно другого вывода, суммарное напряжение в точке соединения диодов становится примерно равным удвоенному пиковому входному напряжению. Это высокое напряжение открывает второй диод, позволяя току течь и заряжать второй конденсатор уже до этого удвоенного значения. Именно это напряжение на втором конденсаторе и становится выходным постоянным напряжением схемы.
Важно: Постоянная смена полярности входного переменного напряжения критически важна, так как она поочередно открывает и закрывает диоды, направляя заряд по нужным цепям. Каждая последующая ступень в более сложных умножителях (утроителях, учетверителях) повторяет основной принцип: использует напряжение, накопленное предыдущими конденсаторами, складывает его с входным напряжением соответствующего полупериода и заряжает следующий конденсатор до еще более высокого уровня. Выходное напряжение в установившемся режиме приближается к величине, равной коэффициенту умножения (2, 3, 4 и т.д.), умноженному на пиковое входное напряжение, хотя на практике оно немного меньше из-за падения напряжения на диодах и потерь. Важно помнить, что выходное напряжение имеет пульсации, так как конденсаторы подзаряжаются только в определенные полупериоды, и схема наиболее эффективна при относительно малых токах нагрузки, так как при больших токах конденсаторы разряжаются сильнее между циклами подзаряда, снижая выходное напряжение и увеличивая пульсации.
Умножитель напряжения достигает своей цели через строго синхронизированное взаимодействие диодов и конденсаторов, управляемое входным переменным напряжением, что позволяет накапливать и суммировать заряды для получения высокого постоянного выходного напряжения.
Схемы умножителей напряжения
Умножитель напряжения представлен в различных вариантах схем. Два наиболее распространенных варианта — симметричный удвоитель и несимметричный удвоитель, обладают своими особенностями и применениями.
Симметричный удвоитель
Эта схема представляет собой симметричный удвоитель напряжения, в котором два мостовых плеча, образованные по паре диодов и ёмкостей, работают встречно-параллельно, обеспечивая на выходе относительно центральной точки два одинаковых по величине, но противоположных по полярности напряжения.
Когда переменное входное напряжение $U_{o}$ в положительную полуволну подаёт заряд на левый конденсатор $C_{1}$, диод $VD1$ открывается и передаёт пиковый заряд на верхний накопительный конденсатор $C_{2}$ через $VD2$. В этот момент на верхней шине формируется уровень примерно $+V_{\text{pk}}$.
В отрицательную полуволну нижний «зеркальный» конденсатор $C_{1}$ заряжается до того же пикового значения, а через нижний диодный тракт заряд проходит на нижний накопительный $C_{2}$, образуя уровень около $-V_{\text{pk}}$.
Центральная точка между «плюсовым» и «минусовым» конденсаторами $C_{2}$ служит общим (нулевым) выводом. В результате на выходе $U(n)$ мы имеем симметричную относительно нуля пару напряжений $+V_{\text{pk}}$ и $-V_{\text{pk}}$, а между крайними выводами — удвоенное значение переменной амплитуды входа, поскольку накопленные заряды обоих $C_{2}$ складываются.
Такая конструкция позволяет получить двойное напряжение без тяжёлых и дорогостоящих трансформаторов, а благодаря симметрии выходных конденсаторов она идеально подходит для питания мостовых схем и усилителей, требующих двуполярного питания.
Несимметричный удвоитель
В этой несимметричной схеме удвоителя напряжения два последовательно-соединённых звена работают по разному алгоритму: первое обеспечивает выпрямление и накопление базового уровня, второе — приращение дополнительного «скачка» на выход.
При положительной полуволне входного напряжения $U_{0}$ через конденсатор $C_{1}$ и диод $VD1$ заряжается первый накопительный конденсатор $C_{2}$ до пикового значения $V_{\text{pk}}$ относительно общего вывода. В этот момент потенциал узла $B$ поднимается до $+V_{\text{pk}}$, а на выходе между «плюсом» $C_{2}$ и общим — получается уровень примерно $+V_{\text{pk}}$.
