Умножитель напряжения » Школа для электрика: электротехника и электроника

История создания

Принципиальная схема умножителя данного типа была разработана в 1919 году швейцарским физиком Генрихом Грейнахером.

В 1932 году в Британии был создан умножитель напряжения для использования его в качестве высоковольтного источника напряжения в ускорителе заряженных частиц, предназначенного для проведения эксперимента по искусственному расщеплению атомных ядер. В 1932 году такой же эксперимент впервые в СССР был проведен в Харьковском физико-техническом институте).

Удвоитель напряжения

Схема умножителя напряжения может выполняться в нескольких вариантах, одна принцип действия всех их заключается в следующем. В разные полупериоды переменного тока происходит поочередно зарядка нескольких конденсаторов, а суммарное напряжение на них превышает амплитудное значение на обмотке. Таким образом, за счет увеличения числа конденсаторов и, как далее будет видно, количества диодов, получают напряжение в несколько раз превышающее величину подведенного.

Теперь давайте рассмотрим конкретные примеры и схемные решения.

Схема двухполупериодного умножителя состоит из двух диодов и двух конденсаторов, подключенных со стороны вторичной обмотки трансформатора.

Пусть в начальный момент потенциалы на обмотке имеют такие знаки, что ток протекает от точки 1 к точке 2. Проследим дальнейший путь тока. Он протекает через конденсатор C2, заряжая его, и возвращается к обмотке через диод VD2. В следующий полупериод ЭДС во вторичной обмотке направлена от точки 2 к 1 и через диод VD1 происходит зарядка конденсатора C1 до того же значения, что и С2. Таким образом, за счет последовательного соединения двух конденсаторов C1 и C2 на сопротивлении нагрузки получается удвоенное напряжение.

Если измерить значение переменного напряжения на обмотке и постоянное на одном из конденсаторов, то они буде отличаться почти в 1,41 раза. Например при действующем значении на вторичной обмотке, равном 10 В, на конденсаторе будет приблизительно 14 В. Это поясняется тем, что конденсатор заряжается до амплитудного, а не до действующего значения переменного напряжения. А амплитудное значения, как известно в 1,41 раза выше действующего. К тому же мультиметром возможно измерить лишь действующие значения переменных величин.

Рассмотрим еще один вариант. Здесь для умножения напряжения используется несколько иной подход. Когда потенциал точки 2 выше потенциал т.1 под действием протекающего тока заряжается конденсатор С1, а цепь замыкается через VD2.

После изменения направления тока, вторичная обмотка W2 и конденсатор С1 можно представить, как два последовательно соединенные источника питания с равными значениями амплитуды, поэтому конденсатор С2 зарядится до их суммарного напряжения, т.е. на его обкладках оно будет в два раза больше, чем на выводах вторичной обмотки. Во время тога, как конденсатор С2 будет заряжаться, С1 наоборот, будет разряжаться. Затем все повторится снова.

Принцип работы

Для того чтобы представить себе как работает умножитель напряжения, рассматривается простейшая схема однополупериодного устройства, показанного на рисунке. Когда начинает действовать отрицательный полупериод напряжения, диод Д1 открывается и через него осуществляется зарядка конденсатора С1. Заряд должен сравняться с амплитудным значением подаваемого напряжения.

При наступлении периода с положительной волной происходит зарядка следующего конденсатора С2 через диод Д2. В этом случае заряд приобретает высокие удвоенные значения по сравнению с поданным напряжением. Далее наступает отрицательный полупериод, в течение которого до удвоенного значения заряжается конденсатор С3. Таким же образом, во время дальнейшей смены полупериода, выполняется зарядка конденсатора С4, вновь с удвоенным значением.

Для того чтобы запустить устройство, требуются полные периоды напряжения в количестве нескольких циклов, создающие напряжения на диодах. Величина напряжения, получаемая на выходе, состоит из суммы напряжений конденсаторов С2 и С4, соединенных последовательно и заряжаемых постоянно. В конечном итоге, образуется величина выходного переменного напряжения, которое в 4 раза превышает значение напряжения на входе. В этом и заключается принцип работы умножителя напряжения.

