Умножитель тока на конденсаторах: Умножитель напряжения на диодах и конденсаторах

Содержание

Умножитель напряжения на диодах и конденсаторах

Определение умножителя напряжения

Их применяют в радиоэлектронике: медицинской и телевизионной аппаратуре, измерительной технике, бытовой технике и др. Умножитель напряжения составляют диоды и конденсаторы, которые соединяют специальным образом. Умножители способны сформировать напряжение до вольт, при этом имеют небольшую массу и размер. Умножители просты в изготовлении, их несложно рассчитываются.

Однополупериодный умножитель

На рис.1 приведена схема однополупериодного последовательного умножителя.

В течение отрицательного полупериода напряжения происходит зарядка конденсатора через диод , который открыт. Конденсатор заряжается до амплитудной величины приложенного напряжения . В течение положительного полупериода заряжается конденсатор через диод до разности потенциалов . Далее в отрицательный полупериод конденсатор заряжается через диод до разности потенциалов . В очередной положительный полупериод конденсатор заряжается до напряжения .

При этом умножитель запускается за несколько периодов изменения напряжения. Напряжение на выходе постоянное и оно является суммой напряжений на конденсаторах и , которые постоянно заряжаются, то есть составляет величину, равную .

Обратное напряжение на диодах и рабочее напряжение конденсаторов в таком умножителе равно полной амплитуде входного напряжения. При практической реализации умножителя следует обращать внимание на изоляцию элементов, чтобы не допускать коронного разряда, который может вывести прибор из строя. Если необходимо изменить полярность напряжения на выходе, то меняют полярность диодов при соединении.

Последовательные умножители применяют особенно часто, так как они универсальны, имеют равномерное распределение напряжения на диодах и конденсаторах. С их помощью можно реализовать большое количество ступеней умножения.

Применяют, также параллельные умножители напряжения. Для них необходима меньшая емкость конденсатора на одну ступень умножения. Но, их недостатком считают увеличение напряжения на конденсаторах с ростом количества ступеней умножения, что создает ограничение в их использовании до напряжения выхода около 20 кВ. На рис. 2 приведена схема однополупериодного параллельного умножителя напряжения.

Для того чтобы рассчитать умножитель следует знать основные параметры: входное переменное напряжение, напряжение и мощность выхода, необходимые размеры (или ограничения в размерах), условия при которых умножитель будет работать. При этом следует учесть, что напряжение входа должно быть менее чем 15 кВ, частота от 5 до 100 кГц, напряжение выхода менее 150 кВ. Температурный интервал обычно составляет -55. Обычно мощность умножителя составляет до 50 Вт, но встречаются и более 200 Вт.

Для последовательного умножителя, если частота на входе в умножитель постоянна, то выходное напряжение вычисляют при помощи формулы:

где — входное напряжение; – частота напряжения на входе; N – число ступеней умножения; C – емкость конденсатора ступени; I – сила тока нагрузки.

Примеры решения задач

Расчет умножителя напряжения на диодах и конденсаторах

А не забацать ли нам с утреца электроэффлювиальный излучатель? Наполнить атмосферу лёгким отрицательным аэроионом – чтоб не слабее воздуха гор, соснового леса или морского прибоя.
Что ещё надо человеку, чтобы встретить безмятежную старость?
А надо-то всего ничего – фруктовый кефир и источник напряжения на пару-тройку десятков киловольт.

Трансформатор на такие напряжения – штука нешуточная, специфическая, подвластная не каждому энтузиасту. Значительно более простым решением будет использование умножителей напряжения, находящих место не только в радиолюбительских поделках, но и широко применяющихся в электронных устройствах промышленного производства.

Происходит это благодаря приятным свойствам умножителей – возможности формировать высокое, до нескольких десятков и сотен тысяч вольт, напряжение при малых габаритах, массе и простоте расчёта и изготовления.

Приведём основные типы умножителей напряжения.

Рис.1 Рис.2

Изображённый на Рис.1 умножитель напряжения относится к последовательным несимметричным умножителям (или несимметричным умножителям 2-го рода). Подобные устройства наиболее универсальны, напряжение на диодах и конденсаторах распределены равномерно, можно реализовать большое число ступеней умножения.
В данной схеме все конденсаторы, за исключением С1, заряжаются до удвоенного амплитудного напряжения 2×U, к конденсатору С1 приложено амплитудное напряжение U, таким образом, рабочее напряжение конденсаторов и диодов получается достаточно низким.

Необходимая ёмкость конденсаторов в этой схеме определяется по приближенной формуле:

N—кратность умножения напряжения;
Iн — ток нагрузки, мА;
Кп — допустимый коэффициент пульсаций выходного напряжения, %;
Uвыx—выходное напряжение, В.

Ёмкость конденсатора С1 должна в 4 раза превышать расчётное значение С.
Максимально-допустимый ток через диоды должен как минимум в 2 раза превышать ток нагрузки Iн.

На Рис.2 приведена схема параллельного несимметричного умножителя (или несимметричного умножителя 1-го рода). Для этого вида умножителей требуются меньшие значения ёмкостей конденсаторов по сравнению с последовательными аналогами, однако такой их недостаток, как пропорциональный рост напряжения на конденсаторах с увеличением числа ступеней, ограничивает их применение в устройствах со значительными величинами выходных напряжений.

При одинаковых выходных токах, величины ёмкостей конденсаторов C4 и C6 в параллельном умножителе меньше, чем в последовательном кратно количеству ступеней. Так, если в последовательном ёмкость конденсатора С6 – 100 МкФ, то для трёхступенчатого параллельного умножителя потребуется ёмкость 100 / 3 = 33 МкФ.

Представленная формула расчёта ёмкостей умножителей верна для частоты напряжения сети – 50Гц. Однако, наиболее эффективно использование умножителей напряжения при их питании напряжением высокой частоты от специального преобразователя. В этом случае величины ёмкостей уменьшаются пропорционально кратности увеличения частоты преобразователя.

Приведу для наглядности калькулятор для расчёта элементов умножителей напряжения.
Здесь Rн = Uвых / Iн, либо Rн = Uвых² / Pн.

Количество ступеней умножителя нельзя увеличивать до бесконечности – с ростом числа секций их вклад в увеличение выходного напряжения быстро уменьшается. К тому же представленные несимметричные умножители напряжения являются однополупериодными и не обладают высокой нагрузочной способностью.

В связи с этим, при необходимости дальнейшего наращивания выходного напряжения и мощности, подводимой к нагрузке свыше 50 Вт – прямая дорога у нас лежит к симметричным двухполупериодным умножителям напряжения.
Симметричная схема умножения напряжения получается, если запараллелить входы двух несимметричных схем, рассчитанных в таблице, у одной из которых необходимо сменить полярность подключения электролитических конденсаторов и диодов.
В результате вырисовываются следующие схемы.

Рис.3 Рис.4

На Рис.3 приведена схема последовательного симметричного двухполупериодного умножителя, на Рис.4 – схема параллельного симметричного двухполупериодного умножителя напряжения.

При необходимости поиметь двуполярное питание, точку 0U следует подключить к земляной шине.

Повышение напряжения без трансформатора. Умножители. Рассчитать онлайн. Преобразование переменного и постоянного тока (10+)

Бестрансформаторные источники питания – Повышающие

Этот процесс иллюстрирует рисунок:

Синим помечена область, где конденсаторы C заряжаются, а красным, где они отдают накопленный заряд в конденсатор C1 и в нагрузку.

Вашему вниманию подборки материалов:

Конструирование источников питания и преобразователей напряжения Разработка источников питания и преобразователей напряжения. Типовые схемы. Примеры готовых устройств. Онлайн расчет. Возможность задать вопрос авторам

Практика проектирования электронных схем Искусство разработки устройств. Элементная база. Типовые схемы. Примеры готовых устройств. Подробные описания. Онлайн расчет. Возможность задать вопрос авторам

Повышающие преобразователи

Повышающие преобразователи переменного тока

Если на выходе надо получить напряжение выше, чем на входе, то обычно применяются умножители напряжения. Совсем просто выглядит умножитель, если на входе переменное напряжение:

Это схема умножителя Латура-Делона-Гренашера. На выходе мы имеем амплитудное значение входного напряжения, умноженное на количество конденсаторов. Диоды и конденсаторы в схеме должны быть рассчитаны на удвоенную величину амплитудного значения входного напряжения, то есть для осветительной сети они должны выдерживать 620 В с запасом.

Расчет умножителя онлайн

Рассчитаем номинал конденсаторов в умножителе напряжения:

[Емкость каждого конденсатора, Ф] = [Количество конденсаторов] * [Сила выходного тока, А] / [Максимально допустимая амплитуда пульсаций выходного напряжения, В] / [Входная частота, Гц] / 2

Максимально допустимую амплитуду пульсаций выходного напряжения следует выбирать не более 5% от требуемого выходного напряжения, иначе схема не будет работать.

Повышающие преобразователи постоянного тока

Если нам необходимо повысить напряжение постоянного тока, то его сначала надо преобразовать в переменный. Для этого можно применить, например, эту схему:

Здесь используется релаксационный генератор на операционном усилителе, который раскачивает усилитель мощности на транзисторах. С выхода усилителя мощности сигнал подается на умножитель напряжения (S), собранный по схеме, приведенной выше. Нужно только иметь ввиду, что на выходе усилителя амплитудное значение сигнала, которое нужно брать для расчета умножителя, рано половине питающего.

Частота генератора задается конденсатором C1 и резистором R9. Если емкость конденсатора 0.06 мкФ, сопротивление резистора 10 кОм, то частота составит около 500 Гц.

Резисторы R7, R8 – по 50 кОм, Конденсаторы C2, C3 – по 1000 мкФ. Они служат для формирования средней точки между плюсом и минусом питания.

Резисторы R1, R2 – по 1 кОм

Резисторы R3, R4 – по 200 Ом

Резисторы R11, R12 – по 10 кОм

Резистор R10 – 3 кОм

Резисторы R5, R6 – по 100 Ом. Они ограничивают силу тока базы транзисторов VT3, VT4.

Резистор R13 – 3 Ом, 1 Вт. Этот резистор ограничивает токовые всплески при переключении транзисторов. Он необходим, так как усилитель работает на емкостную нагрузку, а выходной сигнал имеет прямоугольную форму, для которой характерны броски тока при заряде конденсатора в нагрузке.

Транзисторы VT3, VT4 – КТ815, КТ814.

Операционный усилитель D1 – К544УД1.

Схема может отдавать в умножитель ток до 1 А, питается от 15 В.

Столь замысловатая схема раскачки силового усилителя применена для того, чтобы на выходе получить размах напряжения, близкий к напряжению питания при том, что напряжение на выходе операционного усилителя не доходит до напряжения питания.

К сожалению в статьях периодически встречаются ошибки, они исправляются, статьи дополняются, развиваются, готовятся новые. Подпишитесь, на новости, чтобы быть в курсе.

Добрый вечер. Как ни старался, не смог по приведенным формулам для рис 1.2 получить значения ёмкостей конденсаторов С1 и С2 при приведенных значениях данных в вашей таблице (Uвх

220V, Uвых 15V, Iвых 100мА, f 50Hz). У меня проблема, включить катушку малогабаритного реле постоянного тока на рабочее напряжение -25V в сеть

220V, рабочий ток катушки I= 35мА. Возможно я что то не Читать ответ.

Преобразователь однофазного напряжения в трехфазное. Принцип действия.
Принцип действия, сборка и наладка преобразователя однофазного напряжения в трех.

Инвертор, преобразователь, чистая синусоида, синус.
Как получить чистую синусоиду 220 вольт от автомобильного аккумулятора, чтобы за.

Резонансный инвертор, преобразователь напряжения повышающий. Принцип р.
Сборка и наладка повышающего преобразователя напряжения. Описание принципа работ.

Источник высокого напряжения для озонатора, ионизатора, экспериментов.
Как изготовить преобразователь с высоким выходным напряжением для формирования и.

Микроконтроллеры. Питание, визуализация, показ информации. Диагностика.
Как питать микро-контроллеры – тонкости. Визуальное представление (Как подключит.

Обратноходовый импульсный преобразователь напряжения, источник питания.
Как работает обратноходовый стабилизатор напряжения. Где он применяется. Описани.

Умножитель напряжения – схема выпрямителя особого типа, амплитуда напряжение на выходе которой теоретически в целое число раз выше, чем на входе. То есть, с помощью удвоителя напряжения можно получить 200 В постоянного тока из 100 В переменного тока источника, а с помощью умножителя на четыре — 400 В постоянного. Это если не учитывать падение напряжения на диодах (0,7В на каждом).

В реальных схемах любая нагрузка будет уменьшать полученное напряжение. Умножитель содержит в себе конденсаторы и диоды. Нагрузочная способность умножителя пропорциональна частоте, величине емкости входящих в его состав конденсаторов и обратно пропорциональна числу звеньев.

А теперь, к Вашему вниманию – «экспонаты» коллекции:

Удвоитель напряжения Латура-Делона-Гренашера

Особенности: хорошая нагрузочная способность.

Несимметричный умножитель напряжения (Кокрофта-Уолтона)

Особенности: универсальность, низкая нагрузочная способность.

Генераторы Кокрофта-Уолтона применяются во многих областях техники, в частности, в лазерных системах, в источниках высокого напряжения, в системах рентгеновского излучения, подсветке жидкокристаллических экранов, лампах бегущей волны, ионных насосах, электростатических системах, ионизаторах воздуха, ускорителях частиц, копировальных аппаратах, осциллографах, телевизорах и во многих других устройствах, где необходимо одновременно высокое напряжение и постоянный ток.

Утроитель, 1-й вариант

Особенности: хорошая нагрузочная способность.

Утроитель, 2-й вариант

Особенности: хорошая нагрузочная способность.

Утроитель, 3-й вариант

Особенности: хорошая нагрузочная способность.

Умножитель на 4, 1-й вариант

Особенности: симметричная схема, хорошая нагрузочная способность.

Умножитель на 4, 2-й вариант

Особенности: симметричная схема, хорошая нагрузочная способность.

Умножитель на 4, 3-й вариант

Особенности: симметричная схема, хорошая нагрузочная способность, две полярности относительно общей точки.

Умножитель на 5, 1-й вариант

Особенности: хорошая нагрузочная способность.

Умножитель на 6, 1-й вариант

Особенности: хорошая нагрузочная способность.

Умножитель на 6, 2-й вариант

Особенности: симметричная схема, хорошая нагрузочная способность, две полярности относительно общей точки.

Умножитель на 8, 1-й вариант

Особенности: симметричная схема, хорошая нагрузочная способность.

Умножитель на 8, 2-й вариант

Особенности: симметричная схема, хорошая нагрузочная способность, две полярности относительно общей точки.

Умножитель напряжения Шенкеля – Вилларда

Особенности: симметричная схема, превосходная нагрузочная способность, ступенчатое увеличение напряжения на каждом звене.

Умножитель со ступенчатой нагрузочной способностью

Особенности: нагрузочная характеристика имеет две области – область низкой мощности – в диапазоне выходных напряжений от 2U до U и область повышенной мощности – при выходном напряжении ниже U.

