До недавнього часу помножувачі напруги недооцінювали. Багато розробники розглядають ці схеми з точки зору лампової технології, і тому втрачають деякі прекрасні можливості. Добре відомо, яким вдалим рішенням стало застосування утроітелей і Пристрої й засоби напруги в телевізорах. На щастя, нам не треба вирішувати завдання, що стосуються рентгенівського випромінювання в ПІП, але схема множення напруги часто може бути корисна для подальшого скорочення габаритів після того, як досягнуть очевидний межа звичайними методами, які використовують високочастотну комутацію і видалені трансформатори, працюючі з частотою 60 Гц. В інших випадках помножувачі напруги можуть забезпечити витончений спосіб отримання додаткового вихідного напруги, використовуючи одну вторинну обмотку трансформатора.

Багато підручники докладно зупиняються на недоліках помножувачів напруги. Стверджується, що у них погана стабільність напруги і вони дуже складні. Констатація цих недоліків має під собою грунт, але заснована вона на досвіді застосування лампових схем, які завжди працювали з синусоїдальними напруженнями з частотою 60 Гц. Властивості помножувачів напруги значно поліпшуються, коли вони працюють з прямокутними, а не з синусоїдальними напруженнями, і особливо при роботі з високими частотами. При частоті перемикання 1 кГц, і тим більше при 20 кГц, помножувач напруги заслуговує переоцінки його можливостей. Враховуючи, що для прямокутного коливання пікове і середнє квадратичне значення рівні, конденсатори в схемі помножувача мають набагато більший час накопичення заряду, в порівнянні з випадком синусоїдальних коливань. Це проявляється в підвищенні стабільності напруги і поліпшення фільтрації. Відомо, що дуже хороша стабільність можлива і при синусоїдальній напрузі, але тільки за рахунок конденсаторів великої ємності. Деякі корисні схеми помножувачів напруги показані на рис. 16.4. Два різних зображення однієї і тієї ж схеми на рис. (А) показує, що спосіб накреслення схеми може іноді вводити в оману.

Хоча стабільність тепер не є великою проблемою в помножувачах напруги, дуже хороша стабільність зовсім не обов’язкова в системі, де про остаточну стабілізацію вихідного постійної напруги подбають один або кілька контурів зворотного зв’язку. Зокрема, деякі помножувачі напруги дуже добре працюють при 50-процентному робочому циклі інвертора. Відповідні помножувачі напруги рекомендуються як нестабілізованого джерела живлення, зазвичай передує схемою стабілізації з петлею зворотного зв’язку. Як правило, таке використання пов’язане з перетворювачем постійного напруги в постійне. Наприклад, напруга мережі з частотою 60 Гц можна випрямити і подвоїти. Потім це постійна напруга використовується в потужному перетворювачі постійної напруги в постійне, який можна виконати у вигляді імпульсного стабілізатора. Зауважте, що цей метод дає можливість отримати високу вихідну напругу без трансформатора, що працює на частоті 60 Гц.

Помножувач напруги полегшує створення хорошого інвертора. Трансформатор інвертора найкраще працює з коефіцієнтом трансформації близько одиниці. Значні відхилення від цієї величини, особливо при підвищенні напруги, часто призводять до появи досить великої індуктивності розсіювання в обмотках трансформатора, що викликає нестійку роботу інвертора. Так, ті, хто експериментували з інверторами і перетворювачами добре знають, що найбільш імовірним збоєм в роботі навіть простої схеми є коливання, частота яких відрізняється від розрахункової. А індуктивність розсіювання може легко привести до руйнування перемикаючих транзисторів. Цієї проблеми можна уникнути, застосовуючи помножувач напруги, щоб використовувати трансформатор з коефіцієнтом трансформації близько одиниці.

Рис. 16.4. Схеми помножувачів напруги. Обидві схеми на рис. (А) електрично ідентичні. Зверніть увагу на допустимі і заборонені варіанти заземлення різних ланцюгів – в деяких випадках генератор і навантаження не можуть використовувати одну і ту ж точку заземлення.

Коли ми маємо справу з напругами синусоїдальної форми, слід пам’ятати, що помножувачі напруги оперують з піковим значен-

ням напруги. Таким чином, так званий подвоювач напруги, який працює з вхідною напругою, які мають ефективне значення 100 В, дасть на виході напругу холостого ходу 2 х 1,41 х 100 = 282 В. Таким чином, якщо ємність конденсаторів велика, а навантаження відносно невелика, то результат більше схожий на потроєння вхідного ефективного значення напруги. Подібне міркування справедливо і для інших помножувачів.

Якщо прийняти рівними місткості всіх конденсаторів і синусоїдальна напруга на вході, то помножувачі напруги повинні мати величину (OCR не менше 100, де (0 = 2% /, робоча частота виражена в герцах, ємність в Фарада, a R – ефективний опір в Омасі, відповідне самої низкоомной навантаженні, яка може бути підключена. У цьому випадку вихідна напруга складе не менше 90% від максимально досяжного постійної напруги і буде відносно слабо змінюватися. Для напруги прямокутної форми величина СOCR може бути значно менше 100.