Самый первый конденсатор С1, полностью заряженный, имеет постоянное значение напряжения. То есть, он выполняет функцию постоянной составляющей Ua, применяемой в расчетах. Следовательно, можно и дальше наращивать потенциал умножителя, подключая дополнительные звенья, сделанные по тому же принципу, поскольку напряжение на диодах в каждом из этих звеньев будет равно сумме входного напряжения и постоянной составляющей. За счет этого получается любой коэффициент умножения с требуемым значением. Напряжение на всех конденсаторах, кроме первого будет равным 2х Ua.

Если в умножителе используется нечетный коэффициент, для подключения нагрузки используются конденсаторы, расположенные в верхней части схемы. При четном, наоборот, задействуются нижние конденсаторы.

Технические характеристики

На практике умножитель имеет ряд недостатков. Если в умножитель добавляется слишком много секций, напряжение в последних секциях будет ниже ожидаемого, в основном из-за ненулевого импеданса конденсаторов в нижних секциях. Практически невозможно питание умножителя непосредственно напряжением промышленной частоты, так как в этом случае требуются конденсаторы большой ёмкости, что сильно ухудшает массогабаритные показатели устройства. Пульсации выпрямленного тока также усиливаются, что в некоторых случаях неприемлемо. Обычно на вход напряжение подаётся с выхода высокочастотного высоковольтного трансформатора и повышается до нужной величины в умножителе.

Существуют умножители на напряжения от нескольких сотен вольт до нескольких миллионов вольт.

Использование

Умножители применяются во многих областях техники, в частности для электрической накачки лазера, в источниках высокого напряжения систем рентгеновского излучения, подсветке жидкокристаллических дисплеев, лампах бегущей волны, ионных насосах, электростатических системах, ионизаторах воздуха, ускорителях частиц, копировальных аппаратах, осциллографах, телевизорах и во многих других устройствах, где необходимо постоянное высокое напряжение с небольшой силой тока.

Умножители нашли свое применение в разных типах устройств

это: системы лазерной накачки, устройства излучения рентгеновской волны в их блоках высокого напряжения, для подсветки дисплеев жидкокристаллической структуры, насосах ионного типа, лампах бегущей волны, ионизаторах воздушной среды, системах электростатических, ускорителях элементарных частиц, аппаратах для копирования, телевизорах и осциллографах с кинескопами, а также там, где требуется высокое постоянное электричество небольшой силы тока.

Светотехника

Примером использования умножителя напряжения на четыре  является схема для бесстартерного запуска ламы дневного света (ЛДС), показанная на рис., которая состоит из двух удвоителей напряжения, включенных последовательно по постоянному току и параллельно по переменному.

Рис. Схема умножителя напряжения на четыре для бесстартерного запуска ламы дневного света.

Лампа зажигается без подогрева электродов. Пробой ионизированного промежутка «холодной» ЛДС происходит при достижении напряжения зажигания ЛДС на выходе УН. Поджиг ЛДС происходит практически мгновенно.

Зажженная лампа шунтирует своим низким входным сопротивлением высокое выходное сопротивление УН, конденсаторы которого в связи со своей малой величиной перестают функционировать как источники повышенного напряжения, а диоды начинают работать как обычные вентили.

2-обмоточный дроссель L1 (или два 1 -обмоточных) служит для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения. Падение напряжения питающей сети примерно равномерно распределяется на балластных конденсаторах С1, С2 и ЛДС, которые включены по переменному току последовательно, что соответствует нормальному рабочему режиму ЛДС.

При использовании в этой схеме ЛДС с диаметром цилиндрической части 36 мм зажигаются без каких-либо проблем, ЛДС с диаметром 26 мм зажигаются хуже, поскольку в связи с особенностями их конструкции напряжение зажигания даже новых ламп без подогрева накала может превышать 1200 В.

Телевидение

Известно, что выходной трансформатор строчной развертки (ТВС) является одним из напряженных узлов в телевизоре (ТВ). Как показывает эволюция развития схемотехники этого узла, с переходом от ламповых ТВ к цветным, в связи с увеличением мощности потребления от источника высокого напряжения (ток потребления черно-белого кинескопа с диагональю 61 см по второму аноду порядка 350 мкА, а цветного — уже 1 мА!), конструкторы ТВ постоянно искали пути повышения его надежности.

Схемотехнические решения получения высокого напряжения для питания второго анода кинескопа, которые использовались во всех моделях ламповых ТВ, имели место лишь в первых модификациях УЛПЦТ, а затем вместо повышающей обмотки ТВС (практически равной по числу витков анодной ) стали применять УН, которые по своей электрической прочности, а значит, и надежности значительно превышали аналогичные параметры намоточного узла.