В отрицательную полуволну узел $B$ опускается ниже нуля, и через диод $VD2$ дополнительный конденсатор $C_{3}$ заряжается суммированным напряжением: он видит на своём «левом» электроде потенциал $-V_{\text{pk}}$ (через развёрнутый диодный тракт) и на «правом» — смещённую точку $A$, что приводит к зарядке $C_{3}$ до величины порядка $2\,V_{\text{pk}}$. Диод $VD3$ при этом закрыт, и заряд хранится на $C_{3}$.
При следующей положительной полуволне потенциал узла $D$, соединённого с $C_{3}$, возрастает до $+2\,V_{\text{pk}}$, и через диод $VD(N)$ этот заряд передаётся на второй накопительный конденсатор $C(N)$, закрепляя на нём уровень около $2\,V_{\text{pk}}$. Узел $E$ становится выходным «плюсом» всей схемы, а общий вывод остаётся тем же, что и у $C_{2}$.
Удвоитель напряжения
На приведённом рисунке слева показан полуволновой (Villard) удвоитель: в положительную полуволну через верхний диод заряжается конденсатор $C_{1}$ до пикового значения $U_{\text{pk}}\approx U$, а в следующую отрицательную полуволну этот заряд вместе с отрицательным потенциалом источника суммируется на втором конденсаторе $C_{2}$, так что на его «плюсе» возникает уровень примерно $+U_{\text{pk}} + U_{\text{pk}} \approx 2\,U$.
Между крайними выводами схемы получается выходное напряжение, близкое к удвоенному значению входного.
Справа изображён полноволновой (Delon или мостовой) удвоитель: одна ёмкость заряжается в положительный полупериод, другая — в отрицательный, причём обе до величины $U_{\text{pk}}$ благодаря развязке диодов. Затем накопленные заряды последовательно соединяются между выходными шинами, давая на выходе постоянное напряжение порядка $2\,U$ с удвоенной амплитудой и более низкими пульсациями по сравнению с полуволновым вариантом.
Утроитель напряжения
Учетверитель напряжения
Умножители напряжения на 6,8
Удвоитель напряжения Латура-Делона-Гренашера
Диоды должны выдерживать напряжение до $3 \cdot U_1$(имеется в виду эффективное значение $U_1$), а конденсаторы — $1,5 \cdot U_1$, причем их емкость определяется по формуле:
C \, (\text{мкФ}) = \frac{100 \cdot I_2 \, (\text{мА})}{U_1 \, (\text{В})}
Трансформатор должен обеспечивать $5 \cdot I_2$.
Асимметричный
В этой асимметричной схеме удвоителя используется только две диод-конденсаторные ветви, но она по-разному «отрабатывает» положительную и отрицательную полуволны, создавая на выходе однополярное напряжение порядка $2V_{\text{pk}}$. При положительном полупериоде вторичной обмотки через диод $D1$ конденсатор $C1$ заряжается до амплитуды входного напряжения $V_{\text{pk}}$ относительно общего вывода. При следующей отрицательной полуволне точка $M$, соединённая с минусом $C1$, уходит в отрицательную область до примерно $-V_{\text{pk}}$, и через диод $D3$ заряжается второй конденсатор $C2$ также до $V_{\text{pk}}$, но уже «на смещённой» точке $M$. В итоге верхняя обкладка $C1$ оказывается при потенциале $V_{C1} — V_{\text{общ}} = V_{\text{pk}} — (-V_{\text{pk}}) = 2\,V_{\text{pk}}$, и именно этот вывод берётся на выходе схемы. Общий же вывод остаётся на потенциале минус вторичной обмотки. Такое устройство даёт удвоенное по амплитуде постоянное напряжение без развязки по середине, то есть «несимметрично» относительно общей шины.
Симметричный
Это схема симметричного удвоителя напряжения с «виртуальным» нулём, реализованная на двух конденсаторах и двух диодах без центрального отвода трансформатора.