Выпрямитель с вольтодобавкой

Особенности: наличие дополнительного маломощного выхода с удвоенным напряжением питания.

Умножитель из диодных мостов

Особенности: хорошая нагрузочная способность. Одна из классических схем умножения напряжения в высоковольтных источниках питания для физических экспериментов. На рисунке изображен удвоитель напряжения, но число каскадов в умножителе может быть увеличено.

Автор: Павел (Admin)

Как работает умножитель напряжения — Меандр — занимательная электроника

Умножители напряжения нашли широкое применение в современной электронной технике. Под умножителем напряжения подразумевают устройство, которое позволяет получить от переменного напряжения — высоковольтное постоянное. К примеру, умножители напряжения используют в телевизионной технике, в электрошоковых устройствах, в медицинских приборах и т.п.

Любительская конструкция умножителя напряжения

Удвоитель напряжения

Поначалу рассмотрим схему удвоителя напряжения.

Симметричный удвоитель напряжения или, по фамилии ученого, выпрямитель Натура — это устройство, представляющее собой два последовательно включенных однополупериодных выпрямителя. Оно предназначено для питания нагрузки постоянным напряжением. Принципиальная схема симметричного удвоителя переменного напряжения дана на рис. 1.

Рис. 1

Пусть в течение одного полупериода к катоду диода VD1 и к аноду диода VD2 приложено положительное напряжение. Диод VD1 будет закрыт, и обратный ток через него будет мал, а диод VD2 будет открыт, и через него будет течь ток, заряжающий конденсатор С2.

В течение второго полупериода к катоду диода VD1 и к аноду диода VD2 будет приложено отрицательное напряжение. Диод VD1 будет открыт, и через него будет течь ток, заряжающий конденсатор С1, а в это время диод VD2 будет закрыт. Напряжение на нагрузке будет в два раза больше, чем на одном конденсаторе, ввиду того, что конденсаторы включены последовательно. Емкость конденсаторов выбирают так, чтобы в течение периода они не сильно разрядились. Если ток нагрузки невелик и высока частота питающей сети, то емкость конденсаторов С1 и С2 может быть небольшой.

Реакция нагрузки рассматриваемого удвоителя — емкостная. Наиболее рационально использовать симметричный удвоитель напряжения для обеспечения высокого выпрямленного напряжения, составляющего от сотен вольт до нескольких киловольт, при мощности нагрузки примерно до 100 Вт и при небольшом токе нагрузки от единиц до сотен миллиампер.

Чем выше частота питающей сети, тем ниже внутреннее сопротивление удвоителя напряжения и тем выше его эффективность. При протекании через диоды одинаковых постоянных составляющих тока подмагничивание сердечника отсутствует. Пульсация на каждом из конденсаторов С1 и С2 равна частоте сети переменного тока, а частота пульсации на нагрузке равна удвоенной частоте питающей сети.

Достоинства:

отсутствие подмагничивания магнитопровода трансформатора ТV1;
возможно функционирование удвоителя напряжения без трансформатора.

Недостаток: при неравной величине потребления нагрузкой тока в течение полупериодов или при наличии неодинаковых емкостей конденсаторов С1 и С2 не исключено возникновение пульсаций выпрямленного напряжения с частотой питающей сети. По этой причине емкость конденсаторов необходимо выбирать с существенным запасом с учетом неравномерного уменьшения емкостей при старении конденсаторов, а параллельно с каждым конденсатором желательно включить по резистору с одинаковыми номинальными сопротивлениями, которые будут выравнивать напряжения на конденсаторах.

Однофазный умножитель напряжения

Для получения из относительно низкого переменного напряжения питающей сети в несколько раз более высокое выпрямленное напряжение используют умножители с большим числом диодов и конденсаторов. Увеличить напряжение можно в определенное целое число раз, что отражает коэффициент умножения. Принципиальная схема однофазного умножителя переменного напряжения с коэффициентом умножения 5 показана на рис. 2.

Рис. 2

Поскольку выходное напряжение рассматриваемого умножителя напряжения в пять раз выше входного, говорят, что коэффициент умножения равен 5.

Изучим принцип действия умножителя напряжения, пренебрегая падением напряжения на диодах в прямом включении. Напряжения на вторичной обмотке трансформатора могут быть неравны условно при положительной и при отрицательной полярности, что имеет место в трансформаторе блока строчной развертки, и поэтому при описании принципа действия будем указывать эти два напряжения, соответственно как U1 и U2, отдельно. На вход умножителя с вторичной обмотки трансформатора ТV1 поступает переменное напряжение, причем положительное напряжение U1 приложено к конденсатору С1, а отрицательное — к катоду диода VD1 и конденсатору С2. Конденсатор С1 заряжается через открытый диод VD1 до напряжения U1.

При смене полярности напряжения на вторичной обмотке трансформатора ТV1 диод VD1 заперт. Ток течет по цепи от вторичной обмотки трансформатора ТV1, через конденсатор С2, диод VD2, конденсатор С1 и притекает во вторичную обмотку трансформатора. Конденсатор С2 заряжается до напряжения, равного сумме обратного напряжения U2 на вторичной обмотке трансформатора ТV1 и напряжения на заряженном конденсаторе С1, т.е. U1 + U2.

При новой смене полярности питающего переменного напряжения диод VD2 закрывается, а диод VDЗ открывается, и через него заряжается конденсатор СЗ. К правой обкладке конденсатора СЗ приложена сумма напряжений на заряженном конденсаторе С2 и на вторичной обмотке трансформатора, т.е. U1+(U1+U2), а к левой обкладке приложено напряжение -U1 с заряженного конденсатора С1. Поскольку оба приложенных к обкладкам конденсатора напряжения направлены встречно, конденсатор СЗ заряжается до разности напряжений: UСЗ = U1+(U1+U2)-U1 = U1+U2.

При очередной смене полярности переменного напряжения на вторичной обмотке трансформатора ТV1 диод VDЗ закрывается, а диод VD4 открывается. Через открытый диод VD4 заряжается конденсатор С4. К правой обкладке конденсатора С4 приложено напряжение заряженных конденсаторов С1 и СЗ, а к левой — напряжение на конденсаторе С2 и напряжение U2 с вторичной обмотки трансформатора ТV1. Эти два напряжения направлены встречно, поэтому напряжение на конденсаторе С4 можно найти следующим образом: UС4= U1+U1+U2-(U1+ U1-U2)=U1+U2.

При следующей смене полярности переменного напряжения на обмотке трансформатора ТV1 диод VD4 закрывается, а диод VD5 открывается, и через него заряжается конденсатор С5. Напряжение на конденсаторе С5 — это разность между приложенными к его обкладкам напряжениями U1+UC2+UС4 и UC1+UCЗ, что можно записать в виде формулы: UC5 = U1+U1+U2+U1+U2-(U1+U1+U2) = U1+U2.

Как видим, к конденсаторам C2, CЗ, С4 и C5 приложено напряжение U1 + U2, а напряжение, приложенное к нагрузке умножителя, равно сумме напряжений на конденсаторах С1, СЗ и С5 ввиду того, что они включены последовательно. Напряжение на нагрузке будет равно: URн = U1+U1+U2+U1+U2 = 3U1 + 2U2.

Обычно конструктивно умножители напряжения представляют собой соединенные определенным образом диоды и конденсаторы, залитые эпоксидным компаундом и выполненные в виде монолитного компонента.

Умножители напряжения используют для получения высокого напряжения, которым, например, питают второй анод кинескопа телевизионного приемника с электронно-лучевой трубкой. В таких умножителях напряжения обычно применяют пять диодов и четыре конденсатора или пять конденсаторов и шесть диодов. Кроме того, умножители напряжения в телевизорах вырабатывают напряжение, подаваемое на фокусирующий электрод кинескопа. С этой целью в корпусе умножителя напряжения предусмотрен специальный вывод.

Зачастую в каскадах строчной развертки телевизоров используют не отдельные умножители напряжения, а высоковольтные трансформаторно-выпрямительные блоки. Такие блоки содержат залитые компаундом диоды, конденсаторы и строчный трансформатор. Использование монолитного умножителя напряжения вместо высоковольтного трансформатора позволяет повысить надежность изделия ввиду отсутствия внешних соединений высоковольтных цепей и меньшего напряжения между обмотками трансформатора.

Достоинство умножителя напряжения: напряжение на всех конденсаторах, исключая первый, равно сумме напряжений на вторичной обмотке трансформатора при его положительной и отрицательной полярности.

Недостатки:

требуется большое количество диодов, число которых зависит от желаемого коэффициента умножения;
необходимо использовать запасающие энергию конденсаторы;
частота пульсации выходного напряжения равна частоте питающей сети.

Умножители напряжения параллельные, последовательные, двухполупериодные, однополупериодные

А не забацать ли нам с утреца электроэффлювиальный излучатель? Наполнить атмосферу лёгким отрицательным аэроионом — чтоб не слабее воздуха гор, соснового леса или морского прибоя.
Что ещё надо человеку, чтобы встретить безмятежную старость?
А надо-то всего ничего — фруктовый кефир и источник напряжения на пару-тройку десятков киловольт.

Трансформатор на такие напряжения — штука нешуточная, специфическая, подвластная не каждому энтузиасту. Значительно более простым решением будет использование умножителей напряжения, находящих место не только в радиолюбительских поделках, но и широко применяющихся в электронных устройствах промышленного производства.
Происходит это благодаря приятным свойствам умножителей — возможности формировать высокое, до нескольких десятков и сотен тысяч вольт, напряжение при малых габаритах, массе и простоте расчёта и изготовления.

Приведём основные типы умножителей напряжения.

Рис.1 Рис.2

Необходимая ёмкость конденсаторов в этой схеме определяется по приближенной формуле:

С = 2,85×N×Iн / (Кп×Uвых) = 2,85×N / (Кп×Rн), Мкф , где

При одинаковых выходных токах, величины ёмкостей конденсаторов C4 и C6 в параллельном умножителе меньше, чем в последовательном кратно количеству ступеней. Так, если в последовательном ёмкость конденсатора С6 — 100 МкФ, то для трёхступенчатого параллельного умножителя потребуется ёмкость 100 / 3 = 33 МкФ.

Представленная формула расчёта ёмкостей умножителей верна для частоты напряжения сети — 50Гц. Однако, наиболее эффективно использование умножителей напряжения при их питании напряжением высокой частоты от специального преобразователя. В этом случае величины ёмкостей уменьшаются пропорционально кратности увеличения частоты преобразователя.

Количество ступеней умножителя нельзя увеличивать до бесконечности — с ростом числа секций их вклад в увеличение выходного напряжения быстро уменьшается. К тому же представленные несимметричные умножители напряжения являются однополупериодными и не обладают высокой нагрузочной способностью.

В связи с этим, при необходимости дальнейшего наращивания выходного напряжения и мощности, подводимой к нагрузке свыше 50 Вт — прямая дорога у нас лежит к симметричным двухполупериодным умножителям напряжения.
Симметричная схема умножения напряжения получается, если запараллелить входы двух несимметричных схем, рассчитанных в таблице, у одной из которых необходимо сменить полярность подключения электролитических конденсаторов и диодов.
В результате вырисовываются следующие схемы.

Рис.3 Рис.4

На Рис.3 приведена схема последовательного симметричного двухполупериодного умножителя, на Рис.4 — схема параллельного симметричного двухполупериодного умножителя напряжения.

При необходимости поиметь двуполярное питание, точку 0U следует подключить к земляной шине.

Умножители напряжения

Назначение умножителей напряжения, структура и нагрузочная способность

Умножители напряжения по структуре представляют собой специализированные выпрямители, обеспечивающие повышение выходного напряжения в целое число раз. Отсюда и название – умножители напряжения. [Диссертация — Хречков, Николай Григорьевич «Динамические характеристики умножителей напряжения высоковольтных электротехнических систем», 2006 г.]. Традиционным является применение умножителей напряжения в высоковольтных источниках питания, что позволяет существенно уменьшить их массогабаритные показатели. Дело в том, что использование в высоковольтных источниках выпрямителей (однополупериодного, с общей точкой, мостового) в источниках высокого напряжения оправдано только в случае, когда требуется высокая мощность источника, поскольку при использовании выпрямителя необходимо и использовать трансформатор, рассчитанный на напряжение, равное выходному. Разработка и создание трансформаторов с высоким выходным напряжением (более 15-20 кВ) является сложной технической задачей (секционирование обмоток, межслоевая изоляция, заливка компаундом и т.д.) кроме этого трансформаторы такого класса имеют большие габариты и стоимость. Использование умножителя напряжения позволяет снизить требования к выходному напряжению трансформатора и существенно упростить его конструктив. Таким образом, умножитель напряжения является одним из базовых элементов высоковольтного преобразователя.

На вход умножителей напряжения подается переменное напряжение, на выходе получаем умноженное постоянное. Любой умножитель содержит в себе два типа элементов – конденсаторы и диоды. По структуре электрической схемы умножители делятся на несимметричные и симметричные. Отличие заключается в том, что в симметричных схемах ток, потребляемый от источника переменного напряжения, одинаков по форме в течение обоих полупериодов, а в несимметричных схемах формы импульсов тока при отрицательном и положительном полупериодах различны. Это может вызвать «вылет» рабочего режима магнитопровода в область насыщения. Кроме этого частота пульсаций в симметричных умножителях напряжения в два раза меньше по сравнению с несимметричными, что обеспечивает их лучшую нагрузочную способность. Поэтому при большой выходной мощности высоковольтного источника целесообразно применять симметричные умножители. При этом важно понимать, что симметричный умножитель состоит из двух несимметричных.

Подробный аналитический расчет режимов работы умножителей напряжения представлен в [Диссертация — Хречков Николай Григорьевич «Динамические характеристики умножителей напряжения высоковольтных электро-технических систем», 2006 г.].

Факторы, влияющие на нагрузочную способность умножителя напряжения:

Структура схемы определяет нагрузочную способность умножителя, симметричные схемы умножения напряжения имеют несколько большую нагрузочную способность по сравнению с несимметричными.

Частота напряжения на входе умножителя. Нагрузочная способность прямо пропорциональна частоте, с ограничениями по верхней её величине накладываемым паразитными элементами схемы – емкостями диодов, индуктивностями проводников схемы и обкладок конденсаторов. Кроме этого, конденсаторы имеют некоторую пороговую частоту, выше которой снижается максимально допустимая величина напряжения.

Величина емкости входящих в его состав конденсаторов. Нагрузочная способность прямо пропорциональна емкости конденсаторов в звеньях умножителя.

Число звеньев умножителя. Нагрузочная способность обратно пропорциональна числу звеньев умножителя.

Форма напряжения в теории может быть любой, однако максимальная нагрузочная способность при прочих равных факторах достигается, при напряжении, имеющем форму разнополярных прямоугольных импульсов одинаковой амплитуды.

Ниже представлены типовые схемы умножителей напряжения различных типов.