Рис. 6. Схема умножителя напряжения с утроением, из телевизора Юность.

УН практически сразу же начали использовать в отечественных черно-белых переносных ТВ. К примеру, в ТВ «Юность 401» применена схема УН с утроением напряжения, показанная на рис.6.

При реализации практических схем УН имеет значение, с какой точкой схемы УН (1 или 2, рис.3) будет соединен «общий» провод схемы, в которой он будет использоваться, т.е. «фазировка» УН. В этом нетрудно убедиться с помощью осциллографа.

При проведении измерений на ненагруженном УН (рис.3) видно, что на нечетных звеньях величина переменной составляющей почти равна питающему напряжению, а на четных она практически отсутствует.

Поэтому при использовании в реальных конструкциях напряжений только с четных или только с нечетных звеньев умножения этот факт следует учитывать, подключая УН к источнику питания соответствующим образом.

Например, если «общий» провод (рис.3) соединен с точкой 2, то рабочие напряжения снимают с четных звеньев, если с точкой 1 — с нечетных.

При использовании одновременно четных и нечетных звеньев одного УН для получения постоянного напряжения от звена, в котором присутствует переменная составляющая, необходимо (особенно при емкостной нагрузке) между звеном умножителя и нагрузкой включить (рис.7) еще одно звено (диод и конденсатор).

Диод (VDd) в этом случае будет предотвращать замыкание через нагрузку переменной составляющей, а конденсатор (Cdf) выполнять функцию фильтра. Естественно, что конденсатор Cdf должен иметь рабочее напряжение, равное полному постоянному выходному напряжению.

Рис. 7. Включение еще одного звена к умножителю напряжения.

Не следует также забывать и об отрицательном влиянии на надежность работы многозвенных УН утечек, которые всегда имеются в радиоэлементах и материалах при их работе под большими напряжениями, что накладывает определенные ограничения на реально достижимую величину выходного напряжения.

Практический вариант схемотехники УН с умножением на три показан на рис.6; на четыре — на рис.4; на пять — на рис.8, рис.9; на шесть — на рис.10.

Рис. 8. Схема умножителя напряжения с умножением на четыре.

Рис. 9. Схема умножителя напряжения с умножением на пять.

Рис. 10. Схема умножителя напряжения с умножением на шесть.

В данной статье рассмотрена только часть схемотехники УН, применявшейся ранее и используемой в настоящее время в бытовой технике и радиолюбительском конструировании. Некоторые разновидности схемотехники УН, принципы работы которых аналогичны рассмотренным, опубликованы.

В литературе и в общении с радиолюбителями часто приходится встречать путаницу касательно УН в терминах. К примеру, утверждается, что если на УН нанесена маркировка 8.5/25-1,2 или 9/27-1,3, то это утроитель напряжения. По схемотехнике эти УН являются умножителями на пять.

Маркировка несет информацию только о том, что при подаче на вход УН напряжения с амплитудой 8,5 кВ он обеспечивает получение на его выходе среднего значения постоянного (положительного) напряжения 25 кВ (при токе, потребляемом его нагрузкой, порядка 1 мА), т.е. маркировка говорит только о его входных и выходных параметрах.

Для получения высокого напряжения в ТВ используется импульсное напряжение, возникающее во вторичной обмотке ТВС во время обратного хода луча, следующее с частотой 15625 Гц, с длительностью (положительного) импульса около 12 мкс и скважностью около пяти.

При большом коэффициенте умножения значительную величину составляет также падение напряжения в прямом направлении на выпрямительных столбах, каковыми являются выпрямители УН. Например, для столба 5ГЕ600АФ, при работе его в качестве единичного выпрямителя, падение напряжения в прямом направлении составляет 800 В!

Из вышесказанного следует, что элементы УН к тому же служат для питающего импульсного напряжения также и интегрирующей цепью, снижающей относительно входного напряжения величину среднего значения постоянного напряжения (при токе нагрузки 1 мА) до величины приблизительно 5 кВ на одно звено. Именно эти факторы и являются основными, оказывающими влияние на величину выходного напряжения УН, а не примерная арифметика.

