4.2. Каскадный генератор постоянного напряжения

Рассмотрим работу многокаскадного генератора постоянного напряжения, который является системой последовательно соединенных схем удвоения, рассмотренных выше. Второй и последующие каскады будем подключать параллельно диоду D₂, как это показано на рис. 4.5. Напряжение на диоде D₂ (U_c-b, рис. 4.2 ) равно:

(4.3)

Это напряжение имеет постоянную и гармоническую составляющую. Последняя будет источником, питающим второй каскад. Таким же образом питаются последующие каскады. Таким образом, емкости С₂, заряжаемые до удвоенного напряжения, оказываются соединенными последовательно и полное напряжение на выходе в идеальном случае (R_н=, сопротивления диодов и трансформатора равны нулю) будет равно 2nU_m , где n – число последовательно соединенных схем удвоения.

Рис. 4.5. Схема каскадного генератора постоянного тока.

Питание второго и последующих каскадов происходит путем перезаряда на них конденсаторов первого и предыдущих каскадов. При равенстве емкостей С₁ = С₂ в каждом цикле перезаряда отдается половина заряда 1-го каскада второму, 2-го каскада третьему и т. д. За полный цикл заряды по колонне последовательно соединенных конденсаторов С₂ создают напряжение на нагрузке.

При наличии активной нагрузки за полный цикл заряды по колонне конденсаторов С₂ будут распределяться так, как указано на рис. 4.6. Уровень пульсаций, определяемый здесь как отношение удвоенного напряжения переменной составляющей к напряжению на нагрузке составит:

(4.4)

Снижение уровня пульсаций и уменьшение снижения напряжения на низкоомной нагрузке достигается теми же методами, что и в схеме удвоения. Очевидно, что при том распределении зарядов, которое указано на рис. 4.6, в единицу времени в нагрузку не может быть отдан заряд, больший Q₂. Поэтому увеличение емкости конденсаторов, размещенных ближе к нагрузке приведет к более равномерному распределению зарядов по последовательной цепи конденсаторов С₂, что может сопровождаться снижением уровня пульсация и внутреннего падения напряжения. Увеличение емкости каждого последующего конденсатора должно быть пропорционально номеру ступени.

Рис. 4.6. Распределение зарядов по цепи конденсаторов С₂.

В высоковольтной технике каскадные генераторы находят применение при исследованиях и испытаниях прочности изоляции на постоянном напряжении. Емкость изоляционной конструкции включается параллельно емкости генератора С₂/n. Следует отметить, что на время заряда нагрузки ( в рассматриваемом случае – емкости изоляции, которая в некоторых случаях может быть значительной) сильно влияют утечки, вызываемые короной и поверхностным разрядом по изоляции, а также сопротивление элементов последовательной цепи заряда конденсаторов, а также суммарное сопротивление диодов.

Рассмотрим пример. Широко используемый в умножителях напряжения диод типа Д1008 (максимальное обратное напряжение U_об=10 кВ) представляет по существу сборку из 35 диодов типа Д226 (U_об=300 В), имеющих напряжение открывания 0,6 В. Таким образом, напряжение открывания диода Д1008 составит 21 В. В пятикаскадном умножителе, создающем на выходе напряжение 100 кВ последовательно включено 20 диодов, при этом прямое падение напряжения составит 420 В. При максимально допустимом токе диода, равном 50 мА, эквивалентное последовательное сопротивление составит 8,5 кОм.

Таким образом, каскадные схемы умножения очень чувствительны к уровню нагрузки, причем чувствительность возрастает с ростом числа каскадов. С ростом тока в нагрузке быстро возрастает уровень пульсаций и снижается уровень выходного напряжения. Существует ряд схем каскадных генераторов для получения больших токов в нагрузке при малых пульсациях.