Несимметричный умножитель напряжения (Villard cascade)

Рисунок MULT.1 — Электрическая схема несимметричного умножителя напряжения

Принцип работы: В течение отрицательного полупериода конденсатор C1 заряжается от источника переменного напряжения до амплитудного значения; в течение положительной полуволны к конденсатору C2 прикладывается суммарное напряжение источника питания и конденсатора C2 и за нескольких периодов он заряжается до удвоенного напряжения. Аналогично ступенчато происходит заряд последующих конденсаторов: заряд конденсатора C3 происходит, начиная со второго отрицательного периода, конденсатора C4 – начиная со второго положительного и так далее. Так, за несколько периодов умножитель выходит на квазистационарный режим и суммарное выходное напряжение на каждом из конденсаторов, кроме первого равно удвоенному амплитудному значению источника. Максимальное обратное напряжение на диодах также равно удвоенному амплитудному значению.

Особенности: универсальность, низкая нагрузочная способность. Эффективность резко снижается с увеличением числа звеньев умножителя. Общая «земля».

Величина пульсаций на выходе умножителя ∆V для синусоидальной формы выходного напряжения определяется по формуле [E. Kuffel, W.S. Zaengl and J. Kuffel. High Voltage Engineering Fundamentals (Second Edition). Newnes. 2000. 539 p.; http://www.kronjaeger.com/hv/hv/src/mul/ ]:

при C1=C2=C3 =… Cn;

при 0.5 C1=C2=C3 =… Cn (то есть при удвоенном значении емкости C1 относительно остальных).

где n – число звеньев умножителя.

Симметричный умножитель напряжения (Double Villard cascade)

Данный симметричный умножитель напряжения фактически представляет собой два соединенных несимметричных умножителя с различными полярностями напряжения относительно общей точки.

Рисунок MULT.2 Электрическая схема симметричного умножителя напряжения (последовательный тип)

Принцип работы: аналогичен принципу работы несимметричного умножителя напряжения (Villard cascade).

Особенности: универсальность, низкая нагрузочная способность. Эффективность резко снижается с увеличением числа звеньев умножителя. Общая «земля». Возможность реализации двух полярностей напряжения относительно общей точки. Различные варианты подключения источника питающего переменного напряжения к умножителю (рисунок MULT.2). Преимуществом схемы является одинаковое падение напряжения на конденсаторах, что позволяет использовать конденсаторы одного типа (рассчитанных на одинаковое напряжение).

Величина пульсаций на выходе умножителя ΔV рассчитывается по выше приведенным соотношениям, умноженным на два (поскольку фактически умножителей в структуре схемы два).

Симметричный умножитель напряжения Шенкеля – Вилларда

Рисунок MULT.3 — Электрическая схема симметричного умножителя напряжения Шенкеля – Вилларда (параллельный тип)

Принцип работы: в течение первого положительного полупериода происходит заряд емкостей С1, С3, … Сn (нечетные) до напряжения питания, во время последующей отрицательной полуволны заряжаются емкости С2, С4, … С(n-1) (четные) заряжаются до напряжения питания через четные емкости уменьшая их напряжение практически до нуля. В течение следующего положительного периода заряд каждого нечетного конденсатора происходит удвоенным напряжением последовательного соединения источника питания и четного конденсатора умножителя. При этом нечетные конденсаторы заряжаются до напряжения большего амплитудного. В процессе работы происходит ступенчатый рост напряжения на конденсаторах умножителя начиная с Сn.

Особенности: симметричная схема, превосходная нагрузочная способность, ступенчатое увеличение напряжения на каждом звене. Общая «земля».

Гибридный умножитель напряжения последовательно-параллельного типа

Рисунок MULT.4 — Электрическая схема симметричного умножителя напряженияумножитель напряжения последовательно-параллельного типа

Принцип работы: в течение первого положительного полупериода происходит заряд емкостей последовательного столба С2, С4, … Сn (четные) главным образом через емкость С1 заряжающейся в течение первого положительного полупериода противоположно. В течение следующего отрицательного полупериода происходит заряд нечетных емкостей С1, С3, … С(n-1) до уровней напряжений превышающих амплитудное, поскольку к ним прикладывается суммарное напряжение источника питания и емкостей последовательного столба С2, С4, соединенных последовательно. При этом С(n-1) емкость имеет максимальное напряжение, поскольку к ней прикладывается напряжение полного столба и источника питания, а «нижние» емкости заряжаются до меньшего напряжения поскольку к ним прикладывается напряжение только части последовательного столба. В этот полупериод емкости последовательного столба несколько разряжаются.

В течение следующего положительного периода емкости последовательного столба С2, С4 заряжаются до большего чем в предыдущем положительном полупериоде уровня напряжения, так как к ним прикладывается суммарное напряжение источник питания и напряжений на емкостях С1, С3, … С(n-1). Так в процессе работы происходит ступенчатый рост напряжения на конденсаторах и соответствующее увеличение выходного напряжения.

Особенности: гибридная схема, обеспечивающая высокую нагрузочную способность симметричных схем. Преимуществом схемы является возможность использования в правом ёмкостном «столбе» одинаковых (рассчитанных на одинаковое напряжение) конденсаторов большой емкости качестве накопительно-фильтрующих элементов и применение конденсаторов меньшей емкости в левой части схемы, но рассчитанных на существенно большее напряжение (по причине ступенчатого увеличения напряжения на каждом звене). Общая «земля».

Симметричный умножитель на основе диодных мостов

Рисунок MULT.5 — Электрическая схема симметричного умножителя напряжения на основе диодных мостов

Принцип работы: в целом аналогичен принципу работы симметричного умножителя напряжения Шенкеля – Вилларда.

Особенности: хорошая нагрузочная способность. Одна из классических схем умножения напряжения в высоковольтных источниках питания для физических экспериментов.

Симметричный двухполупериодный умножитель Кокрофта-Уолтона

Рисунок MULT.6 — Электрическая схема симметричного умножителя напряженияКокрофта-Уолтона

Особенности: хорошая нагрузочная способность. Схема широко используется высоковольтных источниках питания для физических экспериментов.

Величина пульсаций на выходе умножителя для синусоидальной формы выходного напряжения определяется по формуле [А.А. Ровдо Полупроводниковые диоды и схемы с диодами. Лайт Лтд. 2000. 286 с.]:

при C1=C2=C3 =… Cn;

Удвоитель напряжения Латура-Делона-Гренашера

Рисунок MULT.7 — Удвоитель напряжения Латура-Делона-Гренашера

Фактически схема является удвоенным однополупериодным выпрямителем напряжения, верхнее плечо которого выпрямляет положительную полуволну, нижнее – отрицательную.

Принцип работы: в течение положительного полупериода через диод VD1 заряжается конденсатор C1, в течение отрицательного полупериода через диод VD2 заряжается конденсатор C2. К нагрузке прикладывается удвоенное напряжение.

Особенности: хорошая нагрузочная способность. Симметричная схема. Классика.

Примеры схемотехнических реализаций умножителей напряжения

Далее представлены несколько частных случаев умножителей напряжения.

Утроители напряжения

Рисунок MULT.8 — Частный случай несимметричного умножителя напряжения с числом ступеней равным 3

Рисунок MULT.9 — Частный случай симметричного умножителя напряжения Шенкеля – Вилларда с числом ступеней равным 3.

Умножители на 4

Рисунок MULT.10 — Частный случай гибридного умножителя напряжения с числом звеньев равным 4.

Рисунок MULT.11 — Частный случай симметричного умножителя напряжения Шенкеля – Вилларда с числом ступеней равным 4.

Умножитель на 6

Рисунок MULT.12 — Частный случай симметричного умножителя напряжения с различным числом ступеней (см. рисунок MULT.2 симметричного умножителя) и однополярным включением относительно общей точки.

Умножитель на 8

Рисунок MULT.13 — Частный случай симметричного умножителя напряжения (см. рисунок MULT.2 симметричного умножителя) и однополярным включением относительно общей точки.

Требования к диодам и конденсаторам умножителей напряжения

Основные требования, предъявляемые к диодам, используемым в схемах умножителей:

– максимально допустимая величина обратного напряжения диода должна с запасом (как минимум на 20 %) превышать рабочее напряжение в схеме;

— быстрое восстановление изолирующих свойств при смене полярности напряжения. С этой целью рекомендуется использование диодов класса Ultra-Fast с временем обратного восстановления порядка 10-50 нс;

— малая паразитная емкость. В связи с этим не является целесообразным использование диодов с большим запасом по току, т.к. у них большая емкость.

Как правило, средние значения тока протекающего через диоды умножителей напряжения не превышает сотен миллиампер, поэтому в умножителях напряжениях используются диоды, рассчитанные на малый ток и большое напряжение (таблица MULT.1). При необходимости обеспечения большего значения обратного напряжения допустимо использование последовательного соединения диодов, но при этом необходимо, чтобы диоды были одинакового типа и желательно одной партии.

Таблица MULT.1 — Основные характеристики быстродействующих диодов

Марка диода	Корпус	Максимальное обратное напряжение, В	Средний ток, А	Время обратного восстановления, нс	Общая емкость, пФ
UF4007	DO-41	1000	1,0	75	17
HER108	DO-41	1000	1,0	75	15
HER158	DO-15	1000	1,5	75	25
SF16	DO-41	600	1,0	35	10
HFA04TB60	TO-220AC	600	4,0	28	4
HFA06TB120	TO-220AC	1200	6,0	26	9
BYV26E	SOD-57	1000	1,0	75	25
MUR1100E	CASE 59−10	1000	1,0	75	<15
AU1PM	DO-220AA (SMP)	1000	1,0	75	7,5
SEOM	SMA	1000	1,5	100	50
SE3M	SMC	1000	3,0	100	50
STTh212	SMA	1200	1,0	75	—
ES1K	SMA	800	1,0	35	10
US1M	SMA	1000	1,0	75	10

Таблица MULT.2 — Основные характеристики высоковольтных диодов

Марка диода	Корпус	Максимальное обратное напряжение, В	Средний ток (импульсный ток), А	Время обратного восстановления, нс	Общая емкость, пФ
2CL69	D3ммх8мм	4000	0,005 (0,5)	100	1
2CL70	D3ммх8мм	6000	0,005 (0,5)	100	1
2CL71	D3ммх8мм	8000	0,005 (0,5)	100	1
2CL72	D3ммх10мм	10000	0,005 (0,5)	100	1
2CL73	D3ммх10мм	12000	0,005 (0,5)	100	1
2CL74	D3ммх10мм	14000	0,005 (0,5)	100	1
2CL75	D3ммх20мм	16000	0,005 (0,5)	100	1
2CL76	D3ммх20мм	18000	0,005 (0,5)	100	1
2CL77	D3ммх20мм	20000	0,005 (0,5)	100	1
UX-FOB	7ммх7ммх22мм	8000	0,5 (20)	40	—

Основные требования, предъявляемые к конденсаторам, используемым в схемах умножителей:

– максимально допустимая величина напряжения заряда конденсатора должна с запасом (как минимум на 20 %) превышать рабочее напряжение в схеме. При этом необходимо учитывать уменьшение амплитуды максимально допустимого напряжения на конденсаторе с ростом частоты. Эти данные приводятся в справочных листах (datasheet) фирмами-производителями.

– при высокой частоте входного напряжения (более 500 Гц) необходимо использовать неполярные конденсаторы;

– среди неполярных конденсаторов рекомендуется использовать керамические конденсаторы с диэлектриками, имеющими минимальные потери — NPO, X7R, X5R или пленочные полистирольные и полипропиленовые;

– с целью уменьшения потерь целесообразно использовать типы конденсаторов, имеющие малое сопротивление утечки;

— предпочтительнее использовать конденсаторы с конструкцией обеспечивающей минимальную паразитную индуктивность — дисковые и многослойные.

Для построения умножителей высоковольтных источников питания можно использовать высоковольтные дисковые конденсаторы фирмы Murata [Ссылка]. Ниже представлены сводные таблицы о характеристиках высоковольтных конденсаторов фирмы Murata.

Таблица MULT.3. Характеристики высоковольтных дисковых конденсаторов фирмы Murata

Марка конденсатора	Свойства	Максимальное напряжение, В	Общая емкость, пФ	Размер		Диапазон рабочих температур
Марка конденсатора	Свойства	Максимальное напряжение, В	Общая емкость, пФ	Диаметр, мм	Толщина, мм	Диапазон рабочих температур
DEH – серия	Керамические, малый нагрев	500	330-4700	6-14	4	-25 +125
		1000	220-4700	7-17	4,5
		2000	220-4700	7-21	5
		3150	150-2700	7-19	6
DEA – серия	Керамический, малый нагрев	1000	10-560	4,5-12	4	-25 +125
		2000	10-560	4,5-15	5
		3150	10-390	5-16	6
DEB – серия	Керамический, Малый размер при большой емкости	1000	100-10000	4,5-15	4	-25 +85
		2000	100-10000	4,5-16	5
		3150	100-4700	5-15	6
DEC — серия	Керамический, Предназначены для схем умножителей и эл. балластов	6300	10-2200	7-15	7,5-10	-25 +85

