Печатная плата умножителя напряжения

Печатная плата умножителя напряжения

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 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:

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 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. 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:

Источник

Печатная плата умножителя напряжения

Умножитель напряжения — схема выпрямителя особого типа, амплитуда напряжение на выходе которой теоретически в целое число раз выше, чем на входе. То есть, с помощью удвоителя напряжения можно получить 200 В постоянного тока из 100 В переменного тока источника, а с помощью умножителя на четыре — 400 В постоянного. Это если не учитывать падение напряжения на диодах (0,7В на каждом).

В реальных схемах любая нагрузка будет уменьшать полученное напряжение. Умножитель содержит в себе конденсаторы и диоды. Нагрузочная способность умножителя пропорциональна частоте, величине емкости входящих в его состав конденсаторов и обратно пропорциональна числу звеньев.

А теперь, к Вашему вниманию — «экспонаты» коллекции:

• Удвоитель напряжения Латура-Делона-Гренашера

Особенности: хорошая нагрузочная способность.

Несимметричный умножитель напряжения (Кокрофта-Уолтона)

Особенности: универсальность, низкая нагрузочная способность.

Генераторы Кокрофта-Уолтона применяются во многих областях техники, в частности, в лазерных системах, в источниках высокого напряжения, в системах рентгеновского излучения, подсветке жидкокристаллических экранов, лампах бегущей волны, ионных насосах, электростатических системах, ионизаторах воздуха, ускорителях частиц, копировальных аппаратах, осциллографах, телевизорах и во многих других устройствах, где необходимо одновременно высокое напряжение и постоянный ток.

• Утроитель, 1-й вариант

Особенности: хорошая нагрузочная способность.

Утроитель, 2-й вариант

Особенности: хорошая нагрузочная способность.

Утроитель, 3-й вариант

Особенности: хорошая нагрузочная способность.

Умножитель на 4, 1-й вариант

Особенности: симметричная схема, хорошая нагрузочная способность.

Умножитель на 4, 2-й вариант

Особенности: симметричная схема, хорошая нагрузочная способность.

Умножитель на 4, 3-й вариант

Особенности: симметричная схема, хорошая нагрузочная способность, две полярности относительно общей точки.

Умножитель на 5, 1-й вариант

Особенности: хорошая нагрузочная способность.

Умножитель на 6, 1-й вариант

Особенности: хорошая нагрузочная способность.

Умножитель на 6, 2-й вариант

Особенности: симметричная схема, хорошая нагрузочная способность, две полярности относительно общей точки.

Умножитель на 8, 1-й вариант

Особенности: симметричная схема, хорошая нагрузочная способность.

Умножитель на 8, 2-й вариант

Особенности: симметричная схема, хорошая нагрузочная способность, две полярности относительно общей точки.

Умножитель напряжения Шенкеля – Вилларда

Особенности: симметричная схема, превосходная нагрузочная способность, ступенчатое увеличение напряжения на каждом звене.

Умножитель со ступенчатой нагрузочной способностью

Особенности: нагрузочная характеристика имеет две области — область низкой мощности – в диапазоне выходных напряжений от 2U до U и область повышенной мощности – при выходном напряжении ниже U.

Выпрямитель с вольтодобавкой

Особенности: наличие дополнительного маломощного выхода с удвоенным напряжением питания.

Умножитель из диодных мостов

Особенности: хорошая нагрузочная способность. Одна из классических схем умножения напряжения в высоковольтных источниках питания для физических экспериментов. На рисунке изображен удвоитель напряжения, но число каскадов в умножителе может быть увеличено.

Источник

Печатная плата умножителя напряжения

Внимание, при сборке бестрансформаторных источников питания вы должны обязательно соблюдать технику безопасности и отдавать отчет всем своим действиям. Обязательно сделайте себе простейшее устройство для разряда электролитических емкостей. Я для этой цели использую малогабаритную лампу накаливания на 60Вт c щупами от тестера.

Корпус (шасси) усилителя, к которому будет подключаться бестрансформаторный источник питания, обязательно должен быть заземлён, а в электрощитовой обязательно должно быть установлено УЗО. Желательно там же установить реле напряжения, чтобы предотвратить превышение сетевого напряжения на входе умножителя, что может привести ко взрыву ёмкостей.

Так же, желательно использовать простейший светодиодный индикатор предпочтительного подключения фазы к умножителю напряжения. На входе и выходе умножителя необходимо по каждой цепи устанавливать предохранители, согласно расчётному току. Подавать сетевое напряжение на умножитель нужно с ограничением тока заряда ёмкостей. Я для этой цели использую цементный резистор 220Ом на 20Вт. После подачи напряжения, через несколько секунд включается обход резистора.

Предполагается, что вы знакомы с материалом И.Гончаренко, относительно принципа бестрансформаторного питания.