При положительной полуволне вторичной обмотки через диод $D1$ конденсатор $C_{1}$ заряжается до пикового значения $V_{\text{pk}}$ относительно нижней шины (общего вывода). При отрицательной полуволне через диод $D3$ аналогичным образом заряжается конденсатор $C_{2}$, причём его нижняя обкладка «плавает» на потенциале близком к $-V_{\text{pk}}$ относительно общего вывода.
Поскольку оба конденсатора включены последовательно между «плюсом» и «минусом» схемы, их суммарное напряжение составит $U_{2}\approx V_{\text{pk}} + V_{\text{pk}} = 2\,V_{\text{pk}}$.
Точка соединения $C_{1}$ и $C_{2}$ автоматически оказывается на среднем потенциале и используется как «земля» (виртуальный ноль). Тогда между верхним выводом и виртуальной землёй будет $+\frac{U_{2}}{2}\approx +V_{\text{pk}}$, а между виртуальной землёй и нижним выводом $-\frac{U_{2}}{2}\approx -V_{\text{pk}}$.
Выходная шина схемы даёт пару симметричных относительно «нуля» напряжений $+\tfrac{U_{2}}{2} $и $-\tfrac{U_{2}}{2}$, причём полная разница между крайними выводами равна примерно $2\,V_{\text{pk}}$. Такая конструкция удобна, когда нужно получить двуполярное питание от однофазного источника без дополнительных обмоток.
Комбинированный умножитель напряжения
Эта схема снижает выходное сопротивление благодаря особому расположению конденсаторов, что позволяет увеличить переменное напряжение на них по сравнению с обычным. Соответственно, для каждой ступени требуется использовать конденсаторы, рассчитанные на увеличенные рабочие напряжения, что связано с пропорциональным возрастанием разности потенциалов.
Высокомощный умножитель напряжения
В умножителях напряжения, построенных по схеме двухполупериодного выпрямления, уровень пульсаций заметно снижается, а выходное сопротивление в четыре раза меньше по сравнению с однополупериодными аналогами.
Сфера применения
Сфера применения умножителей напряжения охватывает области, где требуется получить высокое постоянное напряжение из относительно низкого переменного входного, особенно в условиях ограничений по габаритам, весу или стоимости, и при умеренных токах нагрузки. Их ключевое преимущество — способность генерировать значительные напряжения без необходимости использования громоздких и дорогих высоковольтных трансформаторов или сложных импульсных преобразователей.
Наиболее характерно их использование в устройствах, питающих электронно-лучевые трубки (ЭЛТ), которые были основой старых телевизоров, мониторов и осциллографов. Здесь умножители надежно создавали анодные напряжения в десятки киловольт от сравнительно низковольтной обмотки строчного трансформатора. Эта же технология десятилетиями применялась в кинескопных телевизорах и дисплеях.
В современной электронике умножители находят применение в компактных высоковольтных источниках питания. Они востребованы в лазерах (особенно маломощных, например, в лазерных указках или измерителях уровня), ионизаторах воздуха, люстрах Чижевского, генераторах озона, а также в схемах питания фотоумножителей и некоторых типов детекторов излучения. Копировальные аппараты (ксероксы) и лазерные принтеры традиционно используют умножители для создания высокого напряжения, необходимого для переноса тонера на бумагу.
Важна их роль в научном и измерительном оборудовании, таком как масс-спектрометры, электронные микроскопы или детекторы частиц, где требуются стабильные высокие напряжения при малых токах. В медицинской аппаратуре умножители можно встретить в портативных рентгеновских установках или некоторых типах физиотерапевтических приборов.
Их также применяют в системах электростатической очистки воздуха или поверхностей, электростатических распылителях краски и даже в некоторых схемах защиты от насекомых (электрические мухобойки). Относительная простота конструкции делает их привлекательными для бытовых устройств, где нужен умеренный высокий вольтаж.
Однако выбор умножителя оправдан преимущественно там, где требуемый выходной ток невелик. При значительных нагрузках падение напряжения и пульсации становятся чрезмерными, а КПД снижается, делая более предпочтительными другие топологии преобразователей.