Умножители напряжения. (Лекция 3) — презентация онлайн

1. УМНОЖИТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЯ

Электропитание систем связи
Лекция 3
Нетикова Л.И.
УМНОЖИТЕЛИ
НАПРЯЖЕНИЯ
ХНУРЭ факультет ТКВТ кафедра ТКС
Тема: Умножители напряжения
Цель лекции – изучить основные схемы умножителей, применяемые для
источников электрического питания (ИЭП) устройств электросвязи
Содержание:
• Классификация умножителей напряжения
•Симметричный умножитель — схема Латура
•Несимметричный умножитель 1-го рода (НУН-1)
•Несимметричный умножитель 2-го рода (НУН-2) схема 1
•Несимметричный умножитель 2-го рода (НУН-2) схема 2
Умножителем
напряжения
называется
выпрямительное
устройство, в котором с помощью диодно–емкостных ячеек формируется
постоянное напряжение
U 0 n U 2max
Umax 2 U2
Умножители напряжения
1 Симметричные (Схема Латура)
2 Несимметричные:
— несимметричные умножители 1-го рода (параллельные умножители НУН-1)
— несимметричные умножители 2-го рода (последовательные умножители НУН-2)
3 Сверхвысоковольтные генераторы (генераторы Маркса)
Электролитический конденсатор
Конденса́тор — двухполюсник с определённым значением ёмкости
и малой омической проводимостью; устройство для накопления энергии
электрического поля
Конденсатор в цепи постоянного тока может проводить ток в
момент включения его в цепь (происходит заряд или перезаряд
конденсатора), по окончании переходного процесса ток через конденсатор
не течёт, так как его обкладки разделены диэлектриком. В цепи же
переменного тока он проводит колебания переменного тока посредством
циклической перезарядки конденсатора, замыкаясь так называемым током
смещения.
Umax 2 U2
Схема Латура
VD1=VD2
C1=C2
C1=U2m
Umax 2 U2
fп = 2fc
Параллельные умножители напряжения, для которых требуется
меньшая емкость конденсатора на ступень умножения.
Наиболее часто применяют последовательные умножители. Они более
универсальны, напряжение на диодах и конденсаторах распределены
равномерно, можно реализовать большее число ступеней умножения. Имеют
свои достоинства и параллельные умножители. Однако такой их недостаток,
как увеличение напряжения на конденсаторах с увеличением числа ступеней
умножения, ограничивает их применение до выходного напряжения примерно
20 кВ.
Несимметричный умножитель 1го рода (НУН-1)
C1=U2m
C2=2U2m
C3=3U2m
C4=4U2m
U L 10 U 2max
fп = fc
Во время действия отрицательного полупериода напряжения
конденсатор С1 заряжается через открытый диод VD1 до амплитудного
значения приложенного напряжения Uа. Когда к входу умножителя приложено
напряжение положительного полупериода, конденсатор С2 через открытый
диод VD2 заряжается до напряжения 2Uа. Во время следующего этапа отрицательного полупериода — через диод VD3 до напряжения 2Uа заряжается
конденсатор С3. И, наконец, при очередном положительном полупериоде до
напряжения 2Uа заряжается конденсатор С4. Очевидно, что запуск
умножителя происходит за несколько периодов переменного напряжения.
Постоянное выходное напряжение складывается из напряжений на
последовательно включенных и постоянно подзаряжаемых конденсаторах С2
и С4 и составляет 4Uа. Изображенный на рисунке умножитель относится к
последовательным умножителям.
Несимметричный умножитель 2-го
рода (НУН-2) схема 1
C1=U2m
C2=C3=…=Cn =
fп = f c
2 U 2max
Несимметричный умножитель 2-го
рода (НУН-2) схема 2
C1=U2m C2, C3=2U2m
fп = f c
При практической реализации умножителя следует уделить особое внимание
выбору его элементов, их размещению и изоляционным материалам.
Конструкция должна обеспечивать надежную изоляцию во избежание
возникновения коронного разряда, который снижает надежность умножителя,
приводит к выходу его из строя. Если требуется изменить полярность
выходного напряжения, полярность включения диодов следует изменить на
обратную.
Выводы
В умножителях напряжения с чётным числом диодно-емкостных ячеек
отсутствует подмагничивание сердечника силового трансформатора, поэтому их
можно включать в сеть без трансформатора.
Во всех схемах умножителей напряжения обратное напряжение на вентилях
диодно-емкостных ячеек равно двойному значению амплитуды входного
переменного напряжения.
С помощью диодно-емкостных ячеек возможно умножение напряжения путём
передачи запасённой конденсатором энергии от ячейки к ячейке с
наращиванием потенциала либо путём заряда последовательно включённых
конденсаторов до двойного напряжения.
Контрольные вопросы
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Способы получения повышенного напряжения.
Классификация умножителей напряжения.
Схема Латура. Особенности работы схемы.
Причины, которые могут привести к появлению в схеме Латура пульсаций,
равных частоте сети.
Схемы НУН-1, НУН-2. Особенности работы схем.
Чему равна частота пульсаций на нагрузке несимметричных схем
умножения напряжения?
Чему равно обратное напряжение на вентилях в несимметричном
умножителе напряжения первого рода?
Можно ли несимметричные умножители напряжения включать в сеть без
силового трансформатора?
Какие требования предъявляют к конденсаторам несимметричных
умножителей напряжения?
Подмагничивание сердечника силового трансформатора
Подмагничивание происходит ПОСТОЯННОЙ составляющей во вторичной
обмотке, т.е к переменному току добавляют (а в случае с первичной обмоткой
вычитают) постоянный ток.
Принцип трансформации основан на переменном магнитном поле, сцепленном
с витками катушки. Сердечник трансформатора — металл ферромагнетик
служит проводником магнитного потока. Все ферромагнетики имеют доменную
структуру, домен — маленький «магнитик» в составе кристаллической решетки
металла. Домен имеет южный и северный магнитные полюса и выстраивается
в металле по внешнему магнитному полю.
В переменном магнитном потоке (симметричном, синусоидальном) домены
вращаются с частотой тока в намагничивающей обмотке, грубо говоря сначала
все разворачиваются «на юг» (при положительно полуволне в обмотке), а потом
«на север» (при отрицательной полуволне).
При появлении постоянной составляющей, домены перестают до конца
поворачиваться на север (или на юг в зависимости от знака тока). Получается,
что амплитуда колебаний магнитного потока падает (домены вращаются не на
180 градусов, а на меньший угол), трансформатор входит в насыщение.
ЭДС генерируемая во вторичной обмотке: E = 4,44FwФ,
где F — частота в Гц, w — число витков в катушке вторичной обмотки, а Ф магнитный поток в сердечнике.
Т.е. при снижении потока падает и ЭДС, а для обеспечения повышенного
потока следует увеличить ток в намагничивающей обмотке.
В схемах выпрямления с чётным значением коэффициента фазности
m2 отсутствует подмагничивание сердечника силового трансформатора, так
как в фазных обмотках выпрямленные токи текут в противоположных
направлениях.

Умножитель напряжения

Умножители напряжения сейчас используются во многих видах аппаратуры. Это устройство, с помощью которого можно преобразовать переменное напряжение в постоянное высоковольтное. В большинстве случаев умножители используются в телевизионных устройствах, в медицинском оборудовании и т. д. Он сделан из диодов и конденсаторов, чтобы получить напряжение больше киловольта, необходимо применять специальные для этого высоковольтные диоды и неполярные конденсаторы.

Схема умножителя напряжения

Умножители напряжения делятся на два основных типа, этопараллельные и последовательные. Умножители напряжения способны увеличивать переменное напряжение на входе в несколько десятков раз, на выходе умножителя появляются высоковольтные импульсы постоянного тока. Умножитель низковольтного напряжения (это когда меньше киловольта на выходе) может быть изготовлен из конденсаторов постоянного тока. Самый важный недостаток умножителя напряжения, это совсем небольшая сила тока на выходе, а если в умножитель напряжения установить много секций конденсаторов, то тогда последние секции хорошо заряжаться не будут и на выходе может оказаться меньше ожидаемого.

Умножитель напряжения (он же генератор Кокрофта-Уолтона) был назван в честь двух физиков, они в 1932 году создали самый первый умножитель напряжения. Вообще в первую очередь этот генератор был изготовлен для исследований в ядерной физике, за это изобретатели в 1951 году оказались обладателями нобелевской премии. Некоторые считаю, что его первым создал швейцарский учёный — физик Генриха Грейнахера. На вход напряжение идёт с выхода высокочастотного трансформатора и увеличивается до необходимой величины в генераторе Кокрофта-Уолтона.

Они используются в лазерном оборудовании и в подсветке на больших экранах. Радиолюбителями умножитель напряжения может понадобиться в высоковольтных устройствах, допустим на люстре Чижского, «самопальных» шокерах, для ионизации воздуха и в счётчике Гейгера. Крошечные умножители напряжения служат ещё для питания микросхем. Умножитель напряжеения хорош тем, что от него нет шума, тепло от него не исходит, но при этом мощность на выходе очень мала.

Вообще конечно штука довольно интересная. Теперь вам понятно, что это такое и принцип работы.

Схема умножителя емкости транзистора

»Примечания по электронике

Умножитель емкости транзистора может использоваться для дополнительного сглаживания во многих областях электроники

Типы транзисторных цепей

Включают:
Типы транзисторных цепей Общий эмиттер Эмиттер-повторитель Общая база Пара Дарлингтона Пара Шиклай Текущее зеркало Длиннохвостая пара Источник постоянного тока Множитель емкости Двухтранзисторный усилитель Фильтр высоких частот

См. Также: Конструкция транзисторной схемы

Умножитель емкости — очень полезная схема во многих отношениях — она обеспечивает значительное улучшение сглаживания за счет усиления транзистора.

Транзисторный умножитель емкости не только обеспечивает улучшенные характеристики, но также позволяет сэкономить место. Конденсаторы высокой емкости часто могут занимать много места, и поэтому умножитель емкости транзистора может помочь уменьшить размер конденсатора и, следовательно, уменьшить пространство.

В частности, схема умножителя емкости важна в областях, где первостепенное значение имеют хорошие шумовые характеристики. Часто обнаруживается, что многие линейные регуляторы напряжения или даже внутри импульсных регуляторов могут создавать высокие уровни шума в результате механизма переключения.

Во многих схемах первостепенное значение имеют хорошие шумовые характеристики. Например, в радиочастотных схемах, использующих петли фазовой автоподстройки частоты, низкий фазовый шум часто имеет решающее значение, особенно когда данные передаются с использованием фазовой модуляции. Любой шум в источнике питания может проявляться как фазовый шум, что, в свою очередь, приводит к увеличению количества ошибок по битам.

Системы сбора данных также требуют очень низкого уровня шума в шинах питания. Цифро-аналоговые преобразователи высокого разрешения требуют малошумящих шин, в противном случае шум может превышать разрешение D2A, что отрицательно сказывается на высокой производительности и разрешающей способности.

Также в аудиосистемах высокого качества шумовые характеристики имеют первостепенное значение. Любой шум на шинах питания, особенно в каскадах предварительного усилителя, может привести к раздражающему шипению на выходе.

Это лишь несколько приложений, в которых схема умножителя емкости активного транзистора может использоваться для снижения уровня шума и улучшения характеристик шины питания.

Схема умножителя основной емкости

Базовая схема умножителя емкости представляет собой простой эмиттерный повторитель с конденсатором на базе и питающим резистором от входа к базе для включения транзистора.Конденсатор от базы к земле обеспечивает сглаживание.

Базовый транзисторный умножитель емкости

Работа схемы умножителя емкости довольно проста. Он действует как простой эмиттерный повторитель. Резистор R1 обеспечивает смещение для перехода база-эмиттер, а конденсатор обеспечивает сглаживание. Это значительно снижает уровень шума на выходе, то есть Vout.

Эффект от размещения транзистора в схеме заключается в том, что он эффективно умножает емкость базы на коэффициент усиления транзистора по току, т.е.е. по β

Схема умножителя емкости не является регулятором напряжения. Выходное напряжение напрямую зависит от входного Vin, так как опорное напряжение отсутствует. Обычно выходное напряжение примерно на 0,65 В меньше, чем базовое напряжение, и примерно на 2–3 В меньше, чем Vin при приложении нагрузки.

Уровни пульсаций и шума на выходе можно снизить до очень низкого уровня> Увеличение значений R1 и C1 уменьшает пульсации на выходе и все больше на низких частотах. С другой стороны, большие значения R1 и C1 заставляют выходной сигнал медленно повышаться до требуемого значения после включения из-за большой постоянной времени R1 и C1.

Модифицированный умножитель емкости

Недостатком схемы является то, что в ее базовой форме падение напряжения на последовательном транзисторе очень мало, а шумоподавление не так велико, как могло бы быть. Чтобы преодолеть это, некоторые люди помещают резистор на конденсатор, и это обеспечивает делитель потенциала, уменьшающий напряжение на базе и увеличивающий падение напряжения на транзисторе. Это позволяет обеспечить лучшее снижение шума, хотя увеличивает рассеиваемую мощность и снижает напряжение на Vout.

Умножитель емкости базового транзистора с делителем потенциала

Эта версия схемы умножителя емкости включает дополнительный резистор между базой и землей для уменьшения напряжения базы и обеспечения дополнительного падения напряжения на транзисторе для улучшения сглаживания. Это более важно, когда уровень пульсации выше.

Обычно напряжение через делитель потенциала должно быть достаточным для поддержания достаточного напряжения базы. Можно сделать вывод об уровне тока через делитель потенциала, но часто в схемах такого типа он может в десять раз превышать базовый ток.Это обеспечит поддержание напряжения эмиттера в широком диапазоне уровней выходного тока.

Пример применения умножителя емкости

Показанный здесь источник питания обеспечивает на данном этапе только сглаживание, а не стабилизацию или регулирование напряжения. Входной сигнал берется из сети и выпрямляется мостовым выпрямителем. Затем он переходит в сглаживающий конденсатор C1, чтобы обеспечить первое сглаживание и устранить основные колебания. Этот конденсатор должен обладать высокой способностью к пульсации тока, если источник питания будет использоваться для высоких уровней тока.

Следует помнить, что эффект умножения емкости может быть реализован только при наличии достаточного падения напряжения на последовательном транзисторе. Обычно это всегда должно быть минимум 3 вольта.

Конденсатор С2 подключен к базе транзистора TR1. Это обеспечивает емкость для эффекта умножения емкости.

TR1 является транзистором главного прохода и должен иметь возможность понижать требуемое напряжение и требуемый ток, поэтому может потребоваться расчет рассеиваемой мощности.

Пример применения емкостного умножителя

На выходе есть конденсатор, обеспечивающий дополнительную развязку и обеспечивающий стабильность цепи. Резистор обеспечивает сброс выходного напряжения при отключении питания. Диод D1 предотвращает обратное смещение транзистора.

Подобные расходные материалы можно использовать во многих областях, включая усилители звука и многие другие приложения.

Другие схемы и схемотехника:
Основы операционных усилителей Схемы операционных усилителей Цепи питания Конструкция транзистора Транзистор Дарлингтона Транзисторные схемы Схемы на полевых транзисторах Условные обозначения схем
Вернуться в меню «Конструкция схемы».. .

Фильтр источника питания умножителя емкости

Elliott Sound Products

пр.15,

верхний

Введение

Поскольку я представил схему усилителя класса A Джона Линсли-Гуда и производного от ESP под названием «Death of Zen» (DoZ), я почувствовал, что некоторые читатели могут пожелать поэкспериментировать с концепцией умножителей емкости.К сожалению, для многих усилителей класса A требуется источник питания с очень низким уровнем пульсаций, и наиболее распространенным решением является использование регулируемого источника питания. В статье представлена базовая схема, но предполагается, что строитель знает все подводные камни. Поставляемая схема JLL-Hood на самом деле предназначена для фильтра умножителя емкости (не регулятора), но в ней немного не хватает (я чувствую) и ее можно значительно улучшить.

ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ: Поскольку этот источник питания работает от сети, существует риск поражения электрическим током, если не проявить особую осторожность при сборке или испытании устройства.Если вы не уверены в своих способностях с оборудованием с питанием от сети, ни при каких обстоятельствах не пытайтесь построить …. пожалуйста, !

Хотя характеристики истинно регулируемого источника питания обычно будут отличными (при правильном проектировании и изготовлении), существует ряд проблем для сильноточной конструкции с низким уровнем пульсаций, если используются регуляторы. Два из основных:

Стабилизированное выходное напряжение должно быть ниже минимально возможного напряжения комбинации выпрямитель / фильтр, включая пульсации в сети.Это зависит от регулирования трансформатора и изменений в сети.
Схема должна быть способна рассеивать все избыточное напряжение от выпрямителя / фильтра при максимально возможном сетевом напряжении.

Предположим, что нам нужны следующие характеристики:

Выходное напряжение — 20 В (+ ve и -ve)
Выходной ток — 2,5 А макс. (В среднем 1,25 А)
Напряжение сети — номинальное 230 В переменного тока
- 260 В перем. Тока макс.
- 200 В переменного тока минимум

Эти характеристики являются типичными, поскольку в Великобритании, Европе и Австралии используется номинальная сеть 230 В, но напряжения можно легко масштабировать для сети 120 В США.Все они подвержены изменениям, как долгосрочным, так и краткосрочным.

