Умножитель напряжения
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.
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.
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.
Источник
Опасное развлечение: простой генератор высокого напряжения Кокрофта-Уолтона
Добрый день, уважаемые хабровчане.
Этот пост будет небольшим и не очень обучающим, но может быть кому-нибудь покажется интересным. В нем я расскажу вам, как сделать очень маленький, полностью SMD-шный и легко масштабируемый генератор Кокрофта-Уолтона, или попросту умножитель напряжения, который на вход получает переменные N вольт, а на выходе выдает постоянные x*N вольт, где x — число ступеней.
Предупреждаю: так как на выходе стоят конденсаторы (собственно, как и на входе, кроме конденсаторов и диодов в нем ничего и нет), удар тока, скорее всего, окажется для вас смертельным. Собирайте схему на ваш страх и риск и только в том случае, если понимаете, что делаете. Я не несу никакой ответственности за вашу жизнь, здоровье и психику.
Не испугались? Тогда идем дальше.
Предыстория и предпосылки
Собственно, предыстория очень простая — этот генератор высокого напряжения — один из самых простых схемотехнически, не содержит огромных катушек, в отличие от Трансформатора Теслы и весьма легок в сборке. Результаты, конечно, тоже менее впечатляющие, чем у Теслы — на выходе мы имеем не высокое напряжение большой частоты, а просто высокое напряжение. Поэтому, во-первых, красивых коронных разрядов можно не ждать, а во-вторых, в отличие от Теслы, разряд генератора Кокрофта-Уолтона лишен скин-эффекта, поэтому, вероятнее всего, смертелен. Следует соблюдать большую осторожность.
В общем, когда-то я собрал себе умножитель по традиционной схеме (рассмотрим чуть позже), из больших конденсаторов и диодов, который выглядел вот так:
Было в нем 15 ступеней, конденсаторы на 400В х 0.1 мкФ и диоды на 1000В х 1А. Для того, чтобы его запитать, я собрал небольшой инвертер из валявшегося под рукой трансформатора 220В->6В, который, судя по искре, выдавал на выходе больше киловольта, из-за чего постоянно вылетали диоды (конденсаторы оказались более живучими, но изредка помирали и они).
Искра на выходе была около 5 мм, легко пробивала бумагу и звучала как выстрел из пистолета с пистонками (думаю, у многих в детстве такой был. ).
Чтобы добиться более впечатляющих результатов, нужно было наращивать число ступеней, что, при такой конструкции, мне совершенно не хотелось делать — колбаса из конденсаторов и так была слишком большой. В общем, поразвлекавшись с пробиванием бумажек, я забросил свой умножитель.
Но спустя пару лет увидел в магазине smd.ru просто потрясающие, на мой взгляд, конденсаторы. Тем, кто работает с такими каждый день, как мой друг Aregus, они, конечно, были не в новинку. Но для меня SMD-конденсатор, рассчитанный на 1000В и 0.1 мкФ, после здоровенных 400В кондеров из моего старого умножителя показались просто чудом. Поэтому я не сдержался и развел небольшую плату умножителя.
Если посмотреть видео на youtube по запросу Cockcroft–Walton generator, можно найти, конечно, куда более зрелищные результаты с многокиловольтным выходом. Однако все они собраны на здоровенных кондерах для монтажа в отверстия и, чаще всего, точно так же висят в воздухе, как мой первый генератор. Я разводил свою плату так, чтобы она была:
1) маленьких размеров
2) полностью SMD
3) легко масштабируемой.
В итоге получилась плата размером 35х45 мм, с креплениями по углам под стандартную стойку. На плате расположено 10 ступеней, максимальное входное напряжение — до 500В. Плата выдерживает и больше, но тогда периодчески умирают диоды. Если брать напряжение пробоя воздуха в 30 КВ/см, то максимум, что она выдавала — несколько разрядов в 10-15 КВ, после чего выбивало один из диодов. При работе в номинальном режиме такого, разумеется не происходит — ее можно запитать, например, от 220В, получив на выходе около 3111В без ущерба для ее компонентов. И, самое главное — можно легко сделать десяток таких плат, составить из них башню, пользуясь стойками, и получить умножитель в 100 раз.