При виборі схеми множення напруги слід приділити увагу заземлення. На рис. 16.4, символ генератора звичайно являє вторинну обмотку трансформатора. Зауважте, що якщо один з висновків навантаження повинен бути заземлений, то в однополуперіодних схемах можливо заземлення одного виводу трансформатора, а в двухполуперіодних варіантах немає. Двухполуперіодні схеми зручні для отримання джерел з Двуполярность виходом, у яких один вихід має позитивний потенціал щодо землі, а інший – негативний, і на кожному виході є половина повного вихідного напруги.

Схеми, показані на рис. 16.4 (A), ідентичні і є двухполуперіодним випрямляча з подвоєнням напруги. Схема на рис. В являє собою однополуперіодний випрямляч з подвоєнням напруги. Схема рис. З працює як однополуперіодний утроітель. Двухполуперіодний Пристрої й засоби зображений на рис. D, а однополуперіодний Пристрої й засоби на рис. Е. Подібні помножувачі напруги, знаходять широке застосування в телевізійних джерелах живлення зворотного ходу, що забезпечують кінескопи високою напругою. Вони використовуються також в лічильниках Гейгера, лазерах, електростатичних сепараторах і т.д.

Хоча двухполуперіодні помножувачі напруги мають кращу стабільність і менші пульсації, ніж однополуперіодні, практично відмінності стають невеликими, якщо використовуються прямокутні коливання високої частоти. Використовуючи конденсатори великої ємності, завжди можна поліпшити стабільність напруги і зменшити пульсації. Взагалі, при частоті 20 кГц і вище, наявність у однополуперіодних помножувачів загальної точки заземлення справляє визначальний вплив на вибір конструктора.

Поєднуючи велике число елементарних каскадів, можна отримувати дуже високі постійні напруги. Хоча цей спосіб не новий, реально здійснити його, використовуючи напівпровідникові діоди, виявилося

простіше, ніж з колишніми ламповими випрямлячами, які ускладнювали завдання ізоляції і вартості через ланцюгів напруження. Два приклади багатокаскадних помножувачів напруги показані на рис. 16.5. Вони множать амплітудне значення вхідного змінного напруги у вісім разів. У схемі на рис. 16.5А, ні на одному конденсаторі напруга не перевищує величини 2Е. Відмінною особливістю схеми, зображеної на рис. 16.5В є спільна точка землі для входу і виходу. Однак номінальні напруги конденсаторів повинні поступово підвищуватися в міру того, як вони наближаються до виходу схеми. Хоча при частоті 60 Гц це призводить до збільшення габаритів і вартість, але при високих частотах ці недоліки менш чутливі. Діоди в обох схемах повинні витримати пікове вхідна напруга Е, але для надійності слід застосовувати діоди з номінальною напругою, по крайней мере, в кілька разів вище, ніж Е. У цих схемах зазвичай використовуються конденсатори, що мають однакові ємності. Чим більше ємність конденсаторів, тим краще стабільність і менше пульсації. Однак конденсатори великої ємності накладають підвищені вимоги до диодам щодо максимальних значень струмів.

Схема, показана на рис. 16.6, виявилася дуже корисною для застосування в електроніці. Зауважте, що вона працює від однополярної послідовності імпульсів. Це схема помножувача напруги Кокрофта-Уолтона, яка часто зустрічається в літературі. Хоча всі конденсатори можуть мати одну і ту ж ємність і одне і те ж номінальну напругу Е, але краще скористатися наступним підходом:

Спочатку розраховуємо ємність вихідного конденсатора С0

Рис. 16.6. Помножувач напруги на шість, що працює від джерела однополярних імпульсів. Призначення чисел поруч з конденсаторами пояснено в тексті.

Те, що конденсатори біля входу мають велику ємність, ніж ті, які ближче до виходу, пов’язано, з перекачуванням заряду, який природно повинен бути досить великим на вході. Протягом одного циклу відбувається 2л-1 переносів заряду. При кожному з таких переносів, відбувається природна втрата енергії. Ці втрати енергії мінімальні, якщо ємності конденсаторів розраховані так, як було сказано вище.

Перше випробування будь-якого помножувача напруги повинно проводитися зі змінним автотрансформатором або з яким-небудь іншим пристроєм, що дозволяє плавно підвищувати вхідна напруга. В іншому випадку стрибком струму можуть бути зруйновані діоди. Строгість дотримання цього правила залежить від таких факторів, як ємність конденсаторів, рівень потужності, частота, ESR конденсаторів і, звичайно, номінальний піковий струм діодів. Можливо, на вході помножувача необхідно помістити терморезистор, або резистор, що включається за допомогою реле. З іншого боку, у багатьох випадках можна обійтися взагалі без захисту, тому що цілком доступні діоди, що працюють з великими піковими струмами. Іноді, захист «невидима», наприклад, трансформатор на вході просто не може забезпечити великий стрибок струму.

При роботі з високими напругами величина прямого падіння напруги на діодах не істотна. При низькій напрузі накапливающееся падіння напруги на діодах може перешкодити досягненню необхідного вихідного напруги та суттєво знизити к.к.д. помножувача напруги. Слід переконатися, що час зворотного відновлення діодів сумісно з частотою вхідного напруги. Інакше, розрахований коефіцієнт множення напруги буде «загадково» відсутні.

Джерело: І.М.Готтліб Джерела живлення. Інвертори, конвертори, лінійні і імпульсні стабілізатори. Москва: Постмаркет, 2002. – 544 с.