Трехфазный умножитель напряжения схема

—> —>

1. Удвоитель напряжения Латура-Делона-Гренашера

Примечание: отличная нагрузочная способность. 2. Несимметричный умножитель напряжения (Кокрофта-Уолтона)

Примечание: универсальность.
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. 3. Утроитель, 1-й вариант

Отличная нагрузочная способность. 4. Утроитель, 2-й вариант

Отличная нагрузочная способность. 5. Утроитель, 3-й вариант

Отличная нагрузочная способность. 6. Умножитель на 4, 1-й вариант

Симметричная схема, хорошая нагрузочная способность. 7. Умножитель на 4, 2-й вариант

Симметричная схема, хорошая нагрузочная способность. 8. Умножитель на 4, 3-й вариант

Симметричная схема, хорошая нагрузочная способность, две полярности относительно общей точки. 9. Умножитель на 5

Отличная нагрузочная способность. 10. Умножитель на 6, вариант первый

отличная нагрузочная способность. 11. Умножитель на 6, вариант второй

Симметричная схема, отличная нагрузочная способность, две полярности относительно общей точки. 12. Умножитель на 8, первая схема подключения

Симметричная схема, отличная нагрузочная способность. 13. Умножитель на 8, вторая схема подключения

Симметричная схема, отличная нагрузочная способность, две полярности относительно общей точки. 14. Умножитель напряжения Шенкеля – Вилларда

Превосходная нагрузочная способность, ступенчатое увеличение напряжения на каждом звене. 15. Умножитель со ступенчатой нагрузочной способностью

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. 16. Выпрямитель с вольт добавкой

Наличие дополнительного маломощного выхода с удвоенным напряжением питания. 17. Умножитель из диодных мостов

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

Трехфазный умножитель напряжения схема

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

Трехфазный умножитель напряжения схема

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

Трехфазный умножитель напряжения схема

Назначение умножителей напряжения, структура и нагрузочная способность

Умножители напряжения по структуре представляют собой специализированные выпрямители, обеспечивающие повышение выходного напряжения в целое число раз. Отсюда и название – умножители напряжения. [Диссертация — Хречков, Николай Григорьевич «Динамические характеристики умножителей напряжения высоковольтных электротехнических систем», 2006 г.]. Традиционным является применение умножителей напряжения в высоковольтных источниках питания, что позволяет существенно уменьшить их массогабаритные показатели. Дело в том, что использование в высоковольтных источниках выпрямителей (однополупериодного, с общей точкой, мостового) в источниках высокого напряжения оправдано только в случае, когда требуется высокая мощность источника, поскольку при использовании выпрямителя необходимо и использовать трансформатор, рассчитанный на напряжение, равное выходному. Разработка и создание трансформаторов с высоким выходным напряжением (более 15-20 кВ) является сложной технической задачей (секционирование обмоток, межслоевая изоляция, заливка компаундом и т.д.) кроме этого трансформаторы такого класса имеют большие габариты и стоимость. Использование умножителя напряжения позволяет снизить требования к выходному напряжению трансформатора и существенно упростить его конструктив. Таким образом, умножитель напряжения является одним из базовых элементов высоковольтного преобразователя.

На вход умножителей напряжения подается переменное напряжение, на выходе получаем умноженное постоянное. Любой умножитель содержит в себе два типа элементов – конденсаторы и диоды. По структуре электрической схемы умножители делятся на несимметричные и симметричные. Отличие заключается в том, что в симметричных схемах ток, потребляемый от источника переменного напряжения, одинаков по форме в течение обоих полупериодов, а в несимметричных схемах формы импульсов тока при отрицательном и положительном полупериодах различны. Это может вызвать «вылет» рабочего режима магнитопровода в область насыщения. Кроме этого частота пульсаций в симметричных умножителях напряжения в два раза меньше по сравнению с несимметричными, что обеспечивает их лучшую нагрузочную способность. Поэтому при большой выходной мощности высоковольтного источника целесообразно применять симметричные умножители. При этом важно понимать, что симметричный умножитель состоит из двух несимметричных.

Подробный аналитический расчет режимов работы умножителей напряжения представлен в [Диссертация — Хречков Николай Григорьевич «Динамические характеристики умножителей напряжения высоковольтных электро-технических систем», 2006 г.].

Факторы, влияющие на нагрузочную способность умножителя напряжения:

Структура схемы определяет нагрузочную способность умножителя, симметричные схемы умножения напряжения имеют несколько большую нагрузочную способность по сравнению с несимметричными.

Частота напряжения на входе умножителя. Нагрузочная способность прямо пропорциональна частоте, с ограничениями по верхней её величине накладываемым паразитными элементами схемы – емкостями диодов, индуктивностями проводников схемы и обкладок конденсаторов. Кроме этого, конденсаторы имеют некоторую пороговую частоту, выше которой снижается максимально допустимая величина напряжения.