Исторически применение в качестве выпрямителей в первых образцах УН для ТВ селеновых диодов было определено достигнутым на тот момент уровнем технологии, их низкой себестоимостью, а также мягкой электрической характеристикой, позволяющей включать последовательно практически неограниченное количество диодов.

Очевидно, что селеновые выпрямители в связи с большим внутренним сопротивлением лучше, чем кремниевые, переносят кратковременные перегрузки. По мере совершенствования технологии изготовления кремниевых диодов в УН ТВ стали применять кремниевые столбы типа КЦ106.

При ремонтах ТВ даже предварительная оценка возможного наличия дефектов в выпрямительных элементах УН авометром невозможна. Физический смысл этого явления заключается в том, что для открывания одного кремниевого диода к нему необходимо приложить в прямом направлении разность потенциалов порядка 0,7 В.

Если, к примеру, вместо столба КЦ106Г использовать эквивалент из отдельно взятых диодов КД105Б (иобр=400 В), то для получения обратного напряжения 10 кВ потребуется цепочка из 25 последовательно включенных диодов, в результате чего необходимое напряжение для их открывания составит 17,5 В, а авометр позволяет приложить только 4,5 В!

Единственное, что можно однозначно констатировать после измерения УН авометром, — при проверке исправного УН стрелка омметра не должна отклоняться при измерении сопротивления между любыми его электродами.

Простое решение для предварительной проверки на работоспособность элементов УН методом вольтметра было предложено. Суть предложения заключается в использовании для этой цели дополнительного источника (A1) постоянного напряжения (ИПН) 200…300 В и авометра, работающего в режиме вольтметра постоянного тока на пределе 200.300 В. Измерения производят следующим образом.

Авометр включают (рис.11) последовательно с одноименным полюсом ИПН и испытываемым выпрямительным столбом или УН. Алгоритм проверки.

Рис. 11. Схема включения авометра к выпрямительному столбу.

Если при измерении диода в противоположных направлениях показания вольтметра:

• существенно различаются, то он исправен;
• равны максимальному напряжению ИПН, то он пробит;
• малы, то он оборван;
• промежуточные величины говорят о наличии в нем значительных утечек.

Пригодность элементов испытываемого выпрямителя определяются эмпирически для конкретной марки статистическим методом сравнения с величинами падения напряжений, полученных практически при измерениях в прямом и обратном направлении исправного, аналогичного по марке столба или диода УН.

Радиолюбителям, которые занимаются ремонтом телевизионной техники на дому у заказчика, для предварительной проверки на работоспособность элементов УН методом вольтметра удобнее (исходя из массогабаритных размеров) использовать схему, показанную на рис.12 и предложенную в [12], которая питается через токоограничительные конденсаторы от сети 220 В.

Рис. 12. Схема питания с токоограничительными конденсаторами.

Схема хорошо зарекомендовала себя на практике, а по схемотехнике является выпрямителем с удвоением напряжения. Алгоритм измерений тот же. Эту же схему можно использовать и для устранения некоторых типов межэлектродных замыканий («прострела») в кинескопе.

Довольно часто спрашивают, можно ли вместо УН8.5/25-1,2 устанавливать УН9/27-1,3? Совет один: можно, но осторожно! Все зависит от остроты возникшей проблемы и модификации телевизора. Для сравнения рассмотрим схемы

УН8.5/25-1,2 (рис.8) и УН9/27-1,3 (рис.9). Из схем УН видно, что в принципе прямая замена возможна, а обратная нет, так как они имеют разное количество входящих радиокомпонентов.

Поэтому при установке УН9/27-1,3 в ТВ УЛПЦТ поступают следующим образом: замыкают между собой выводы входа для импульсного напряжения и вывода «V»; провод от ТВС припаивают к соответствующему входу УН9/27; провод со знаком «земля» подсоединяют по кратчайшему расстоянию ко второму контакту ТВС; провод, идущий к варистору фокусировки, подсоединяют к выводу «+F», причем штатный конденсатор фильтра фокусировки С23* (согласно заводской схеме на ТВ) можно отключить, поскольку его функцию может выполнить конденсатор С1 (рис.10), который установлен внутри УН. К выводу «+» подсоединяют высоковольтный провод с «присоской» и ограничительным резистором Rф.

Получившееся в результате такой замены некоторое улучшение качества изображения на экране ТВ говорит совсем не о том, что это результат замены!