Воспользовался программой Electronics Workbrench Version 5.12 на предмет моделирования различных вариантов умножителей сетевого напряжения для КВ-усилителей мощности. Выкладываю несколько своих расчетов для разных нагрузок. Собственно, суть в том, что есть определенные соотношения между емкостями ступеней умножителя и не всегда некоторое их увеличение может быть оправданным. Нужно подбирать оптимальную величину и соотношение емкостей, исходя из заданного тока в нагрузке.

1. Умножитель на 4 на ток до 500мА. Подойдет для вариантов усилителей на трех-четырех ГУ-50, на одной ГИ-7Б.

Практическая реализация умножителя на 4.

2. Умножитель на 4 на ток до 600мА. Здесь уже емкости по-больше. Можно попробовать применить для двух ГИ-7Б или четырех Г807.

3. Умножитель на 4 на ток до 1А. Пожно попробовать использовать с лампами Г811.

Второй вариант — с разделением входных емкостей, с целью снижения токовой нагрузки на емкости первой ступени. Этот вариант умножителя сейчас используется у меня в КВ-УМ на двух ГИ-7Б. С запасом по току, что называется, но анодное, к сожалению, для этих ламп явно маловато.

4. Умножитель на 6 на ток до 500мА. Можно применить для двух ГИ-7Б или одной ГК-71. А вот на этой картинке видно, почему имеет смысл разделять ёмкости в первой ступени умножения. Причём, в плечах используются амперметры переменного тока, на выходе — постоянного.

Все схемы и файлы для моделировщика. Возможно, будут добавляться другие варианты умножителей.

При практической реализации необходимо предусмотреть установку предохранителей во входных и выходных цепях, плавный пуск через мощный резистор, чтобы ограничить зарядный ток конденсаторов, можно установить амперметр для контроля тока и фильтрацию входного напряжения по аналогии с узлами в компьютерных блоках питания, светодиодные индикаторы для определения предпочтительного варианта включения фазы (в точку соединения конденсаторов для умножителя на 4 и в точку соединения диодов для умножителя на 6).

В настоящий момент занялся изготовлением платы умножителя на 6 по схеме в п.4. Планирую выполнить блок питания в отдельном корпусе с последующим использованием его с PA на 2-х ГИ-7Б, т.к. в имеющийся корпус PA данная плата вместо умножителя на 4 (которого оказалось недостаточно) не помещается. В качестве соединительного силового кабеля хорошо подойдёт качественный компьютерный проходной сетевой трёх-проводной шнур с ответными разъёмами на умножителе и PA.

При использовании данного умножителя с ГК-71 по схеме с сетками, заземлёнными по ВЧ, по кабелю может передаваться «-«, «+» и «+620В»(относительно минусового провода) для узла стабилизатора экранного напряжения. Напряжение смещения для первой сетки, накал лампы и питание цепей автоматики необходимо будет выполнять на других источниках переменного напряжения внутри самого PA.

Вариант практической реализации умножителя на 6. Использован односторонний фольгированный стеклотекстолит размером 150×200мм. Дорожки нарисованы лаковым маркером edding print marker 780 (к сожалению, после травления, местами удаляется довольно сложно с помощью мелкой шкурки), плата вытравлена в хлорном железе, при пайке использовался флюс ЛТИ-120, после пайки, плата промыта растворителем.

Важный момент: желательное подключение фазного провода — в точку соединения диодов. Если фаза приходится на точку соединения конденсаторов — она присутствует на выходах умножителя. Фаза проходит через резисторы, выравнивающие потенциал между конденсаторами. Резисторы еще выполняют роль разряжающих при отключении питания. Проверить наличие и прохождение фазы легко обычным пробником.

Теперь необходимо подобрать подходящий корпус, установить сетевые разъемы, предохранители, выключатели и миллиамперметр.

Еще раз напомню: при использовании бестрансформаторного блока питания по схеме умножения сетевого напряжения, у нас есть минус (точка «ноль вольт» в схеме усилителя мощности) и плюс (подается через дроссель на анод), если производить замер относительно средней точки соединения диодов, независимо от того, приходит в эту точку фаза или ноль из розетки. Земляного (корпусного) провода данный блок питания не имеет. По схеме усилителя, земля (корпус усилителя) имеет связь с точкой «ноль вольт» умножителя только по высокой частоте через емкость около 2200пФ (см. схему И.Гончаренко). Ее можно набрать из четырех емкостей, которые могут служить опорой блока ламп, например или поставить один конденсатор. Емкости используются с запасом по напряжению и кВАрам (я ставлю дисковые КВИ).

Важную роль играет конденсатор, шунтирующий выход блока питания по ВЧ (остатки которого могут проходить через дроссель в сторону блока питания). Он, обычно, устанавливается прямо в точке подключения напряжения к анодному дросселю (противоположный вывод дросселя — к аноду и разделительной емкости П-контура). Как правило, используются дисковые керамические конденсаторы. Их рабочее напряжение, желательно, должно быть вдвое выше напряжения блока питания. Второй вывод этого конденсатора подключается не на землю (как в традиционных усилителя с трансформаторным питанием), а к точке «ноль вольт» умножителя.