На самом деле нас интересует не только входное напряжение сети, а только возможные варианты выходного сигнала комбинации трансформатор / выпрямитель / фильтр.

Для регулируемого выхода 20 вольт нам необходимо минимальное входное напряжение около 23 вольт, так как большинство схем регуляторов имеют «выпадение» напряжения, ниже которого они не могут регулироваться. Это напряжение является абсолютным минимумом, включая сетевые пульсации, которые будут накладываться на постоянный ток (см. Рис. 1).Обратите внимание, что для всех расчетов я предполагаю, что напряжение сети составляет 50 Гц. Результаты будут немного отличаться для 60 Гц (как используется в США), но не существенны.

Рисунок 1 — Базовый выпрямитель

Как только входное напряжение регулятора упадет ниже напряжения падения, регулирование, естественно, выйдет из строя, и на выходе появится пульсация. В конечном итоге это доходит до наших ушей, вызывая много бормотаний и жалоб, а грубые слова наверняка не останутся незамеченными!

Соображения по конструкции — Регулятор

Мы должны предположить, что трансформатор / выпрямитель / фильтр будет иметь регулировку порядка 10% (это довольно типично для двухполупериодного мостового выпрямителя).Используя обычное преобразование среднеквадратичного значения 1,414 в пиковое значение (квадратный корень из 2), а также несколько предположений, основанных на опыте, мы получаем минимальное требование: —

Выход трансформатора (без нагрузки) — 16,3 В RMS (каждое питание) плюс потери на диодах (0,65 В) = 17,6 В (приблизительно)
Предположим, что последовательное сопротивление трансформатора и выпрямителя эквивалентно 0,3 Ом
Принять емкость фильтра 4700 мкФ в качестве начального значения

Это обеспечит напряжение холостого хода около 23.5 Вольт как и ожидалось. При нагрузке примерно 2,5 А это изменится:

Выходное напряжение падает до 19,5 В постоянного тока (в среднем)
Пульсации напряжения чуть более 1 Вольт (пиковое значение 1,5 В, треугольная волна)
Минимальное выходное напряжение теперь составляет 19,5 — 1,5 В, пульсации = 18 В

Эти цифры были смоделированы, но реальность будет подозрительно близкой!

Легко видеть, что требуется гораздо большее напряжение, чтобы обеспечить поддержание минимального напряжения 23 Вольт.Оказалось (опять же из моего надежного симулятора), что требуется напряжение трансформатора 22 В RMS, что обеспечивает среднее значение постоянного тока 25,4 В, за вычетом пиковых пульсаций примерно 2 В. Достаточно близко.

А теперь самое неприятное! Все вышеперечисленное должно выполняться при минимально возможном сетевом напряжении. Ради (моего) здравомыслия предполагается, что это 200 В переменного тока, поэтому в приведенном выше наихудшем случае максимум 260 В, выход 22 В трансформатора теперь составляет 28,6 В. При полной нагрузке (2,5 А) это дает среднее напряжение постоянного тока почти 35 В.

Таким образом, регулятор будет иметь минимальное входное напряжение 25,4 В и максимальное 35 В, поэтому рассеиваемая мощность будет:

Среднее значение 6,75 Вт при минимальном входном напряжении и среднем токе 1,25 А
18,75 Вт в среднем при максимальном входном напряжении (также при 1,25 А)
Где-то посередине для номинальных напряжений питания и колебаний выходного тока.

Обратите внимание, что приведенные выше цифры относятся к среднему значению 1,25 А, но при пиковом рассеянии (при 2.5A) будет вдвое больше, примерно на 37 Вт в худшем случае. Это слишком много тепла, от которого нужно утилизировать. Я также должен упомянуть, что минимум 200 В переменного тока для номинального 230 В может быть оптимистичным (10% от 230 В составляет 23 В), и в действительности нам может потребоваться еще более низкие напряжения. Это делает уравнение еще хуже!

Для защиты от наихудшего случая радиатор блока питания должен обеспечивать защиту от превышения максимальной температуры устройства при максимально ожидаемом напряжении сети.При отсутствии « нормального » сетевого напряжения регулятор может выйти из строя, или на выходе появится сильная пульсация, ухудшающая качество звука и вызывающая слышимый гул (на удвоенной частоте сети и с треугольной формой волны, что звучит ужасно) .

Умножитель емкости — Рекомендации по проектированию

Единственное, о чем следует беспокоиться, — это необходимая степень фильтрации! Мы должны предположить, что через фильтр умножителя емкости может быть потеряно до 3 вольт, чтобы гарантировать, что вход постоянного тока (включая составляющую пульсаций) всегда превышает выходное напряжение.Также может потребоваться учитывать переходные характеристики, если ток нагрузки не является непрерывным. Как правило, минимальное дифференциальное напряжение между входом и выходом должно быть не менее 1-2 вольт (исходя из самой низкой точки входной пульсации).

Из-за отсутствия регулирования усилитель мощности должен быть способен воспринимать колебания напряжения от сети — каждый существующий стандартный усилитель мощности справляется с этим довольно успешно, так что это, очевидно, не проблема. Обратите внимание, что это влияет на выходную мощность, но это происходит со всеми усилителями, и этого нельзя избежать без регулятора.

Теперь мы можем спроектировать для номинального напряжения сети (скажем, 220 В переменного тока) и с очень простой схемой предоставить фильтр, который будет рассеивать не более 4 Вт при нормальном использовании — независимо от напряжения сети. На рисунке 2 показана базовая конфигурация фильтра-умножителя емкости, где емкость, возникающая в основании выходного устройства, эффективно умножается на коэффициент усиления устройства — таким образом, конденсатор емкостью 1000 мкФ выглядит (электрически) как 1 Фарад (да , 1000000 мкФ), предполагая усиление 1000 в выходном устройстве.

Рисунок 2 — Одиночный (базовый) умножитель емкости

Можно просто использовать пару конденсаторов 1F для двойного источника питания, но я заметил нехватку таких устройств (кроме «суперконденсаторов 5V», используемых для резервного копирования памяти в компьютерах, или массивных конденсаторов, часто используемых с автомобильными усилителями мощности) . Поскольку они должны быть рассчитаны примерно на 35 В и быть способны к значительным пульсациям тока, я не могу не чувствовать, что это не жизнеспособный вариант.

Оба метода обеспечат пульсацию менее 5 мВ RMS, но умножитель имеет то преимущество, что устраняет треугольную форму волны — это не синусоида, но имеет гораздо более низкую гармоническую составляющую, чем было бы в случае даже с конденсатором 1F.

Чтобы получить усиление 1000 для силового транзистора, нам нужно использовать Дарлингтона — либо инкапсулированное устройство Дарлингтона, либо пару «обычных» транзисторов, соединенных в пару Дарлингтона (см. Рисунок 3). Последний метод — мой предпочтительный вариант, поскольку он обеспечивает большую гибкость при получении устройств и часто дает лучшую производительность. Другой альтернативой является использование пары дополнительной обратной связи (Sziklai), как показано на рисунке 4. Интересно, что дополнительная схема не только снижает рассеяние, но также может обеспечить несколько лучшую производительность с точки зрения фильтрации шума.

Окончательный дизайн

Простой фильтр-умножитель емкости, описанный выше, вполне удовлетворителен в качестве отправной точки, но его рабочие характеристики слишком зависят от усиления выходных транзисторов. Что необходимо, так это схема, производительность которой определяется резисторами и конденсаторами и которая относительно независима от активных устройств (хотя они все равно будут влиять на степень обеспечиваемой фильтрации).

Мы также можем улучшить подавление пульсаций, и окончательная схема для двойного источника питания показана на рисунке 3.Эта схема снижает пульсации до менее 1 мВ с типичными устройствами (около 250 мкВ RMS, как смоделировано) и рассеивает менее 4 Вт на выходной транзистор при продолжительном рабочем токе 1,25 А. Маловероятно, что вы достигнете такого низкого уровня шума на практике, поскольку настоящий провод имеет сопротивление. Однако при тщательной компоновке вы легко сможете поддерживать выходной фон и шум на уровне менее 10 мВ, и этот уровень более чем приемлем для любого применения усилителя мощности.

Разделив емкость с помощью дополнительного резистора, мы создаем фильтр второго порядка (спад 12 дБ / октаву), который более эффективно снижает гул, а также удаляет больше гармоник более высокого порядка (которые имеют тенденцию превращать гул в ‘гудение’ — гораздо более слышно и неприятно).Сопротивление заземления стабилизирует схему от изменений коэффициента усиления транзистора, но немного увеличивает рассеиваемую мощность. Это сделано намеренно, чтобы обеспечить достаточное напряжение на умножителе для кратковременных колебаний.

Показанный резистор 12 кОм может потребоваться отрегулировать в соответствии с вашими транзисторами и напряжением питания. Уменьшение значения увеличивает рассеяние в выходных устройствах и снижает выходное напряжение. Маловероятно, что при увеличении этого резистора будет получена какая-либо польза, но вы можете почувствовать усиление шума (вряд ли польза).

Рисунок 3 — Полный умножитель двойной емкости (пара Дарлингтона)

Это простая конструкция, но она требует особой осторожности, чтобы на выходе не наложились токи пульсаций из-за плохого заземления или силовой проводки. Схема нарисована, чтобы показать, как заземления различных компонентов должны быть соединены между собой с использованием топологии «звезда». Если этого не сделать, то результатом будет чрезмерный гул.

Обычно схематическая диаграмма предназначена для отображения электрических соединений, а не физической схемы.Эта диаграмма является исключением, и ее физическая компоновка должна соответствовать схеме (по крайней мере, насколько это возможно). Удивительно небольшое сопротивление требуется для сильноточного соединения, чтобы вызвать ощутимое ухудшение характеристик.

Обратите внимание, что трансформатор имеет центральное ответвление и требует равного напряжения с каждой стороны — в данном случае где-то между 18 и 22 В переменного тока. Наиболее важно, чтобы центральный отвод был подключен к общему из двух конденсаторов входного фильтра (10 000 мкФ), и чтобы это общее соединение было как можно короче.Для соединения крышек рекомендуется использовать сплошной медный стержень. Аналогичным образом, рекомендуется использовать сплошной медный диск (или квадрат) для общего заземления, как можно ближе привязанный к центральному отводу конденсатора. Сопротивление основного заземления имеет решающее значение для обеспечения минимального шума на выходе, и оно не может быть слишком низким.

Поскольку схема настолько проста, печатная плата не требуется, и все компоненты могут быть соединены простой двухточечной проводкой. Все провода должны быть как можно короче, не нарушая звездообразное заземление.Для удобства драйверные транзисторы могут быть установлены на радиаторе, который не обязательно должен быть массивным — вполне подойдет радиатор с тепловым сопротивлением около 5 ° C на ватт (или лучше) (по одному на каждое выходное устройство). Помните, что чем ниже термическое сопротивление, тем круче все будет работать — это повышает надежность.

Рекомендуется увеличить емкость (особенно на входе), и я бы предложил 4700 мкФ как абсолютный минимум. Большая емкость еще больше снизит гудение и обеспечит большую устойчивость к кратковременным изменениям напряжения в сети.Увеличенная выходная емкость поможет при питании усилителей класса AB учесть их внезапные потребности в токе. Я не рекомендую более 4700 мкФ, так как ток зарядки будет очень высоким и может вызвать перегрузку последовательных транзисторов.

Хотя можно использовать обычные типы транзисторов (например, 2N3055), лучше использовать устройства с несколько более стабильными характеристиками (от одного устройства к другому). Пластиковые (TO-220 или TO-218) устройства подходят для вывода, как показано, но если требуется более высокое напряжение или ток, вам, возможно, придется использовать TO-3, TO-3P, TO-247, TO-264 (и т. Д.) типы.

Что касается компонентов, я бы предложил следующее в качестве отправной точки (или эквиваленты):

Выходные транзисторы TIP35 (TIP36 для отрицательного питания)

Драйверы BD139 (BD140 для отрицательного питания)

Резисторы 1 / 4W металлическая пленка для всех резисторов

Диоды 1N4001 или аналогичные

Электро Нет предложений, но убедитесь, что их рабочее напряжение не будет превышено, и соблюдайте полярность.(В обходе с помощью полиэстера нет необходимости, но если это заставляет вас чувствовать себя лучше, сделайте это)

Мостовой выпрямитель Рекомендуется мост от 20 до 35 А. Это перебор, но пиковые токи велики, особенно с конденсаторами большой емкости. Также обеспечивает минимальные потери в диодах при нормальных токах.

Трансформатор Используйте тороидальный. Показанная мощность (ВА) для источника питания должна соответствовать требованиям усилителя.Двойной усилитель класса A мощностью 20 Вт в идеале должен иметь номинальную мощность трансформатора не менее 200 ВА, что в 5 раз превышает мощность усилителя. (Обратите внимание, что VA иногда неправильно указано в ваттах). Первичное напряжение, естественно, зависит от того, где вы живете.

Согласование транзисторов выхода и драйвера не требуется и не влияет на производительность в какой-либо слышимой степени. Для достижения наилучших результатов используйте устройства с максимально возможным усилением (h _FE). Коэффициент усиления транзистора должен быть измерен при типичном рабочем токе (или близком к нему), иначе измеренное значение будет бесполезным.

Для использования вышеуказанной схемы в несимметричном режиме трансформатору потребуется только одна обмотка (или параллельные обмотки, если это возможно). Просто подключите трансформатор и мост, как показано на рисунке 2, и отключите отрицательную цепь умножителя (то есть все, что ниже общей точки заземления). См. Ниже полную версию с двойной однополярностью. Дополнительная версия схемы на Рисунке 3 показана далее.

Рисунок 3A — Полный умножитель двойной емкости (пара Шиклая)

Падение напряжения на последовательном транзисторе можно уменьшить, если использовать дополнительную пару (также известную как Sziklai), а не показанное соединение Дарлингтона.Для положительного источника питания драйвером может быть BD139 (NPN), а устройством вывода — TIP36 или TIP2955 (PNP). См. Пример на Рисунке 4. Эта схема имеет почти такое же усиление, что и пара Дарлингтона, но более низкое прямое напряжение может считаться преимуществом, поскольку общее рассеивание немного ниже.

Использование фильтра умножителя емкости с усилителями класса AB

Обратите внимание, что эта схема вполне подходит для усилителей класса AB, но поскольку их требования по току сильно различаются, добавление гораздо большей емкости к выходу является обязательным.Диод рекомендуется, как показано на рисунке, чтобы предотвратить возможность обратного смещения (и разрушения) транзистора (ов) при отключении питания.

Преимущества такой фильтрации неуловимы, но, возможно, стоит потраченных усилий. Многие усилители мощности теперь имеют действительно большую емкость после выпрямителя. Это снижает шум, который появляется в сигнале во время громких звуков. Теоретически этого не слышно, но если да, то почему усилители с очень большими батареями конденсаторов всегда кажутся лучше? (По крайней мере, так нам продолжают говорить рецензенты.)