Причина заключается прежде всего в том, что в УН9/27-1,3 в качестве вентилей использованы кремниевые столбы типа КЦ106Г, падение напряжения на которых в прямом направлении (как упоминалось ранее) существенно меньше, чем на столбах типа 5ГЕ600АФ, которые входят в состав УН 8.5/25-1,2.

Именно на величину этой разницы и возрастает напряжение на выходе УН, а значит, и на втором аноде кинескопа, что и наблюдается визуально как увеличение яркости!

Кроме того, в ТВ УЛПЦТ при установке УН9/27-1,3 необходимо заменить штатную «присоску» с установленным внутри нее высоковольтным резистором 4,7 кОм Rф) «присоской» от ТВ 3УЦСТ с резистором 100 кОм. Rф выполняет три функции: является частью звена сглаживающего RC-фильтра для цепи высокого напряжения, образованного им и емкостью ак-вадага кинескопа Са (рис.9, 10), а также защитным резистором по постоянному току, ограничивающим его величину в цепи УН при случайных кратковременных межэлектродных пробоях внутри кинескопа (что в старых кинескопах происходит весьма часто и непредсказуемо).

Он же является и «сгорающим предохранителем», защищающим ТВС при пробое диодов УН, когда переменное напряжение, поступающее от ТВС, практически замыкается на корпус через Са, величина реактивного сопротивления которой для токов строчной частоты достаточно мала.

Поэтому следует иметь в виду, что значительно меньшая величина суммарного внутреннего сопротивления УН9/27-1,3 при малой величине (или отсутствии по тем или иным причинам) Rф в случаях замены УН нежелательна, поскольку может привести при появлении вышеуказанных неисправностей как к выходу из строя ТВС, так и к возгоранию самого ТВ.

Суть «ремонта» заключается в высверливании с помощью сверла диаметром 6 мм вышедшего из строя VD1 (рис.9) и замену его диодом, расположенным снаружи Ун.

Из неработоспособных в ТВ УН при определенном навыке и аккуратности можно «добыть» (если повезет) высоковольтные конденсаторы, которые могут еще послужить для срочного ремонта ТВ модификаций УЛПЦТИ или УПИМЦТ или для экспериментов с другими конструкциями.

Для этого вначале аккуратно разбивают молотком корпус УН и освобождают от компаунда корпуса конденсаторов, а затем отделяют последовательным откалыванием с помощью боко-резов их выводы от взаимных соединений и остатков компаунда. Практические разборки трех экземпляров каждой марки УН показали, что в УН8/25-1,2 конденсаторы имеют на корпусе маркировку К73-13 2200×10 кВ.

В УН9/27-1,3 (рис.10), который по сравнению с УН8/25-1,2 имеет большее число элементов, но меньшие габаритные размеры, использованы конденсаторы (судя по технологии изготовления и материалу, из которого они изготовлены) того же типа (маркировка на корпусах не нанесена), которые конструктивно выполнены в виде трехвыводной (диаметром 16 мм) сборки (С2, С4 — рис.10) из конденсаторов емкостью по 1000 пФ, и четырехвыводной (С1, С3, С5 — рис.10) сборки диаметром 18 мм. Причем С1 имеет емкость 2200 пФ, а С3, С5 — по 1000 пФ. Обе сборки имеют длину 40 мм.

Медицина

Одним из «экзотических» примеров применения УН в медицинской аппаратуре является его использование в конструкции электроэффлювиальной люстры (ЭЛ), которая предназначена для получения потока отрицательных ионов, оказывающих благоприятное воздействие на дыхательные пути человека.

Для получения высокого отрицательного потенциала для излучающей части генератора аэроионов использован УН с отрицательным выходным напряжением. Из-за достаточно большого объема вспомогательной информации рекомендации по конструкции и применению ЭЛ выходят за рамки настоящей статьи, поэтому ЭЛ упомянута только информативно.

Умножитель напряжения на диодах и конденсаторах

При изготовлении электронных устройств, в частности блоков питания, в некоторых случаях возникает необходимость иметь выпрямленное напряжение большей величины, чем на клеммах вторичной обмотке трансформатора или в розетке 220 В.

Например, после выпрямления сетевого напряжения 220 В на фильтрующем конденсаторе при очень малой нагрузке можно получить максимум амплитудное значение переменного напряжения 311 В. Следовательно конденсатор зарядится до указанного значения.

