Podczas rozwiązywania problemów z obwodami zdarza się, że konieczne jest odejście od stosowania transformatorów w celu zwiększenia napięcia wyjściowego. Powodem tego najczęściej okazuje się niemożność włączenia przetworników step-up do urządzeń ze względu na ich wskaźniki wagi i wielkości. W takiej sytuacji rozwiązaniem jest zastosowanie układu mnożnikowego.
Definicja mnożnika napięcia
Urządzenie, czyli mnożnik energii elektrycznej, to obwód, który umożliwia konwersję napięcia zmiennego lub pulsującego na napięcie stałe, ale o wyższej wartości. Wzrost wartości parametru na wyjściu urządzenia jest wprost proporcjonalny do liczby stopni obwodu. Najbardziej elementarny istniejący powielacz napięcia został wynaleziony przez naukowców Cockcrofta i W altona.
Nowoczesne kondensatory opracowane przez przemysł elektroniczny charakteryzują się małymi rozmiarami i stosunkowo dużą pojemnością. Umożliwiło to przebudowanie wielu obwodów i wprowadzenie produktu do różnych urządzeń. Na diodach i kondensatorach połączonych we własnej kolejności zamontowano powielacz napięcia.
Oprócz funkcji zwiększania energii elektrycznej, mnożniki jednocześnie przekształcają ją z AC na DC. Jest to wygodne, ponieważ cały obwód urządzenia jest uproszczony i staje się bardziej niezawodny i kompaktowy. Za pomocą urządzenia można osiągnąć wzrost do kilku tysięcy woltów.
Gdzie urządzenie jest używane
Mnożniki znalazły zastosowanie w różnego rodzaju urządzeniach, są to: laserowe układy pompujące, urządzenia z promieniowaniem rentgenowskim w ich jednostkach wysokiego napięcia, do podświetlania wyświetlaczy ciekłokrystalicznych, pompy typu jonowego, lampy z falą biegnącą, jonizatory powietrza, systemy elektrostatyczne, akceleratory cząstek, kopiarki, telewizory i oscyloskopy z kineskopami, a także tam, gdzie wymagany jest prąd stały o wysokim i niskim natężeniu.
Zasada mnożnika napięcia
Aby zrozumieć, jak działa obwód, lepiej przyjrzeć się działaniu tak zwanego urządzenia uniwersalnego. Tutaj ilość stopni nie jest dokładnie określona, a wyjściową energię elektryczną określa wzór: nUin=Uout, gdzie:
- n to liczba obecnych stopni obwodu;
- Uin to napięcie przyłożone do wejścia urządzenia.
W początkowym momencie, kiedy pierwsza, powiedzmy, dodatnia półfala dociera do obwodu, dioda stopnia wejściowego przekazuje ją do swojego kondensatora. Ten ostatni jest ładowany do amplitudy przychodzącej energii elektrycznej. Z drugim negatywempółfalowy, pierwsza dioda jest zamknięta, a półprzewodnik drugiego stopnia przepuszcza ją do swojego kondensatora, który również jest ładowany. Dodatkowo napięcie pierwszego kondensatora, połączonego szeregowo z drugim, jest dodawane do ostatniego, a wyjście kaskady jest już podwojone.
To samo dzieje się na każdym kolejnym etapie - jest to zasada mnożnika napięcia. A jeśli spojrzysz na progresję do końca, okazuje się, że wyjściowa energia elektryczna przewyższa wejściową określoną liczbę razy. Ale tak jak w transformatorze, tutaj siła prądu będzie się zmniejszać wraz ze wzrostem różnicy potencjałów – działa też zasada zachowania energii.
Schemat konstrukcji mnożnika
Cały łańcuch obwodu składa się z kilku ogniw. Jedno ogniwo powielacza napięcia na kondensatorze to prostownik półfalowy. Aby uzyskać urządzenie, konieczne jest posiadanie dwóch połączonych szeregowo ogniw, z których każde ma diodę i kondensator. Taki obwód jest podwajaczem elektryczności.
Graficzna reprezentacja powielacza napięcia w wersji klasycznej wygląda z ukośnym położeniem diod. Kierunek załączania półprzewodników określa, który potencjał - ujemny czy dodatni - będzie obecny na wyjściu powielacza względem jego wspólnego punktu.
Łącząc obwody z ujemnym i dodatnim potencjałem, na wyjściu urządzenia uzyskuje się dwubiegunowy obwód podwajacza napięcia. Cechą tej konstrukcji jest to, że jeśli zmierzysz poziomelektryczność między biegunem a punktem wspólnym i przekroczy napięcie wejściowe 4 razy, wówczas amplituda między biegunami wzrośnie 8 razy.