Если вы хотите попробовать эту схему с усилителем класса AB, я настоятельно рекомендую увеличить разность входных и выходных напряжений (для этого уменьшите резистор 12 кОм). Для оптимальной работы (в зависимости от выходного напряжения, изменения тока и т. Д.) Я бы посоветовал, чтобы дифференциал от 6 В до 10 В был нормальным, в зависимости от мощности усилителя. Рассеивание необходимо будет рассчитать (или измерить), и помните, что усилители класса AB могут (и действительно) создавать пиковые токи, которые действительно могут быть очень высокими.Для показанного источника питания 20 В (номинальное) пиковый ток на нагрузке 8 Ом составляет 2,5 А (что изначально было целью проектирования), но при увеличении напряжения пиковые токи увеличиваются пропорционально.

В качестве примера рассмотрим усилитель мощностью 100 Вт (8 Ом). Пиковый ток в резистивной нагрузке составляет около 3,6 А, но при подключении к типичной нагрузке динамика (импеданс которой падает до (скажем) 3 Ом) пиковый ток будет 9,6 А. Это не просто предположение, а реальность — такие пиковые токи довольно распространены — одна из причин, по которой многие производители указывают пиковый выходной ток своих усилителей.Эти характеристики могут достигать 40 А или более (для блока 100 Вт), что является излишним, поскольку он никогда не будет использоваться (40 А требует нагрузки, которая падает до 1 Ом — динамик, который я бы никогда не купил).

Следует помнить, что эта схема действует аналогично регулятору — только без регулирования. Если выходной ток является очень кратковременным по своей природе, схема позволит гудению пройти, если входное напряжение внезапно упадет из-за увеличения нагрузки (точно так же, как это делает регулятор).

Также обратите внимание, что напряжение питания усилителя (ов) мощности будет модулироваться мгновенным потребляемым током усилителя (что случается и с «обычными» источниками питания).Крайне важно поддерживать дифференциал напряжения, достаточный для учета этих изменений.

Когда умножитель емкости внезапно нагружается, может произойти некоторый «прорыв» пульсации, потому что напряжение в цепи уменьшается при увеличении тока нагрузки. Если напряжение на последовательном транзисторе падает, может не хватить резерва для минимального значения пульсации напряжения (как описано выше). Очень редко можно встретить умножители емкости, используемые с усилителями класса AB, потому что их ток питания постоянно меняется.

Двойной умножитель емкости для усилителя DoZ

Project 36 (Death of Zen или DoZ) — это простой усилитель класса А, который действительно может выиграть от использования умножителя емкости. Чтобы снизить нагрузку на последовательный транзистор, легко (и, вероятно, дешевле) построить два умножителя емкости, как показано на рисунке 4. Каждый умножитель предназначен для обеспечения необходимого единого источника питания 30-35 В постоянного тока. Используя отдельные конденсаторные умножители, мы также изолируем каждый усилитель, поэтому они очень близки к моноблокам, и используется только силовой трансформатор.

Рисунок 4 — Полный умножитель двойной емкости (одиночный источник питания, дополнительная пара)

Эта схема аналогична схеме, показанной на рисунке 3A, за исключением того, что оба умножителя емкости одинаковы. Хотя на этот раз схема заземления не была показана схематически, не менее важно обеспечить наличие единственной точки заземления «звезда», и необходимо следить за тем, чтобы ток пульсаций не мог быть повторно введен в постоянный ток через паразитное заземление. сопротивления.

Если используется с усилителем DoZ при токах покоя, превышающих нормальные, вам может потребоваться либо уменьшить резисторы 220 Ом примерно до 150 Ом, либо увеличить (или даже удалить) резисторы 12 кОм, чтобы получить 30-35 В постоянного тока от трансформатора 30 В.Рассеивание в TIP36 (или в другом месте, которое вы решите использовать) будет около 6-7 Вт при токе 1,7 А, поэтому теплоотвод не так уж велик.

Ожидайте, что пульсации на выходе будут около 1 мВ RMS или меньше при токе 1,7 А, а пульсации будут ниже при более низких выходных токах. Даже с конденсаторами основного фильтра 10 000 мкФ, как показано, будет довольно высокая пульсация напряжения на необработанном источнике, но пульсация на выходе уменьшается более чем на 50 дБ при использовании умножителя емкости.

Хотя, безусловно, можно уменьшить пульсации еще больше, это значительно усложняет схему, и преимущества в лучшем случае сомнительны. С отклонением от источника питания лучше, чем 50 дБ, DoZ не должен иметь шумов даже в самых чувствительных рупорах при питании от источника питания с умножителем емкости.

Умножитель емкости с использованием полевого МОП-транзистора

В умножителе емкости не обязательно использовать биполярные транзисторы, но они, как правило, будут самым простым вариантом.Доступность хороших дополнений (NPN и PNP), низкие цены и простота использования означают, что большинство людей воспользуются этой опцией. Однако версия MOSFET может быть привлекательной в некоторых случаях, но первоначальное тестирование (путем моделирования) показывает, что переходные характеристики очень плохие — намного хуже, чем схема, использующая идентичные значения для пассивных частей, но с биполярными транзисторами.

Если ток нагрузки стабильный и вы можете выдержать более высокое падение напряжения на полевом МОП-транзисторе, то непременно попробуйте сами.Существуют полевые МОП-транзисторы с низким пороговым напряжением затвора (V _GS), что снижает рассеиваемую мощность. Однако они почти наверняка не будут доступны в дополнительных версиях (N-Channel и P-Channel).

Самым большим преимуществом использования полевого МОП-транзистора является то, что секция фильтра может иметь более высокий импеданс, а это означает, что для данного затухания гула требуется меньшая емкость. Компромиссом обычно является более высокое рассеивание, поэтому требуется радиатор большего размера. Радиаторы больше и дороже конденсаторов, поэтому нет экономической выгоды.Поскольку слой изоляции затвора полевых МОП-транзисторов чувствителен к перенапряжению, вам также необходимо использовать стабилитрон между затвором и истоком, чтобы предотвратить повреждение в условиях неисправности.

Рисунок 5 — Умножитель емкости на основе полевого МОП-транзистора

Пример схемы показан выше. Постоянные времени сети фильтров идентичны показанным в других примерах, а затухание гула улучшается примерно на 10 дБ — но только , если ток нагрузки постоянный. Как уже отмечалось, прорыв гула при приложении переходных нагрузок намного хуже, чем в биполярной версии (как минимум на 20 дБ), и длится также дольше (около 500 мс для MOSFET, менее 200 мс для версии с биполярным транзистором).Эти цифры зависят от тока нагрузки, величины изменения тока, скорости изменения (и т. Д.) И должны рассматриваться только как репрезентативные.

В целом версия MOSFET интересна и может быть полезна для обеспечения нерегулируемого источника питания с очень низким уровнем шума. Однако он плохо работает, если ток нагрузки не является постоянным, а также рассеивает больше мощности при заданном выходном токе, чем эквивалентная схема с биполярными транзисторами. Вы также должны знать, что вертикальные MOSFET (также известные как HEXFET) имеют ограниченную SOA (безопасную рабочую область) при использовании в линейном режиме, поэтому необходимо соблюдать осторожность.Хотя это может показаться нелогичным, полевые МОП-транзисторы с высоким R _{DS на} (по сопротивлению) несколько безопаснее при использовании в линейном режиме. Убедитесь, что вы проверяете, что MOSFET всегда будет оставаться в пределах SOA, указанного в таблице данных.

Основной индекс Projects Index

Уведомление об авторских правах. Эта статья, включая, помимо прочего, весь текст и диаграммы, является интеллектуальной собственностью Рода Эллиотта и © 1999.Воспроизведение или переиздание любыми средствами, электронными, механическими или электромеханическими, строго запрещено международными законами об авторском праве. Автор (Род Эллиотт) предоставляет читателю право использовать эту информацию только для личного использования, а также разрешает сделать одну (1) копию для справки при создании проекта. Коммерческое использование запрещено без письменного разрешения Рода Эллиотта.

Страница создана в 1999 г. / Обновлено в апреле 2001 г. — Изменены чертежи и исправлена информация о характеристиках заземления и трансформатора по схеме «звезда»./ Октябрь 2013 — добавлены рисунок 4 и текст. / Апрель 2016 — добавлен MOSFET.

Множитель емкости | audioXpress

В этой статье для audioXpress Билл Рив помогает нам разобраться в неправильно понятой схеме. Емкостной умножитель полезен в качестве фильтра нижних частот источника питания. Обычно говорят, что, как и емкость Миллера, значение конденсатора в этой схеме «умножается» на коэффициент усиления транзистора (β), чтобы понизить полюсную частоту фильтра. Фильтр с транзисторным усилением делает это и многое другое, как подробно объясняется в статье.Эта статья, отличный учебник по проектированию аналоговых схем, изначально была опубликована в audioXpress в августе 2012 года.

Рисунок 1: Схема «умножителя емкости».
Схема на рисунке 1 упоминается в «кулинарных книгах по аналоговым схемам» и на веб-сайтах как «умножитель емкости» и полезна в качестве фильтра нижних частот источника питания (см. Рисунок 1). Обычно говорят, что, как и емкость Миллера, значение конденсатора в этой схеме «умножается» на коэффициент усиления транзистора (β), чтобы понизить полюсную частоту фильтра.

Фильтр с усилением транзисторов делает это и многое другое. Вот объяснение того, как транзистор снижает вносимые потери фильтра и полюсную частоту.

Рисунок 2: Простой RC-фильтр нижних частот.
Проектирование аналоговых схем
Смысл существования этой схемы заключается в том, что падение напряжения и рассеиваемая мощность на резисторе в простом RC-фильтре нижних частот слишком велики для большинства низковольтных источников питания (см. Рисунок 2). Стабилитрон часто добавляется к транзисторному фильтру нижних частот параллельно конденсатору для регулирования выходного напряжения.

А пока давайте рассмотрим сами фильтры. На рисунке 3 показаны обе схемы, используемые в качестве фильтров источника питания. Мы можем понять, как оба этих фильтра ведут себя, вычислив их передаточные функции напряжения, входные и выходные сопротивления.

Здесь я хотел бы подчеркнуть важность того, чтобы рисовать карандашом на бумаге при разработке аналоговых схем. Моделирование SPICE и аппаратные макеты — отличные методы проверки, но производное уравнение дает вам две важные вещи: чувствительность производительности к значениям компонентов и интуитивное понимание того, как работает схема.Целью ручного анализа должно быть не определение точных ответов (потому что это невозможно), а получение приблизительных решений, дающих представление о том, как работает схема. Эти простые схемы — хорошая практика для развития вашей техники анализа.

В следующих выводах я предполагаю, что вы знакомы с основами транзисторного анализа слабых сигналов и концепцией преобразования Лапласа.

Рис. 3а: Схемы, используемые в качестве фильтров источника питания (а) RC-цепь нижних частот; (б) RC-схема, усиленная транзистором.
Функция передачи напряжения
Чтобы вычислить передаточную функцию напряжения, сохраните все напряжения и токи смещения постоянного тока, подайте испытательное напряжение переменного тока (V _TEST) на вход схемы и рассчитайте выходное напряжение переменного тока схемы (V _OUT). Функция передачи напряжения, которая показывает, как выходное напряжение переменного тока является функцией входного переменного напряжения, является функцией частоты и равна V _OUT / V _IN.

Поскольку мы работаем в частотной области, мы используем версии импедансов и передаточных функций с преобразованием Лапласа; переменная Лапласа представляет собой частотную зависимость.На рисунке 4 показаны схемы расчета функций передачи напряжения как для RC-фильтра (см. Рисунок 4a), так и для RC-фильтра с усилением транзисторов (см. Рисунок 4b). Обратите внимание, что для этих расчетов мы предполагаем, что выходное сопротивление источника питания пренебрежимо мало по сравнению с импедансами фильтра и нагрузки.

Рисунок 4a: Это схемы для расчета передаточных функций напряжения для RC-фильтра. b: Это схемы для расчета передаточных функций напряжения для транзисторной усовершенствованной схемы.
Для RC-фильтра мы можем использовать уравнение делителя напряжения для вычисления V _OU T / V _IN.

Некоторые алгебраические манипуляции помещают передаточную функцию в «полюсную / нулевую форму»:

Из этого уравнения видно, что полюсная частота фильтра (в герцах) составляет:

На низких частотах (s → 0) конденсатор разомкнут, а резисторы образуют делитель напряжения. Таким образом:

На высоких частотах (s → ∞) V _OUT стремится к нулю, потому что конденсатор замыкает нагрузку.Графически величина (в децибел-омах) этой передаточной функции показана на рисунке 5. Мы можем использовать простую модель слабосигнального биполярного транзистора (описанную во многих текстах), как показано на рисунке 6, для расчета приближенного значения напряжения. передаточная функция для транзисторной схемы на рисунке 4b.
Рисунок 5: Величина передаточной функции напряжения RC-фильтра (Рисунок 4a). Рисунок 6: Простая модель транзистора для слабого сигнала (ссылка 2). Рисунок 7: Схема слабого сигнала для расчета приблизительной передаточной функции напряжения для транзисторной схемы, показанной на рисунке 4b.
На рисунке 7 показана схема схемы малого сигнала для расчета приблизительной передаточной функции напряжения транзисторной схемы нижних частот на рисунке 4b. Эту передаточную функцию напряжения можно получить, задав и одновременно решив два уравнения. Во-первых, напряжение V _OUT равно токам, протекающим через нагрузку, умноженным на сопротивление нагрузки.

Второе уравнение получается суммированием токов с использованием закона Кирхгофа по току на базе транзистора.

Подставляя первое уравнение во второе, решая для V _OUT / V _IN и пренебрегая малыми членами, получаем:

Это уравнение является отличным приближением фактической передаточной функции напряжения, если у вас есть разумное представление о β вашего транзистора. Из этой передаточной функции мы можем видеть, что полюсная частота транзисторного фильтра составляет:

На низких частотах (s → 0)

На высоких частотах (s → ∞) V _OUT стремится к нулю.На рисунке 8 графически показана разница между передаточными функциями напряжения для простого RC-фильтра и передаточной функцией транзисторной схемы с одинаковыми значениями компонентов (R = 1000 Ом, C = 0,22 мкФ, RL = 47 Ом). Сравнивая две передаточные функции, мы видим преимущества транзисторного фильтра (более низкая полюсная частота, что приводит к лучшему подавлению пульсаций, и более низкие вносимые потери на низких частотах, что приводит к меньшему рассеянию мощности и меньшему падению напряжения). напряжение) более эффективны, чем эквивалентное умножение емкости на β транзистора.

Уменьшение вносимых потерь низких частот эквивалентно делению сопротивления фильтра (R) на β, а частота нижнего полюса эквивалентна одновременному умножению емкости (C) на β и делению сопротивления фильтра (R) на β.

Рисунок 8: Сравнение значений передаточной функции напряжения простого RC-фильтра и транзисторного фильтра с одинаковыми значениями компонентов (R = 1000 Ом, C = 0,22 мкФ, RL = 47 Ом). Предполагается, что ток коллектора транзистора составляет 100 мА, а β — около 50.
Входное сопротивление
Чтобы рассчитать входной импеданс схемы, оставьте выход схемы открытым и подайте испытательный ток переменного тока (I _TEST) или испытательное напряжение (V _TEST) на вход схемы и рассчитайте входное напряжение переменного тока схемы (V _IN). , или входной ток (I _IN) соответственно. Входное сопротивление V _IN / I _TEST как функция частоты.