Однако применяя умножитель напряжения можно повысить его до 1000 В и более.

Однополупериодный умножитель

На рис.1 приведена схема однополупериодного последовательного умножителя.

В течение отрицательного полупериода напряжения происходит зарядка конденсатора через диод , который открыт. Конденсатор заряжается до амплитудной величины приложенного напряжения . В течение положительного полупериода заряжается конденсатор через диод до разности потенциалов . Далее в отрицательный полупериод конденсатор заряжается через диод до разности потенциалов . В очередной положительный полупериод конденсатор заряжается до напряжения . При этом умножитель запускается за несколько периодов изменения напряжения. Напряжение на выходе постоянное и оно является суммой напряжений на конденсаторах и , которые постоянно заряжаются, то есть составляет величину, равную .

Обратное напряжение на диодах и рабочее напряжение конденсаторов в таком умножителе равно полной амплитуде входного напряжения

При практической реализации умножителя следует обращать внимание на изоляцию элементов, чтобы не допускать коронного разряда, который может вывести прибор из строя. Если необходимо изменить полярность напряжения на выходе, то меняют полярность диодов при соединении

Последовательные умножители применяют особенно часто, так как они универсальны, имеют равномерное распределение напряжения на диодах и конденсаторах. С их помощью можно реализовать большое количество ступеней умножения.

Применяют, также параллельные умножители напряжения. Для них необходима меньшая емкость конденсатора на одну ступень умножения. Но, их недостатком считают увеличение напряжения на конденсаторах с ростом количества ступеней умножения, что создает ограничение в их использовании до напряжения выхода около 20 кВ. На рис. 2 приведена схема однополупериодного параллельного умножителя напряжения.

Для того чтобы рассчитать умножитель следует знать основные параметры: входное переменное напряжение, напряжение и мощность выхода, необходимые размеры (или ограничения в размерах), условия при которых умножитель будет работать. При этом следует учесть, что напряжение входа должно быть менее чем 15 кВ, частота от 5 до 100 кГц, напряжение выхода менее 150 кВ. Температурный интервал обычно составляет -55. Обычно мощность умножителя составляет до 50 Вт, но встречаются и более 200 Вт.

Для последовательного умножителя, если частота на входе в умножитель постоянна, то выходное напряжение вычисляют при помощи формулы:

где — входное напряжение; – частота напряжения на входе; N – число ступеней умножения; C – емкость конденсатора ступени; I – сила тока нагрузки.

Умножитель напряжения многократный

Процессы в схеме утроения напряжения протекают в такой последовательности: сначала заряжаются конденсаторы С1 и С3 через сопротивление R и соответствующие диоды VD1 и VD3. В следующий полупериод С2 через VD2 заряжается до удвоенного напряжения (С1 + обмотка) и на сопротивлении нагрузки получается утроенное значение.

Больший интерес имеет следующий умножитель напряжения. Рассмотрим принцип его работы. Когда потенциал точки 1 положителен относительно точки 2 ток протекает по пути через VD1 и С1 заряжая конденсатор.

В следующий полупериод, когда ток изменил свое направление, заряжается второй конденсатор через второй диод до величины, равного сумме напряжений на С1 и обмотке трансформатора. При этом С1 разрядится. В третий полупериод, когда первый конденсатор снова начнет заряжаться, С2 через третий диод разрядится на С3, зарядив его до двойного значения относительно выводов обмотки.

К концу третьего полупериода на нагрузку будет подано суммарное напряжение заряженных конденсаторов С1 и С3, т. е. примерно утроенное значение.

Если данную схему применить без трансформатора, непосредственно подключить к 220 В, то на выходе получим приблизительно 930 В.

По аналогии с рассмотренными схемами могут быть построены схемы с большей кратностью умножения. Но следует помнить, что с увеличением числа умножений по причине большего содержание в схеме диодов и конденсаторов возрастает внутренне сопротивление выпрямителя, что приводит к дополнительной просадке напряжения.

Схемы с умножением напряжения применяются для питания малой нагрузки, т.е. сопротивление нагрузки должно быть высоким. В противном случае нужно использовать неполярные конденсаторы большой емкости, рассчитанные на высокое напряжение. Это связано с тем, что при значительном токе нагрузки конденсаторы будут быстро разряжаться, что вызовет недопустимо большие пульсации на нагрузке.