Рассмотрим схемотехнику платы.
Железо
Схемотехнически плата очень простая.
Это типовая схема генератора Кокрофта-Уолтона, умножителя напряжения, которая хорошо описана в википедии.
Также там описан механизм его работы:
Благодаря диодам, конденсаторы по очереди заряжаются до удвоенного напряжения питания, соответственно на выходе имеем напряжение, возросшее в N раз, где N — количество конденсаторов в цепи. Разумеется, конденсаторы следует подбирать так, чтобы они выдерживали это самое удвоенное напряжение, поэтому, т.к. конденсаторы в схеме рассчитаны на 1000В, максимум что можно подать на них не боясь отказа — 500В. Для ровного счета я взял 10 ступеней.
Верхняя сторона
нижняя сторона
Можно было, в принципе, уменьшить размеры еще сильнее, но я решил не мельчить, чтобы ненароком не пробило где не надо.
Дорожки специально делал потолще, т.к. недостатка в площади в силу предыдущего пункта не испытывал. В общем, плату легко изготовить ЛУТом или фоторезистивным методом в домашних условиях.
Но т.к. мне все равно нужно было заказывать несколько плат по работе, я разместил на той же заготовке три модуля умножителя, благо они почти не занимали места.
Результаты
В результате с производства мне приехала вот такая замечательная плата:
В уже упомянутом магазине я закупил 10 конденсаторов и 10 диодов (на самом деле несколько больше, с запасом, и не зря — я все-таки не удержался и запитал умножитель от своего инвертора, напряжение на выходе которого явно выше того, на которое рассчитаны конденсаторы и диоды, в результате чего мне выбило входной диод через три-четыре разряда).
После сборки получаем вот такой модуль:
Он же в окружении моего старенького инвертора изображен на самой первой фотографии статьи.
Я долго не решался подключить его к 220 вольтам — видимо, сказывалось то, что я цифровик и ни разу не высоковольтник.
Очень не хотелось застрелиться из генератора, который сам собрал, в день своего двадцатипятилетия. Но в итоге я все-таки пересилил себя и запитал модуль от розетки, включив последовательно с чайником, который выступал в роли токоограничительного сопротивления — при мощности чайника в 1 КВт максимальный ток, который бы потек, в случае КЗ в схеме был бы не более 4.5А.
К счастью, схема заработала с первого раза в силу своей простоты.
Ниже привожу видео работы. К сожалению, моя камера не может запечатлеть нормально недлинные, но яркие разряды и нормально захвать сопутствующий звук. Зато, если смотреть в HD, хорошо видно как разряды насквозь пробивают бумажку.
Для тех, кто не хочет ради этого смотреть видео в HD — фото пробитой бумажки (пробито много раз в верхнем правом углу):
Кстати, на видео, наверное, незаметно, но в живую ясно видно, что когда между электродами вставлена бумажка, искра приобретает красноватый оттенок — видимо, из-за прогорающего вещества.
В целом конденсаторы и диоды обошлись мне рублей в 200-300 (по 15 штук и тех и тех), сейчас уже не помню точно, а на сайте цену не пишут.
Производство платы мне обошлось в 2600 рублей в московском Резоните. Но следует помнить, что, во-первых, в заказе было шесть плат, только три из которых — платы умножителя. Суммарный размер заготовки был около 100х200 мм.
А во-вторых, из этих 2600 рублей 1800 стоила подготовка к производству и 350 — доставка, так что сами платы вышли очень даже дешево. Думаю, найдется множество несогласных, но при такой цене на платы, у меня просто рука не поднимается возиться с их изготовлением дома — теперь я предпочитаю отработать по максимуму на макетках, накопить несколько различных плат, после чего заказать их все разом.
В дальнейших планах дозаказать-таки десяток таких плат и собрать башню на 30+ киловольт.