Величина емкости входящих в его состав конденсаторов. Нагрузочная способность прямо пропорциональна емкости конденсаторов в звеньях умножителя.

Число звеньев умножителя. Нагрузочная способность обратно пропорциональна числу звеньев умножителя.

Форма напряжения в теории может быть любой, однако максимальная нагрузочная способность при прочих равных факторах достигается, при напряжении, имеющем форму разнополярных прямоугольных импульсов одинаковой амплитуды.

Ниже представлены типовые схемы умножителей напряжения различных типов.

Несимметричный умножитель напряжения (Villard cascade)

Рисунок MULT.1 — Электрическая схема несимметричного умножителя напряжения

Принцип работы: В течение отрицательного полупериода конденсатор C1 заряжается от источника переменного напряжения до амплитудного значения; в течение положительной полуволны к конденсатору C2 прикладывается суммарное напряжение источника питания и конденсатора C2 и за нескольких периодов он заряжается до удвоенного напряжения. Аналогично ступенчато происходит заряд последующих конденсаторов: заряд конденсатора C3 происходит, начиная со второго отрицательного периода, конденсатора C4 – начиная со второго положительного и так далее. Так, за несколько периодов умножитель выходит на квазистационарный режим и суммарное выходное напряжение на каждом из конденсаторов, кроме первого равно удвоенному амплитудному значению источника. Максимальное обратное напряжение на диодах также равно удвоенному амплитудному значению.

Особенности: универсальность, низкая нагрузочная способность. Эффективность резко снижается с увеличением числа звеньев умножителя. Общая «земля».

Величина пульсаций на выходе умножителя ∆V для синусоидальной формы выходного напряжения определяется по формуле [E. Kuffel, W.S. Zaengl and J. Kuffel. High Voltage Engineering Fundamentals (Second Edition). Newnes. 2000. 539 p.; http://www.kronjaeger.com/hv/hv/src/mul/ ]:

при 0.5 C1=C2=C3 =… Cn (то есть при удвоенном значении емкости C1 относительно остальных).

где n – число звеньев умножителя.

Симметричный умножитель напряжения (Double Villard cascade)

Данный симметричный умножитель напряжения фактически представляет собой два соединенных несимметричных умножителя с различными полярностями напряжения относительно общей точки.

Рисунок MULT.2 Электрическая схема симметричного умножителя напряжения (последовательный тип)

Принцип работы: аналогичен принципу работы несимметричного умножителя напряжения (Villard cascade).

Особенности: универсальность, низкая нагрузочная способность. Эффективность резко снижается с увеличением числа звеньев умножителя. Общая «земля». Возможность реализации двух полярностей напряжения относительно общей точки. Различные варианты подключения источника питающего переменного напряжения к умножителю (рисунок MULT.2). Преимуществом схемы является одинаковое падение напряжения на конденсаторах, что позволяет использовать конденсаторы одного типа (рассчитанных на одинаковое напряжение).

Величина пульсаций на выходе умножителя ΔV рассчитывается по выше приведенным соотношениям, умноженным на два (поскольку фактически умножителей в структуре схемы два).

Симметричный умножитель напряжения Шенкеля – Вилларда

Рисунок MULT.3 — Электрическая схема симметричного умножителя напряжения Шенкеля – Вилларда (параллельный тип)

Принцип работы: в течение первого положительного полупериода происходит заряд емкостей С1, С3, … Сn (нечетные) до напряжения питания, во время последующей отрицательной полуволны заряжаются емкости С2, С4, … С(n-1) (четные) заряжаются до напряжения питания через четные емкости уменьшая их напряжение практически до нуля. В течение следующего положительного периода заряд каждого нечетного конденсатора происходит удвоенным напряжением последовательного соединения источника питания и четного конденсатора умножителя. При этом нечетные конденсаторы заряжаются до напряжения большего амплитудного. В процессе работы происходит ступенчатый рост напряжения на конденсаторах умножителя начиная с Сn.

Особенности: симметричная схема, превосходная нагрузочная способность, ступенчатое увеличение напряжения на каждом звене. Общая «земля».

Гибридный умножитель напряжения последовательно-параллельного типа

Рисунок MULT.4 — Электрическая схема симметричного умножителя напряженияумножитель напряжения последовательно-параллельного типа

Принцип работы: в течение первого положительного полупериода происходит заряд емкостей последовательного столба С2, С4, … Сn (четные) главным образом через емкость С1 заряжающейся в течение первого положительного полупериода противоположно. В течение следующего отрицательного полупериода происходит заряд нечетных емкостей С1, С3, … С(n-1) до уровней напряжений превышающих амплитудное, поскольку к ним прикладывается суммарное напряжение источника питания и емкостей последовательного столба С2, С4, соединенных последовательно. При этом С(n-1) емкость имеет максимальное напряжение, поскольку к ней прикладывается напряжение полного столба и источника питания, а «нижние» емкости заряжаются до меньшего напряжения поскольку к ним прикладывается напряжение только части последовательного столба. В этот полупериод емкости последовательного столба несколько разряжаются.

В течение следующего положительного периода емкости последовательного столба С2, С4 заряжаются до большего чем в предыдущем положительном полупериоде уровня напряжения, так как к ним прикладывается суммарное напряжение источник питания и напряжений на емкостях С1, С3, … С(n-1). Так в процессе работы происходит ступенчатый рост напряжения на конденсаторах и соответствующее увеличение выходного напряжения.

Особенности: гибридная схема, обеспечивающая высокую нагрузочную способность симметричных схем. Преимуществом схемы является возможность использования в правом ёмкостном «столбе» одинаковых (рассчитанных на одинаковое напряжение) конденсаторов большой емкости качестве накопительно-фильтрующих элементов и применение конденсаторов меньшей емкости в левой части схемы, но рассчитанных на существенно большее напряжение (по причине ступенчатого увеличения напряжения на каждом звене). Общая «земля».

Симметричный умножитель на основе диодных мостов

Рисунок MULT.5 — Электрическая схема симметричного умножителя напряжения на основе диодных мостов

Принцип работы: в целом аналогичен принципу работы симметричного умножителя напряжения Шенкеля – Вилларда.

Особенности: хорошая нагрузочная способность. Одна из классических схем умножения напряжения в высоковольтных источниках питания для физических экспериментов.

Симметричный двухполупериодный умножитель Кокрофта-Уолтона

Рисунок MULT.6 — Электрическая схема симметричного умножителя напряженияКокрофта-Уолтона

Особенности: хорошая нагрузочная способность. Схема широко используется высоковольтных источниках питания для физических экспериментов.

Величина пульсаций на выходе умножителя для синусоидальной формы выходного напряжения определяется по формуле [А.А. Ровдо Полупроводниковые диоды и схемы с диодами. Лайт Лтд. 2000. 286 с.]:

Удвоитель напряжения Латура-Делона-Гренашера

Рисунок MULT.7 — Удвоитель напряжения Латура-Делона-Гренашера

Фактически схема является удвоенным однополупериодным выпрямителем напряжения, верхнее плечо которого выпрямляет положительную полуволну, нижнее – отрицательную.

Принцип работы: в течение положительного полупериода через диод VD1 заряжается конденсатор C1, в течение отрицательного полупериода через диод VD2 заряжается конденсатор C2. К нагрузке прикладывается удвоенное напряжение.

Особенности: хорошая нагрузочная способность. Симметричная схема. Классика.

Примеры схемотехнических реализаций умножителей напряжения

Далее представлены несколько частных случаев умножителей напряжения.

Утроители напряжения

Рисунок MULT.8 — Частный случай несимметричного умножителя напряжения с числом ступеней равным 3

Рисунок MULT.9 — Частный случай симметричного умножителя напряжения Шенкеля – Вилларда с числом ступеней равным 3.

Умножители на 4

Рисунок MULT.10 — Частный случай гибридного умножителя напряжения с числом звеньев равным 4.

Рисунок MULT.11 — Частный случай симметричного умножителя напряжения Шенкеля – Вилларда с числом ступеней равным 4.

Умножитель на 6

Рисунок MULT.12 — Частный случай симметричного умножителя напряжения с различным числом ступеней (см. рисунок MULT.2 симметричного умножителя) и однополярным включением относительно общей точки.

Умножитель на 8

Рисунок MULT.13 — Частный случай симметричного умножителя напряжения (см. рисунок MULT.2 симметричного умножителя) и однополярным включением относительно общей точки.

Требования к диодам и конденсаторам умножителей напряжения

Основные требования, предъявляемые к диодам , используемым в схемах умножителей:

– максимально допустимая величина обратного напряжения диода должна с запасом (как минимум на 20 %) превышать рабочее напряжение в схеме;

— быстрое восстановление изолирующих свойств при смене полярности напряжения. С этой целью рекомендуется использование диодов класса Ultra-Fast с временем обратного восстановления порядка 10-50 нс;

— малая паразитная емкость. В связи с этим не является целесообразным использование диодов с большим запасом по току, т.к. у них большая емкость.

Как правило, средние значения тока протекающего через диоды умножителей напряжения не превышает сотен миллиампер, поэтому в умножителях напряжениях используются диоды, рассчитанные на малый ток и большое напряжение (таблица MULT.1). При необходимости обеспечения большего значения обратного напряжения допустимо использование последовательного соединения диодов, но при этом необходимо, чтобы диоды были одинакового типа и желательно одной партии.

Таблица MULT.1 — Основные характеристики быстродействующих диодов

Марка диода

Максимальное обратное напряжение, В

Средний ток, А

Время обратного восстановления, нс

Источник