Изготавливая умножитель напряжения, следует всегда помнить о том, что конденсаторы и диоды должны быть рассчитаны на соответствующие напряжения.

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!

Схема удвоителя напряжения
(двухполупериодный)

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.

Работа схемы

На схеме изображён универсальный умножитель с произвольным количеством каскадов. То есть берём число каскадов для создания необходимого нам напряжения. Примерно Uвых = n*Uвх.

При отрицательной полуволне Uвх заряжается конденсатор С1 до амплитудного значения Uвх через диод D1. При положительной полуволне заряжается конденсатор С2 через диод D2, но поскольку конденсатор С1 уже заряжен, то он будет выполнять роль дополнительного источника питания и поскольку он оказывается включённым последовательно с основным источником питания, то конденсатор С2 зарядится уже до удвоенного амплитудного значения напряжения Uвх.

Таким же образом работают и последующие ступени умножителя, снимается же выходное напряжение Uвых с последовательно соединённых конденсаторов с чётными (по схеме) номерами. Соответственно результирующее напряжение Uвых будет равно сумме напряжений на чётных конденсаторах.

Расчёт умножителя напряжения

Для расчёта умножителя нужно знать ток нагрузки (Iн), требуемое выходное напряжение (Uвых) и желаемый коэффициент пульсаций (Кп).

Минимальная ёмкость конденсаторов (в мкФ) рассчитывается по упрощённой формуле:

С(n) = 2,85*n*Iн/(Кп*Uвых), где

n—кратность умножения Uвх в В;
Iн — ток нагрузки в мА;
Кп — коэффициент пульсаций выходного напряжения в процентах;
Uвыx—выходное напряжение в В.

Ёмкость первого конденсатора С1 нужно увеличить в 2-3 раза от расчётной ёмкости других конденсаторов, иначе полное напряжение на выходе схемы появится через несколько периодов входного напряжения. Если это не важно для работы нагрузки, то можно поставить конденсатор такой же ёмкости, как и остальные.

Для примера скажу, что коэффициент пульсаций считается отличным при значении 0,1% и меньше, хорошим при значении 1 — 3%. Если коэффициент не важен, то примите его равным 100.

Максимальный ток, протекающий через диоды будет равен удвоенному току нагрузки.

Также умножитель можно рассчитать более точно по следующей формуле:

Uвых = n* Uвх — (Iн*(n3 + 9*n2/4 + n/2 )/(12 *f* C) ), где

Iн — ток нагрузки в А;
n — кратность умножения;
f — частота входного напряжения в Гц;
С — емкость конденсатора в Ф.

Детали умножителя

Сложно назвать конкретные типы и номиналы деталей не зная требуемых параметров умножителя, поэтому рассмотрю детали для умножителя со средними показателями, питающегося от сети переменного тока 220В.

Конденсаторы лучше всего брать с минимальным током утечки, например серии К73.  Рабочее напряжение конденсаторов должно быть для Uвх=220В: С1 — не ниже 300В, С2-Сn — не ниже 600В. Ёмкость конденсаторов порядка 0,1 — 1 мкФ.

Диоды можно взять, например, КД411 или КД226Г(Д,Е). Ток нагрузки в этом случае может быть до 1А.

Будьте крайне осторожны при эксплуатации данной схемы, опасное напряжение остаётся на конденсаторах даже после отключения умножителя от источника питания.

Изготовление удвоителя напряжения

Припаиваем конденсаторы последовательно друг к другу: плюс к минусу.
Также припаиваем диоды последовательно друг к другу: анод к катоду. И спаиваем эти две пары паралельно друг другу.

Подключаем наш удвоитель к трансформатору.
Значение переменного напряжение с которого равно примерно 11,5 В. А с выхода удвоителя уже выходит примерно 30 В постоянного напряжения.
Для тех кто не понял как 11,5 В превратились в 30 поясняю: 11,5 В это переменное напряжение которое измеряется по среднеквадратическому значению. После выпрямления оно бут равно примерно 14,4 В. А после удвоения примерно 29-30 В, учитывая погрешность измерения и отсутствие нагрузки.
При использовании данной схемы, так же учитывайте, что ток на трансформатор также удваивается. И если нагрузка потребляет примерно 0,2 Ампер, ток на низковольтной обмотке трансформатора будет равен 0,4 Ампер.