На этом у меня все, берегите себя и осторожнее с высоким напряжением.
Источник
Умножитель напряжения
После того как на рынке электроники появились миниатюрные конденсаторы, имеющие большую емкость, стало возможным использование в электронных схемах методики, связанной с умножением напряжения. Для этих целей разработан – умножитель напряжения, основой которого являются диоды и конденсаторы, подключенные в определенном порядке.
Общие сведения об умножителях напряжения
Суть работы умножителя заключается в преобразовании переменного напряжения, получаемого из низковольтного источника, в высокое напряжение постоянного тока. Есть разные варианты данных приборов такие как, умножитель напряжения Шенкеля и другие схемы, проектируемые для конкретной аппаратуры.
В электронике к умножителям напряжения относятся специальные схемы, с помощью которых уровень входящего напряжения преобразуется в сторону увеличения. Одновременно эти устройства выполняют еще и функцию выпрямления. Умножители применяются в тех случаях, когда нежелательно использовать в общей схеме дополнительный повышающий трансформатор из-за сложности его устройства и больших размеров.
В некоторых случаях трансформаторы не могут поднять напряжение до требуемого уровня, поскольку между витками вторичной обмотки может случиться пробой. Данные особенности следует учитывать при решении задачи, как сделать различные варианты удвоителей своими руками.
В схемах умножителей обычно используются свойства и характеристики однофазных однополупериодных выпрямителей, работающих на емкостную нагрузку. В процессе работы этих устройств между определенными точками создается напряжение с величиной, превышающей значение входного напряжения. В качестве таких точек выступают выводы диода, входящего в схему выпрямителя. При подключении к ним еще одного такого же выпрямителя, получится схема несимметричного удвоителя напряжения.
Таким образом, каждый умножитель напряжения как повышающее устройство может быть симметричным и несимметричным. Кроме того, все они разделяются на категории первого и второго рода. Схема симметричного умножителя представляет собой две несимметричные схемы, соединенные между собой. У одной из них происходит изменение полярности конденсаторов и проводимости диодов. Симметричные умножители имеют лучшие электрические характеристики, в частности выпрямляемое напряжение обладает удвоенной частотой пульсаций.
Различные типы таких приборов повсеместно используются в электронной аппаратуре и оборудовании. С помощью этих устройств появилась возможность осуществлять умножение и получать напряжение в десятки и сотни тысяч вольт. Сами умножители напряжения отличаются незначительной массой, малыми габаритами, они просты в изготовлении и дальнейшей эксплуатации.
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.
Примерный расчет схемы умножителя
Перед тем как начинать расчет, задаются основные характеристики устройства. Это особенно важно, когда необходимо изготовить умножитель напряжения своими руками. В первую очередь, это значения входного и выходного напряжения, мощность и габаритные размеры. Следует учитывать и некоторые ограничения, касающиеся параметров напряжения. Его величина на входе должна быть не более 15 кВ, границы диапазона частоты составляют от 5 до 100 кГц.
Рекомендуемое значение выходного высоковольтного напряжения – не выше 150 кВ. Величина выходной мощности умножителя напряжения составляет в пределах 50 Вт, хотя можно создать устройство и с более высокими параметрами, в котором мощность достигает даже 200 Вт.
Выходное напряжение находится в прямой зависимости с токовыми нагрузками и его можно рассчитать с помощью формулы: Uвых = N х Uвх – (I (N3 + +9N2 /4 + N/2)) / 12FC, в которой N соответствует количеству ступеней, I – токовой нагрузке, F – частоте напряжения на входе, С – емкости генератора. Если заранее задать требуемые параметры, данная формула поможет легко рассчитать, какая емкость должна быть у конденсаторов, применяемых в схеме.
Что такое инвертор напряжения
Схема однополупериодного выпрямителя
Схема стабилизатора напряжения
Индикатор напряжения на светодиодах: схема, как сделать своими руками самодельный указатель напряжения в сети
Схема подключения стабилизатора напряжения в частном доме
Как сделать индикатор напряжения на светодиодах
Источник