Сам же корпус усилителя должен быть заземлен (например, средний земляной контакт в евро-розетке). Если вы попытаетесь замерить напряжение между землей и любым контактом умножителя — в распределительном щитке сработает УЗО. А если подключите минус умножителя на заземленный корпус усилителя — будет большой ба-бах.

Кстати, при первых запусках, рекомендую защищать глаза, уши и лицо, в целом. Если что-то выполнено неправильно и взорвется конденсатор или даже предохранитель — мало не покажется. Будьте осторожны!

Реальная работа данного умножителя в составе PA показала, что при токе 410-420мА, просадка напряжения становится неприемлемой. Напряжение падает до 1560В в режиме нажатия ключа. Кстати, пересчёт коэффициента усиления PA с учетом подводимой мощности, подтверждает полученный результат. Добавление двух емкостей 330uF в каждое плечо первой ступени, позволило снизить просадку до 1600В, что тоже не является редикальным изменением. Следующее, что планирую предпринять — добавить 4 ёмкости по 680uF во вторую ступень. Возможно, то же самое потребуется и для третьей ступени. Цель — добиться просадки напряжения не более 5% при токе 450-500мА. В противном случае, с двух ГИ-7Б мне не удаётся получить даже 400Вт при удовлетворительном уровне IMD3.

Добавил 4 емкости по 680mFx400V во вторую ступень. Очень был удивлен тому, что просадка, вопреки ожиданиям, стала больше. Предположил, что сказался дисбаланс с емкостью в третьей ступени (990uF-I, 680uF-II, 340uF-III). Когда догадался померить просадку напряжения в сети — оказалось, что сетевое уменьшается примерно на 24В при нажатии ключа и токе в нагрузке около 400mA. Перемножив это значение на 1.41 и 6, получаем на выходе умножителя просадку более двухсот вольт, только за счет падения сетевого напряжения на входе умножителя! Собственно, сравнивая напряжения на холостом ходу и в режиме нажатия, так оно и получалось. Жаль, что понял я это не сразу.

Конденсаторы сильно подорожали. В Москве, Jamicon 680uFx400V 105 градусов стоят 500руб., 1000uF — 800руб.. Оплатил емкости Nichicon 1000uFx400V на aliexpress.com по существенно меньшей цене. Если они приедут и будут соответствовать заявленным параметрам — продолжу эксперименты дальше.

На схеме не указаны, но на практике мною применяются предохранители — два по 5А в сетевой цепи и два по 1А в полюсах умножителя. Категорически не рекомендую использовать умножитель без защитных цепей.

Вариант умножителя напряжения на 8. При стоимости емкостей 680uFx400V по 350руб./шт оптом (нужно ещё поискать такую точку), 24 конденсатора будут стоить 8400 руб.. Приблизительно, за эти деньги уже можно заказать всамделишный полуторакиловаттный тороидальный трансформатор и выполнить классическую схему усилителя. Поэтому, данный вариант умножителя, на мой взгляд, оправдан лишь в том случае, если у вас есть в наличии достаточное кол-во конденсаторов. С другой стороны, емкость фильтра питания (одна банка или вариант из нескольких последовательно включенных емкостей) классического трансформатора тоже обойдётся в немалую сумму. Так же, схема представляет определённый интерес в плане моделирования умножителя в программе.

На схеме, для простоты, не указаны шунтирующие емкости 0.1uFx400V и резисторы 100-200кОм/2Вт, подключаемые параллельно всем электролитам (или парам электролитов, включенных параллельно). Всего — 14 резисторов и столько же конденсаторов.

С таким умножителем к анодам можно подвести приблизительно 1,2кВт мощности и в классе AB1 получить около 700Вт полезной мощности. Можно попробовать использовать этот умножитель для пары ГИ-7Б или одной-двух ГК-71.

Схемы умножителей размещаю не по принципу увеличения степени умножения, а по результатам моделирования.

Вариант умножителя на 3. Подойдёт для трёх ГУ-50 по схеме с общими сетками, заземлёнными по ВЧ. В классе АВ1 можно выжать до трёхсот ватт полезной мощности. Однако, нужно будет проверять сигнал на линейность.

К слову, я проверял в макете это решение, только все четыре ёмкости были по 680uFx400V. При токе анодов 500mA, не стабилизированном экранном напряжении около 300В и общем токе экранных сеток около 30mA в нагрузку уходило 300Вт. Аноды оставались серыми даже в режиме нажатия. На линейность усилитель не проверял.

Так же, можно отметить, что 900В анодного напряжения, для ГУ-50 — более комфортный режим, нежели 1200В (учетверение). Лампы работают более устойчиво и у меня не было ни единого прострела.

Питать четыре полтинника от такого умножителя, я особого смысла не вижу. Лучше сделать учетверение при общем токе около 600mA (см.выше).

Купил себе мобильный вариант реле напряжения:

Источник