При осмотре входное сопротивление RC-фильтра (см. Рисунок 4a) составляет:

Решение алгебры дает:

Этот импеданс имеет ноль на частоте:
.
и полюс с частотой:
На низкой частоте (s → 0), когда конденсатор имеет высокий импеданс, входное сопротивление становится равным R + R _L, а на высоких частотах (s → ∞), когда конденсатор имеет короткое замыкание, полное сопротивление равно R.На рисунке 9 показана принципиальная схема и упрощенная модель слабого сигнала, используемая для расчета входного импеданса транзисторного фильтра.
Рисунок 9: Схема (а) и упрощенная модель слабого сигнала (б) Рисунок 9b: Оба используются для расчета входного сопротивления транзисторного фильтра.
В этом случае мы подадим испытательное напряжение переменного тока (I _TEST) на вход схемы и вычислим входной ток переменного тока (I _IN). Чтобы найти входной импеданс, нам нужно решить два уравнения закона Кирхгофа для напряжения.Во-первых, напряжение на конденсаторе (равное току, протекающему через конденсатор, умноженному на импеданс конденсатора) плюс напряжение на резисторе (равное току, протекающему через резистор, умноженному на его сопротивление), равняется испытательному напряжению.
Второе уравнение состоит в том, что напряжение, развиваемое на конденсаторе, равно напряжению, развиваемому на нагрузке, и r _π.

Это уравнение может быть решено для I _x как функции I _IN.
Это уравнение можно подставить в первое уравнение и (после некоторой алгебры) решить для входного импеданса (V _TEST / I _IN). Если мы предположим, что βR _L >> r _π, что является разумным предположением для фильтра источника питания, поскольку ток через транзистор должен быть относительно большим (и, следовательно, rπ должен быть относительно небольшим), входное сопротивление приблизительно равно Кому:

Сравнение этого с входным сопротивлением простого RC-фильтра показывает, что, хотя на высоких частотах (s → ∞) входное сопротивление обеих цепей приближается к R, на низких частотах (s → 0) входное сопротивление пассивного RC-фильтра приближается к R + RL. в то время как входной импеданс транзисторного фильтра приближается к RL.При использовании пассивного RC-фильтра на низких частотах источник питания должен питать сопротивление фильтра (R) последовательно с нагрузкой, но, когда он представлен с усиленным транзисторным фильтром, источник питания питает только нагрузку на низких частотах. Кроме того, схема с улучшенными транзисторами имеет высокий импеданс для высокочастотных пульсаций в линии электропередачи.
Рисунок 10: Сравнение приблизительной величины входного импеданса простого RC-фильтра и транзисторного фильтра. Для обеих цепей R = 1 кОм, RL = 47 Ом и C = 0.22 мкФ. Предполагается, что ток коллектора транзистора составляет 100 мА. Предполагается, что β составляет примерно 50.
На рисунке 10 показан сравнительный график, показывающий величины входного импеданса простого RC-фильтра и транзисторного фильтра. Для обеих схем R = 1000 Ом, R _L = 47 Ом и C = 0,22 мкФ.

Выходное сопротивление
При осмотре выходное сопротивление пассивного RC-фильтра составляет:

Обратите внимание, что сопротивление нагрузки не входит в расчет выходного сопротивления.Чтобы вычислить выходное сопротивление транзисторного фильтра, заземлите вход схемы, подайте испытательный ток переменного тока (I _TEST) или испытательное напряжение (V _TEST) на выход схемы и вычислите выходное напряжение переменного тока схемы (V _OUT) или выходной ток (I _OUT) соответственно.

Выходное сопротивление V _OUT / I _TEST как функция частоты. Используя ту же модель малосигнального транзистора, что и раньше, выходной импеданс транзисторного фильтра может быть приблизительно равен.

Это примерно равно:
Рисунок 11: Сравнение величины выходного сопротивления простого RC-фильтра и транзисторного фильтра. Для обеих цепей R = 1 кОм, RL = 47 Ом и C = 0,22 мкФ. Предполагается, что ток коллектора транзистора составляет 100 мА. Предполагается, что β составляет около 50.
На рисунке 11 показан сравнительный график величины выходного импеданса (в децибел-омах) простого RC-фильтра и транзисторного фильтра.

Обратите внимание, что транзисторный фильтр снижает выходное сопротивление на β, а на высоких частотах выходной импеданс транзисторного фильтра приближается к 1 / гм.При использовании транзисторного фильтра убедитесь, что на его выходе шунтируется емкость, чтобы снизить его высокочастотный выходной импеданс.

Таким образом, мы можем видеть, что преимущества транзисторного фильтра более эффективны, чем эквивалентное умножение емкости на β транзистора. Добавление транзистора дает два преимущества по сравнению с пассивным RC-фильтром. Это снижает вносимые потери, и, следовательно, меньше падение напряжения и меньшее рассеивание мощности через фильтр. Это также снижает полюсную частоту, что эквивалентно одновременному умножению емкости на β и делению сопротивления фильтра на β для лучшего подавления пульсаций. aX

Эта статья была первоначально опубликована в audioXpress, август 2012.

Об авторе
Билл Рив всю жизнь интересовался электрическим и механическим дизайном. Он имеет степени магистра в области электротехники, машиностроения и геологической инженерии. Сначала он работал геологом-консультантом, затем 28 лет проработал в Lockheed Martin в качестве программного директора, управляющего разработкой спутников и космических инструментов НАСА, а также работал директором по техническим вопросам в компании DeWalt Industrial Tool.Когда он ушел из Lockheed Martin, Билл был нанят Google для управления крупными проектами, где в настоящее время он является техническим менеджером программы.

Электротехника — новый взгляд на умножитель емкости

Умножитель емкости — это электронная технология, которая позволяет уменьшить пульсации напряжения в некоторой точке цепи. Он часто используется в источниках питания после выпрямления тока и накопительных конденсаторов. Эффективность и простота делают эту технику красивой и привлекательной.

Первая часть статьи представляет собой обзор хорошо известных фактов о умножителях емкости. В следующих частях рассматриваются некоторые связанные приемы и методы, возможно, менее известные. Несмотря на то, что автору не известно о каких-либо предшествующих изложениях о них, ничего не говорится об оригинальности этих приемов.

На следующей схеме представлена топология транзисторного умножителя емкости:

Это не что иное, как RC-фильтр, управляющий базой транзисторного повторителя.Таким образом, выходное напряжение эмиттера «следует» за отфильтрованным напряжением, падающим на один диод ниже, уменьшая пульсации входного сигнала.

Входное сопротивление этой схемы примерно равно входному сопротивлению RC-фильтра, деленному на бета транзистора, коэффициент от 20 до 1000 (или более). Чтобы получить тот же результат фильтрации с одним RC-фильтром, нужно было бы использовать гораздо большую емкость. По этой причине все выглядит так, как будто емкость была умножена на бета, отсюда и название «умножитель емкости».

Привлекательной особенностью умножителя емкости является то, что он рассеивает относительно небольшую мощность по сравнению с доступным током на выходе. Это связано с тем, что падение напряжения на транзисторе часто бывает именно тем, что необходимо для устранения пульсаций, но не более того.

Эту схему также можно рассматривать как активированный RC-фильтр; Фактически это самый простой из возможных активных фильтров. Основываясь на этой идее, ничто не мешает заменить RC-фильтр более эффективным пассивным фильтром, активируемым транзистором, как на следующей схеме, взятой из схемы в The Art of Electronics :

На следующей схеме к базовой топологии добавлены защитный диод и ферритовый буртик.Ферритовый валик должен предотвращать быстрые колебания, возникающие на базе транзистора. Это часто не нужно для транзисторов BJT, но может быть полезно для транзисторов FET.

Важно понимать, что транзистор не может следовать за напряжением, которое больше или меньше, чем падение диода ниже входного напряжения. Поэтому часто говорят, что если пульсация велика, для увеличения падения напряжения можно подключить резистор от базы транзистора к земле, как показано на следующей схеме:

Выбор резистора для заземления R2 зависит от проектных соображений относительно максимальной пульсации и мощности, рассеиваемой транзистором: существует компромисс между снижением пульсаций и потерей мощности, поскольку большее падение напряжения на транзисторе увеличивает потери мощности. .

Другой вариант — использовать транзистор на полевом транзисторе, пороговое напряжение которого (обычно от 2 до 5 В) обеспечивает большую комнату. В общем, если энергопотребление не является проблемой (например, для относительно низких токов), полевой транзистор может быть отличным вариантом из-за его очень высокого входного импеданса затвора, позволяющего использовать большой R2 и / или меньший C.

На следующей схеме умножитель емкости показан «в контексте» внутри цепи источника питания переменного тока в постоянный:

C1 — накопительный конденсатор после выпрямительного моста, а C3 — дополнительный конденсатор для более быстрого реагирования на изменения нагрузки.

Существует также версия умножителя емкости операционного усилителя, но она не рассматривается здесь по следующим причинам:

добавленной сложности,
может давать только слабые токи (если не используются необычные операционные усилители),
относится к сфере фильтров, активируемых операционными усилителями, где есть много других хороших вариантов,
наиболее важно, что теряется одно из главных преимуществ топологии на основе транзистора: действительно, топология транзистора — это то, что можно было бы назвать «квазиплавающей структурой», что означает, что она соединена с землей только посредством конденсатора; В общем, это не проблема, так как конденсаторы, рассчитанные на низкое и очень высокое напряжение, существуют и стоят недорого.Напротив, операционный усилитель должен получать питание от некоторого источника, что почти всегда подразумевает подключение к Vcc и к земле.

1. некоторые конструктивные особенности:

Бета транзистора должна быть достаточно большой, чтобы транзистор соответствовал базовому напряжению; если входной импеданс RC-фильтра (то есть R) слишком велик по отношению к бета, база не сможет управлять транзистором на желаемом уровне тока.Если это произойдет, потребуется более мускулистый транзистор, часто пара Дарлингтона или Шиклая. Дарлингтон обеспечивает падение напряжения на двух диодах, увеличивая пространство пульсаций, а также рассеиваемую мощность, в то время как пара Шиклаи снижает напряжение только на одном диоде, уменьшая как пространство пульсаций, так и рассеиваемую мощность. На практике TIP122 или даже мускулистый TIP135 вполне подойдут.
После выбора резистора R и beta, как описано выше, следует выбрать конденсатор C достаточно большим, чтобы базовый сигнал был достаточно тихим и не искажался базовым током (1 / beta от максимального тока через транзистор).
Два приведенных выше пункта не являются проблемой, если используется транзистор на полевом транзисторе, из-за его очень высокого импеданса затвора. Тем не менее, полевой транзистор вызывает большее падение напряжения (это может быть преимуществом в зависимости от обстоятельств) и, следовательно, рассеивает больше энергии (что всегда неудобно). Кроме того, падение напряжения менее контролируемо
Для токов, превышающих (скажем) 0,3 А, необходимо учитывать мощность, рассеиваемую транзистором, и к транзистору необходимо добавить радиатор.

2. Каскадные умножители емкости

Как объяснялось в предыдущих разделах, всякий раз, когда пульсации велики, необходимо принять меры, чтобы умножитель емкости работал нормально. Как видно выше, можно рассмотреть возможность использования полевого транзистора или подключения резистора к земле. Но вот еще один вариант, придерживающийся настоящей топологии, который в большинстве случаев работает хорошо и позволяет избежать конструктивных соображений: просто каскадировать два умножителя емкости.

В этой конфигурации первый умножитель емкости поглощает большую часть пульсаций и рассеивает большую часть мощности. Затем второй умножитель емкости убивает оставшийся шум и требует лишь небольшого радиатора, если таковой имеется. Затухание пульсации следует хорошо известному закону каскадирования фильтров: результирующее затухание в децибелах является суммой затухания каждого фильтра (в децибелах).

3. Медленное включение

Возможно, несколько неожиданно, умножитель емкости можно использовать в качестве схемы «медленного включения» в дополнение к его естественной функции: достаточно установить постоянную времени RC на желаемое значение (с учетом базового тока).Но теперь мы должны убедиться, что конденсатор разряжается достаточно быстро при отключении питания, иначе почти последующее включение схемы может привести к резкому повышению напряжения. Это можно элегантно реализовать с помощью BJT, не испортив RC-фильтр:

На приведенной выше схеме R2 действует как прокачка и, как бонус, делает ответ транзистора более надежным.

4. Проблема с номинальным напряжением базы / стока и быстрое включение

В предыдущем разделе медленное включение транзистора было представлено как особенность.Но в зависимости от обстоятельств это может быть неприятно, особенно когда требуется большой R.

Другая более тонкая и извращенная проблема умножителя емкости заключается в том, что при включении питания конденсатор разряжается; поэтому база транзистора на самом деле на земле , и транзистор закрыт; теперь, если входное напряжение Vin больше номинального напряжения транзистора, он может сгореть; это контрастирует с небольшим падением напряжения на транзисторе при нормальном режиме работы емкостного умножителя. The Art of Electronics предупреждает об этой проблеме и рекомендует транзистор с номинальным напряжением не менее Vin.

Но вот очень простой трюк, который решает обе проблемы сразу и позволяет использовать скромные транзисторы в большинстве случаев: достаточно ввести стабилитрон (или, лучше, TVS-диод), напряжение стабилитрона которого немного больше максимально возможного напряжения. между выводами R (обычно несколько вольт), но ниже на диодное падение по крайней мере, чем максимальное напряжение транзистора коллектор-эмиттер.Это показано на следующей схеме:

При включении стабилитрон / TVS открывается очень быстро и быстро заряжает конденсатор. С другой стороны, это гарантирует, что напряжение коллектор-база не превышает напряжение стабилитрона, а значит, и напряжение коллектор-эмиттер не превышает напряжение стабилитрона + падение на диоде. Таким образом обеспечивается защита транзистора.

Автор успешно применил этот прием в построенном им блоке питания с регулируемым напряжением 700 В / 30 мА, где транзистор в умножителе емкости был ничем иным, как скромным 2N3904 !!! (Я бы порекомендовал более надежный транзистор).

Трудно устоять перед соблазном показать, насколько хорошо конденсаторный умножитель может сочетаться с другими, часто желательными, функциями.

1. Отступление в сторону ограничителей напряжения и тока

Если вы когда-либо пытались найти схемы ограничителя «номинального» тока, вы, вероятно, знаете, что их немного. С другой стороны, цепи источников тока имеются в большом количестве. Однажды автор осознал то, что может быть очевидным для многих инженеров-электронщиков, но на самом деле о нем почти никогда не говорится в книгах:

Чаще всего ничто не отличает источник тока от ограничителя тока: источник тока — это ограничитель тока.

Двойное утверждение для напряжения:

Источник напряжения — это (чаще всего) ограничитель напряжения.

