Mnożniki napięcia

Mnożniki napięcia to obwody, w których otrzymujemy bardzo wysokie napięcie DC z niskiego napięcia AC, obwód powielacza napięcia generuje napięcie w wielokrotności szczytowego napięcia wejściowego prądu przemiennego, na przykład jeśli szczytowe napięcie napięcia przemiennego wynosi 5 V, otrzymamy 15 wolt DC na wyjściu, w przypadku obwodu potrójnego napięcia. Multimetr odczytuje tylko wartość RMS (pierwiastek średni) napięcia AC, musimy pomnożyć wartość RMS do 1,414 (pierwiastek 2), aby uzyskać wartość szczytową.

Generalnie transformatory służą do podwyższania napięcia, ale czasami transformatory są niewykonalne ze względu na ich rozmiar i koszt. Układy powielaczy napięcia można budować przy użyciu kilku diod i kondensatorów, dzięki czemu są tanie i bardzo wydajne w porównaniu z Transformatorami. Obwody powielacza napięcia są dość podobne do obwodów prostowników, które są używane do konwersji prądu przemiennego na prąd stały, ale obwody powielacza napięcia nie tylko przekształcają prąd przemienny w prąd stały, ale mogą również generować bardzo WYSOKIE napięcie prądu stałego.

Obwody te są bardzo przydatne tam, gdzie trzeba wytworzyć wysokie napięcie DC przy niskim napięciu przemiennym i wymagany jest niski prąd, np. W kuchenkach mikrofalowych, monitorach CRT (kineskopowych) w telewizorach i komputerach. Monitor CRT wymaga wysokiego napięcia stałego o niskim prądzie.

Podwajacz napięcia pełnej fali

Jak sama nazwa wskazuje, napięcie wejściowe zostaje podwojone w tym obwodzie. Działanie podwajacza napięcia pełnookresowego jest bardzo proste:

Podczas dodatniego półcyklu sinusoidalnej fali prądu przemiennego, dioda D1 jest spolaryzowana do przodu, a D2 do tyłu, więc kondensator C1 ładuje się przez D1 do wartości szczytowej fali sinusoidalnej (Vpeak). A podczas ujemnego półcyklu sinusoidy, D2 jest spolaryzowany do przodu, a D1 z uznaniem do przodu, więc kondensator C2 jest ładowany przez D2, do Vpeak.

Teraz oba kondensatory są ładowane do Vpeak, więc otrzymujemy 2 Vpeak (Vpeak + Vpeak), w poprzek C1 i C2, bez podłączonego obciążenia. Nazwa pochodzi od prostownika pełnookresowego.

Obwód podwajacza napięcia półfalowego

Wcześniej stworzyliśmy również obwód podwajacza napięcia, z zegarem 555 w trybie Astable i źródłem prądu stałego. Tym razem używamy transformatora 220 V AC i 9-0-9 do obniżenia napięcia 220 V AC, abyśmy mogli zademonstrować mnożnik napięcia na płytce prototypowej.

Podczas pierwszego dodatniego półcyklu fali sinusoidalnej (AC), dioda D1 jest spolaryzowana do przodu, a kondensator C1 jest ładowany przez D1. Kondensator C1 jest ładowany do napięcia szczytowego AC, tj. Vpeak.

Podczas ujemnego półcyklu fali sinusoidalnej dioda D2 przewodzi, a D1 jest spolaryzowana wstecznie. D1 blokuje rozładowanie kondensatora C1. Teraz kondensator C2 ładuje się połączonym napięciem kondensatora C1 (Vpeak) i ujemnym szczytem napięcia AC, który jest również Vpeak. Więc kondensator C2 ładuje do 2 V szczytowego napięcia. Stąd napięcie na kondensatorze C2 jest dwa razy większe od napięcia Vpeak prądu przemiennego.

W następnym dodatnim cyklu kondensator C2 rozładował się do obciążenia, jeśli obciążenie jest podłączone, i zostanie ponownie naładowany w następnym cyklu. Widzimy więc, że ładuje się w jednym cyklu i rozładowuje w następnym, więc częstotliwość tętnienia jest równa częstotliwości sygnału wejściowego, tj. 50 Hz (sieć AC).

Obwód potrójnego napięcia

Aby zbudować obwód potrójnego napięcia, wystarczy dodać jeszcze 1 diodę i kondensator do powyższego obwodu półfalowego podwajacza napięcia zgodnie ze schematem obwodu poniżej.

Jak widzieliśmy w obwodzie podwajacza napięcia, w którym w pierwszym dodatnim półcyklu kondensator C1 jest ładowany do Vpeak, a kondensator C2 ładowany do 2 Vpeak w ujemnym półcyklu.

Teraz, podczas drugiej dodatniej połowy cyklu, diody D1 i D3 przewodzą, a D2 jest spolaryzowana odwrotnie. W ten sposób kondensator C2 ładuje kondensator C3 do takiego samego napięcia jak on sam, czyli 2 Vpeak.

Teraz kondensator C1 i C3 są połączone szeregowo, a napięcie na C1 wynosi Vpeak, a napięcie na C3 wynosi 2 Vpeak, więc napięcie na połączeniu szeregowym C1 i C3 wynosi Vpeak + 2Vpeak = 3 Vpeak, i otrzymujemy potrójne napięcie wejściowe Vpeak volt.

Obwód poczwórny napięcia

Ponieważ zbudowaliśmy obwód potrójnego napięcia, dodając jedną diodę i kondensator w obwodzie podwajacza napięcia półfalowego, ponownie musimy dodać jeszcze jedną diodę i kondensator do obwodu potrójnego napięcia, aby zbudować obwód poczwórnego napięcia (4 razy większe niż napięcie wejściowe).

Widzieliśmy w obwodzie Triplera napięcia, że kondensator C1 ładowany do Vpeak w pierwszej dodatniej połowie cyklu, C2 ładowany do 2Vpeak w ujemnym półcyklu, a C3 również ładowany do 2Vpeak w drugiej dodatniej połowie cyklu.

Teraz, podczas drugiego ujemnego półcyklu, dioda D2 i D4 przewodzi, a kondensator C4 jest ładowany do 2Vpeak przez kondensator C3, który również ma 2Vpeak. I otrzymujemy cztery razy Vpeak (4Vpeak), na kondensatorze C2 i C4, ponieważ oba kondensatory mają 2 Vpeak.

W obwodach powielacza napięcia praktycznie napięcie nie jest dokładnie wielokrotnością napięcia szczytowego, wynikowe napięcie jest mniejsze niż wielokrotności z powodu pewnego spadku napięcia na diodach, więc otrzymane napięcie będzie:

Vout = mnożnik * Vpeak - spadek napięcia na diodach

Wadą tego rodzaju obwodów mnożnikowych jest wysoka częstotliwość tętnienia i bardzo trudno jest wygładzić wyjście, chociaż użycie dużej wartości kondensatorów może pomóc zmniejszyć tętnienie. Zaletą obwodu jest to, że możemy generować bardzo wysokie napięcie ze źródła niskiego napięcia.

Możemy generować znacznie wyższe napięcie i możemy uzyskać 5-krotną, 6-krotną, 7-krotną lub większą wartość napięcia szczytowego prądu przemiennego, dodając więcej diod i kondensatorów. Możemy również generować wysokie ujemne napięcie, po prostu odwracając polaryzację diod i kondensatorów w tym obwodzie. Teoretycznie możemy mnożyć napięcie w nieskończoność, ale praktycznie nie jest to możliwe ze względu na pojemność kondensatorów, niski prąd, duże tętnienia i wiele innych czynników.

Wideo:

Uwagi:

Napięcie nie będzie się wielokrotnie zwiększać natychmiast, ale będzie rosło powoli i po pewnym czasie ustawi się na trzykrotne napięcie wejściowe.
Napięcie znamionowe kondensatorów powinno być co najmniej dwukrotnie większe od napięcia wejściowego.
Napięcie wyjściowe nie jest dokładnie wielokrotnością szczytowego napięcia wejściowego, będzie mniejsze niż napięcie wejściowe.