W mnożniku, wspólny punkt (który jest podłączony do wspólnego przewodu) będzie tym, w którym wyjście źródła zasilania jest połączone z wyjściem kondensatora zgrupowanego z innymi kondensatorami połączonymi szeregowo. Na ich końcu wyjściowa energia elektryczna jest pobierana na elementy parzyste - o współczynniku parzystym, odpowiednio na nieparzystych kondensatorach o współczynniku nieparzystym.
Kondensatory pompujące w mnożniku
Innymi słowy, w urządzeniu z mnożnikiem napięcia stałego zachodzi pewien przejściowy proces ustawiania parametru wyjściowego odpowiadającego zadeklarowanemu. Najłatwiej to zobaczyć, podwajając energię elektryczną. Gdy przez półprzewodnik D1 kondensator C1 zostanie naładowany do pełnej wartości, to w kolejnej półfali, wraz ze źródłem prądu, jednocześnie ładuje drugi kondensator. C1 nie ma czasu, aby całkowicie oddać swój ładunek do C2, więc wyjście nie ma początkowo podwójnej różnicy potencjałów.
W trzeciej połowie fali, pierwszy kondensator jest ponownie ładowany, a następnie przykłada potencjał do C2. Ale napięcie na drugim kondensatorze ma już kierunek przeciwny do pierwszego. Dlatego kondensator wyjściowy nie jest w pełni naładowany. Z każdym nowym cyklem energia elektryczna na elemencie C1 będzie dążyć do wejścia, napięcie C2 podwoi się.
Jakoblicz mnożnik
Przy obliczaniu mnożnika należy zacząć od danych początkowych, którymi są: prąd wymagany dla obciążenia (In), napięcie wyjściowe (Uout), współczynnik tętnienia (Kp). Minimalną wartość pojemności elementów kondensatora, wyrażoną w uF, określa wzór: С(n)=2, 85nIn/(KpUout), gdzie:
- n to ile razy zwiększana jest wejściowa energia elektryczna;
- In - prąd płynący w obciążeniu (mA);
- Kp – współczynnik pulsacji (%);
- Uout - napięcie odbierane na wyjściu urządzenia (V).
Zwiększając pojemność uzyskaną przez obliczenia dwa lub trzy razy, otrzymuje się wartość pojemności kondensatora na wejściu obwodu C1. Ta wartość elementu pozwala natychmiast uzyskać pełną wartość napięcia na wyjściu i nie czekać, aż minie określona liczba okresów. Gdy praca obciążenia nie zależy od szybkości narastania prądu do mocy znamionowej, pojemność kondensatora można przyjąć jako identyczną z wartościami obliczonymi.
Najlepsze dla obciążenia, jeśli współczynnik tętnienia mnożnika napięcia diody nie przekracza 0,1%. Zadowalająca jest również obecność fal do 3%. Wszystkie diody obwodu są wybierane z obliczeń tak, aby mogły swobodnie wytrzymać natężenie prądu dwukrotnie większe od wartości obciążenia. Wzór na obliczenie urządzenia z dużą dokładnością wygląda następująco: nUin - (In(n3 + 9n2/4 + n/2)/(12 f C))=Uout, gdzie:
- f – częstotliwość napięcia na wejściu urządzenia (Hz);
- C - pojemność kondensatora (F).
Korzyści iwady
Mówiąc o zaletach powielacza napięcia, możemy zauważyć następujące:
Możliwość uzyskania znacznych ilości energii elektrycznej na wyjściu - im więcej ogniw w łańcuchu, tym większy będzie mnożnik
- Prostota konstrukcji - wszystko jest montowane na standardowych łączach i niezawodnych elementach radiowych, które rzadko zawodzą.
- Waga – brak nieporęcznych elementów, takich jak transformator mocy, zmniejsza rozmiar i wagę obwodu.
Największą wadą każdego układu powielacza jest to, że nie można uzyskać z niego dużego prądu wyjściowego do zasilania obciążenia.
Wniosek
Wybieranie mnożnika napięcia dla konkretnego urządzenia. ważne jest, aby wiedzieć, że obwody zbalansowane mają lepsze parametry pod względem tętnienia niż niezbalansowane. Dlatego w przypadku wrażliwych urządzeń bardziej celowe jest stosowanie bardziej stabilnych mnożników. Asymetryczny, łatwy do wykonania, zawiera mniej elementów.