Как это работает? это просто: всякий раз, когда входной ток, проходящий через источник тока, ниже, чем текущий $ I_ {source} $, который должен доставить источник, это позже делает все возможное, чтобы пропустить как можно больше тока, то есть весь доступный ток . Но когда доступный ток больше, источник ограничивает его до $ I_ {source} $, то есть действует как ограничитель тока.

Двойное утверждение для ограничителей напряжения можно объяснить аналогичным образом.

Простейшим возможным активированным источником тока, а следовательно, и ограничителем тока, является следующая схема:

Текущее предельное значение устанавливается равным $$ I_ {limit} = (V_ {Zener} — 0,7) / R_1 $$ для BJT, а также $$ I_ {limit} = (V_ {Zener} — V {thr}) / R_1 $$ для МОП-транзисторов.

Обратите внимание, что это плавающая схема, преимущество. Можно улучшить как точность, так и диапазон низкого напряжения этого ограничителя тока, используя источник опорного напряжения TL431:

Здесь $ I_ {limit} = V_ {ref} / R_1 = 2.5 / R_1 $.

Обратите внимание, что для регулирования TL431 требуется катодный ток не менее 1 мА; если Vd обозначает наименьшее падение напряжения, которое должна выдержать вся схема (обязательно, Vd> Vref), это накладывает ограничение $ (V_d — V_ {ref}) / R_2> 1 \ \ rm mA $ на приведенной выше схеме, то есть $ R_2 <(V_d - V_ {ref}) * 1000 $. Если R2 должен быть больше, альтернативой является программируемый источник опорного напряжения сверхмалого энергопотребления NCP431 с максимальным источником питания 60 мкА (см. Примечание 1 ниже, где указаны другие варианты с учетом различных требований конструкции).

Кроме того, при использовании этих программируемых источников опорного напряжения с полевыми транзисторами не забудьте защитить их с помощью стабилитрона, напряжение которого ниже их максимального номинального напряжения между анодом и катодом, но выше Vref: это необходимо, поскольку полевые транзисторы не имеют базы. -эмиттерный диод БЮТ.

Для МОП-транзисторов может быть выгодно использовать схему, не зависящую от порогового напряжения; к сожалению, как было только что объяснено, если R2 в приведенной выше схеме должен быть большим, TL431 больше не сможет регулировать.Вот еще одно решение, в котором предел тока установлен на уровне 20 мА для входного напряжения 1000 В с большим резистором от Vcc до затвора МОП-транзистора:

Этот ограничитель тока может быть менее точным и стабильным в диапазоне температур, чем ограничители на основе опорного напряжения, но, тем не менее, он надежен.

Теперь, что касается ограничения напряжения, самая простая схема активированного ограничителя напряжения, вероятно, следующая:

, где предел напряжения равен $ V_ {limit} = V_ {Zener} — \ text {1 падение диода} $.Возможна версия этой схемы TL431, которую легко получить:

В приведенной выше схеме предел напряжения равен $ V_ {limit} = (1 + R_2 / R_3) V_ {ref} = 2,5 (1 + R_2 / R_3) $.

Конечно, во всех схемах этого раздела следует учитывать такие факторы, как номинальное напряжение транзисторов и резисторов, рассеиваемая мощность и т. Д.

2. Схема объединения

Эта часть является заключением предыдущего раздела: умножитель емкости можно комбинировать с ограничителем тока и / или ограничителем напряжения.

Вот комбинация «умножитель емкости» + «ограничитель тока TL431»:

А вот и комбинация «все в одном» умножитель емкости + ограничитель тока + ограничитель напряжения «:

Последнее замечание: в этих комбинациях фокус в сек. B.4 больше не актуален: транзистор должен быть , чтобы выдерживать максимальное напряжение Vin.

3. Пример конструкции

Для создания каскада предварительной фильтрации для источника питания Vin = 1000 В, с пульсацией 5 В, 100 Гц.Блок питания способен обеспечить мощность 25 Вт. Сила тока должна быть ограничена некоторым значением.

Решите, что использовать: BJT или MOSFET. Выбор здесь относительно очевиден, при высоком напряжении МОП-транзистор более надежен. Кроме того, относительно высокие пульсации напряжения соответствуют V_thr МОП-транзистора. Что наиболее важно, нам нужен очень большой резистор для умножителя емкости, потому что он также используется ограничителем тока, поэтому подходит только высокий входной импеданс МОП-транзистора.Здесь МОП-транзистор должен выдерживать напряжение около 1000 В. Итак, мы выбрали MOSFET на 1050 В, например Wayon WMM07N105C2.
Затем зафиксируйте ограничение по току: максимальная доступная мощность нагрузки составляет $ V_ {in} I_ {limit} $, следовательно, у нас должно быть $ V_ {in} I_ {limit} \ leq 20 Вт $ (чтобы быть консервативным) . Выбираем $ I_ {limit} = 20 / V_ {in} = 20 \ mA $. Также обратите внимание, что это значение, 20 Вт, является максимальной мощностью, которую транзистор может рассеять в «режиме ограничителя тока». Итак, просто проверьте, что транзистор может выдерживать 20 Вт в своей рабочей области.В противном случае выберите подходящий транзистор.
Радиатор транзистора: 25 Вт (допустим)
Выберите значение стабилитрона в ограничителе тока: 10 В кажется нормальным, поскольку это позволяет МОП-транзистору полностью включиться.
Теперь значение резистора в ограничителе тока в предыдущем разделе определяется как $ R = (10 -V_ {thr}) / 0,02 = 300 \ \ Omega $.
Выберите резистор в умножителе емкости: поскольку резистор также используется для источника тока, он должен выдерживать все напряжение в случае короткого замыкания.Резистор на 1 МОм, рассчитанный на 1 Вт и 1000 В., кажется нормальным. Это делает умножитель емкости «медленным включением», но всегда рекомендуется медленно включать питание при высоком напряжении: это предотвращает неожиданные сбои и события ESD как в источнике питания, так и для конечного пользователя. Итак, давайте с радостью примем здесь неизбежное «медленное включение» как дополнительную функцию.
Выберите значение конденсатора в умножителе емкости. Мы хотим, чтобы питание включилось примерно через 2 секунды, что определяется постоянной времени RC.Точнее, у нас должно быть 2 = 5RC, или C = 400 нФ.

Все ингредиенты готовы; вот схема:

Моделирование без нагрузки (худший случай) дает пульсацию 0,5 В на выходе этой схемы (намного меньше при приличной нагрузке):

Итак, давайте добавим еще один каскад умножителя емкости, но используя трюк из разд. Б. 4 .:

Вот симуляция в области переменного тока вышеупомянутой схемы (см. Приложение для схемы всей схемы симуляции) с нагрузкой 100 кОм:

Зеленая линия — это ослабление шума в точке A (выход первого каскада умножителя емкости), а синяя линия — это ослабление шума в V_out (пунктирные линии — это фазовый график и не имеют отношения к делу).Аналогичные результаты получаются при нагрузках 10k, 100k, 1Meg и т. Д.: Окончательное затухание всегда выше 50 дБ, что является огромным коэффициентом сглаживания.

Следующая полная схема была использована для последнего моделирования в разд. С. 3.:

Примечание 1: TL431 и NPC431 имеют опорное напряжение около 2,5 В, в то время как TLV431 имеет опорное напряжение около 1,2 В. И NPC431, и TLV431 нуждаются в очень слабом источнике питания 60–100 мкА.

Компания INTERSIL производит самые разные источники опорного напряжения. основан на технологии аналоговых МОП-транзисторов с плавающим затвором FGA (например, серии ISL60002).Они отличаются сверхнизким током питания (например, 400 нА), очень высокой точностью и сверхнизкой температурой.

В общем, чем больше опорное напряжение, тем больший резистор R2 можно выбрать на схеме, что является преимуществом для высокого напряжения, где обычно низкий ток источника не является проблемой для резистора R1. С другой стороны, для получения более сильных токов низкое опорное напряжение является преимуществом, поскольку оно снижает мощность, рассеиваемую резистором R1 на схеме.

Наконец, существуют также программируемые опорные значения, которые можно использовать для источников обратной полярности: LM4041 является примером, где опорное напряжение не относительно земли, а относительно источника +.

Благодарности Питу В. за его комментарии относительно части материала в этой заметке.

опубликовано 11 месяцев назад

10мес. Назад

Схема умножителя и удвоителя напряжения

В руководстве по выпрямителям мы увидели, что выходное напряжение постоянного тока, контролируемое выпрямителем, имеет значение ниже входного напряжения сети.Умножитель напряжения , однако, представляет собой специальный тип схемы диодного выпрямителя, который потенциально может создавать выходное напряжение, во много раз превышающее приложенное входное напряжение.

Хотя в электронных схемах обычно используется трансформатор напряжения для увеличения напряжения, иногда не всегда может быть доступен подходящий повышающий трансформатор или специально изолированный трансформатор, необходимый для приложений высокого напряжения. Одним из альтернативных подходов является использование схемы умножителя напряжения на диоде, которая увеличивает или «увеличивает» напряжение без использования трансформатора.

Умножители напряжения во многом похожи на выпрямители в том, что они преобразуют переменное напряжение в постоянное для использования во многих электрических и электронных схемах, например, в микроволновых печах, катушках с сильным электрическим полем для электронно-лучевых трубок, электростатических и высоких напряжениях. оборудование для проверки напряжения и т. д., где необходимо иметь очень высокое напряжение постоянного тока, генерируемое из источника переменного тока с относительно низким напряжением.

Как правило, выходное напряжение постоянного тока (В постоянного тока) схемы выпрямителя ограничено пиковым значением его синусоидального входного напряжения.Но, используя комбинации выпрямительных диодов и конденсаторов вместе, мы можем эффективно умножить это входное пиковое напряжение, чтобы получить выход постоянного тока, равный некоторому нечетному или даже кратному значению пикового напряжения входного переменного напряжения. Рассмотрим базовую схему умножителя напряжения ниже.

Полноволновой умножитель напряжения

На приведенной выше схеме показана базовая симметричная схема умножителя напряжения, состоящая из двух схем полуволнового выпрямителя. Добавив второй диод и конденсатор к выходу стандартного однополупериодного выпрямителя, мы можем увеличить его выходное напряжение на заданную величину.Этот тип конфигурации умножителя напряжения известен как полноволновой последовательный умножитель , потому что один из диодов проводит в каждом полупериоде, так же, как в схеме двухполупериодного выпрямителя.

Когда синусоидальное входное напряжение положительное, конденсатор C ₁ заряжается через диод D ₁, а когда синусоидальное напряжение отрицательное, конденсатор C ₂ заряжается через диод D ₂. Выходное напряжение 2V _IN снимается через два последовательно соединенных конденсатора.

Напряжение, создаваемое схемой умножителя напряжения , теоретически не ограничено, но из-за их относительно плохой стабилизации напряжения и низкой токовой способности они обычно предназначены для увеличения напряжения менее чем в десять раз. Однако, если они правильно спроектированы вокруг подходящего трансформатора, схемы умножителей напряжения способны создавать выходные напряжения в диапазоне от нескольких сотен до десятков тысяч вольт, в зависимости от их первоначального значения входного напряжения, но все с небольшими токами в миллиамперном диапазоне.

Удвоитель напряжения

Как следует из названия, удвоитель напряжения представляет собой схему умножителя напряжения с коэффициентом умножения напряжения, равным двум. Схема состоит только из двух диодов, двух конденсаторов и переменного входного напряжения переменного тока (также можно использовать форму волны ШИМ). Эта простая схема диодно-конденсаторной накачки дает выходное напряжение постоянного тока, равное размаху синусоидального входного сигнала. Другими словами, удвойте пиковое значение напряжения, потому что диоды и конденсаторы работают вместе, эффективно удваивая напряжение.

Цепь удвоителя напряжения постоянного тока

Так как это работает. На схеме изображен полуволновой удвоитель напряжения. Во время отрицательного полупериода синусоидальной формы входного сигнала диод D1 смещен в прямом направлении и проводит зарядку конденсатора накачки C1 до пикового значения входного напряжения (Vp). Поскольку нет обратного пути для разряда конденсатора C1, он остается полностью заряженным, действуя как накопительное устройство последовательно с источником напряжения. В то же время диод D2 проводит через D1, заряжая конденсатор C2.

Во время положительного полупериода диод D1 смещен в обратном направлении, блокируя разряд C1, в то время как диод D2 смещен в прямом направлении, заряжая конденсатор C2. Но поскольку напряжение на конденсаторе C1 уже равно пиковому входному напряжению, конденсатор C2 заряжается до удвоенного значения пикового напряжения входного сигнала.

Другими словами, V (положительный пик) + V (отрицательный пик), поэтому в отрицательном полупериоде D1 заряжает C1 до Vp, а в положительном полупериоде D2 добавляет пиковое напряжение переменного тока к Vp на C1 и передает все это. к C2.Напряжение на конденсаторе C2 разряжается через нагрузку, готовую к следующему полупериоду.

Тогда напряжение на конденсаторе C2 можно рассчитать как: Vout = 2Vp (за вычетом, конечно, падения напряжения на используемых диодах), где Vp — пиковое значение входного напряжения. Обратите внимание, что это двойное выходное напряжение не является мгновенным, а медленно увеличивается в каждом входном цикле, в конечном итоге достигая 2 В (размах).

Поскольку конденсатор C2 заряжается только в течение одного полупериода входного сигнала, результирующее выходное напряжение, разряженное в нагрузку, имеет частоту пульсаций, равную частоте питания, отсюда и название полуволнового удвоителя напряжения.Недостатком этого является то, что может быть трудно сгладить эту большую частоту пульсаций почти так же, как для схемы полуволнового выпрямителя. Кроме того, конденсатор C2 должен иметь номинальное напряжение постоянного тока, по крайней мере, в два раза превышающее значение пикового входного напряжения.

Преимущество «схем умножения напряжения» заключается в том, что они позволяют создавать более высокие напряжения из источника питания низкого напряжения без необходимости в дорогостоящем высоковольтном трансформаторе, поскольку схема удвоителя напряжения позволяет использовать трансформатор с более низким повышением. соотношение, чем было бы необходимо, если бы использовался обычный двухполупериодный источник питания.Однако, хотя умножители напряжения могут повышать напряжение, они могут подавать только малые токи на нагрузку с высоким сопротивлением (+100 кОм), поскольку генерируемое выходное напряжение быстро падает по мере увеличения тока нагрузки.

Изменяя направление диодов и конденсаторов в цепи, мы также можем изменить направление выходного напряжения, создавая отрицательное выходное напряжение. Кроме того, если мы подключили выход одной схемы умножения к входу другой (каскадирование), мы можем продолжать увеличивать выходное напряжение постоянного тока целыми шагами для получения утроителей напряжения или цепей учетверителей напряжения и т. Д., Как показано.

Схема тройника постоянного напряжения

Добавляя дополнительный одинарный диодно-конденсаторный каскад к схеме полуволнового удвоителя напряжения, описанной выше, мы можем создать еще одну схему умножителя напряжения, которая увеличивает входное напряжение в три раза и создает так называемую схему тройника напряжения .

«Схема тройника напряжения» состоит из полутора ступеней удвоителя напряжения. