1.7 Помножувачі напруги

1.7.1 Необхідність множення напруги

У високовольтних малопотужних випрямлячах розміри і маса високовольтного трансформатора стають значними через необхідність забезпечення елек­тричної міцності. Тому в таких пристроях використовують помножувачі напруги [3, 4, 7].

Принцип роботи помножувача напруги полягає у тому, що кожний з послідовно з’єднаних конденсаторів заряджається від порівняно низьковольтної вторинної обмотки трансформатора через свої вентилі. По відношенню до навантаження конденсатори увімкнені послідовно, тому на загальна напруга буде дорівнювати сумі напруг конденсаторів. Внутрішній опір помножувача зростає зі збільшенням кількості каскадів. Тому їх використовують при високоомному навантаженні.

1.7.2 Пристрій подвоєння напруги

Пристрій будують за мостовою схемою, у плечі моста увімкнені діоди VD1, VD2 і конденсатори C1, C2 (рисунок 1.24). Навантаження вмикають паралельно до конденсаторів [4, 7].

Рисунок 1.24 – Принципова схема пристрою подвоєння напруги

При позитивному півперіоді (плюс джерела живлення зліва і зверху) відкритий діод VD2, внаслідок цього заряджається конденсатор C2 (рисунок 1.25). При негативному – відкритий діод VD1 і заряджається конденсатор C1. Напруга на навантаженні дорівнює:

. (1.21)

Конденсатори заряджаються при кожній півхвилі напруги, тому частота пульсацій випрямленої напруги у два рази більша частоти мережі .

Струм у вторинній обмотці трансформатора у суміжні півперіоди протікає у протилежних напрямах, і постійна складова дорівнює нулю. Осердя транс­фор­матора не підмагнічується.

Достоїнства пристрою: подвоєне значення вихідної напруги (1.21); мала зворотна напруга на діоді ; подвоєна частота пульсацій.

Рисунок 1.25 – Часові діаграми роботи пристрою подвоєння напруги

Недоліки пристрою: відносно великі значення струмів діодів ; поява додаткових пульсацій при несиметричності моста.

Використовуються при вихідній потужності до 50 Вт та випрямленій напрузі 500...1000 В.

1.7.3 Множення напруги у довільне число разів

Пристрої множення мають таку класифікацію [4]:

1) пристрої 1-го роду – вихідна напруга знімається з одного конденсатора, зарядженого до необхідної величини;

2) пристрої схеми 2-го роду – вихідна напруга знімається з декількох, послідовно сполучених конденсаторів;

3) несиметричні пристрої 1-го і 2-го роду;

4) симетричні пристрої 1-го і 2-го роду

Симетричні схеми помножувачів складаються з двох несиметричних схем однакового роду, і живляться вони від однієї обмотки трансформатора.

1.7.4 Несиметричний помножувач напруги першого роду

Схема такого пристрою наведена на рисунку 1.26 [4, 7]. Величина напруги на конденсаторах С1, ... , Сn пропорційна порядковому номеру конденсатора, навантаження підключене до останнього з них.

При позитивному потенціалі точки б відносно точки а відкривається діод VD1 і конденсатор C1 заряджається до напруги вторинноїобмотки трансформатора. Зі зміною полярності напруги заряджається конденсатор C2 до напруги:

.

Шлях протікання струму: точка а, C1, VD2, С2, точка б.

Рисунок 1.26 – Схема несиметричного помножувача напруги 1-го роду

При наступних змінах полярності напруги заряджається С3 (точка б, C2, VD3, C3, точка а) до напруги:

.

І так далі. Таким чином, на n-му конденсаторі напруга дорівнює:

.

Відношення між ємностями конденсаторів повинні задовольняти умові

. (1.22)

Це забезпечує однакову енергію, яка накопичується під час роботи кожним конденсатором. Наприклад, при n=5 відношення ємностей конденсаторів доцільно вибрати так:

.

В деяких випадках можна обмежитись умовою .

Ємність вихідного конденсатора вибирається, виходячи із заданих пульсацій випрямленої напруги.

При наявності навантаження частина напруги падає на внутрішньому опорі діодів, тому помножувач працює при малих навантаженнях, тобто при малих струмах. Напругу можна збільшувати в декілька десятків разів і отримувати на навантаженні сотні кіловольт.

До кожного із діодів прикладається зворотна напруга . Частота першої гармонікипульсацій дорівнює частоті мережі, оскільки заряд конденсатора, з якого знімається вихідна напруга, відбувається один раз за період.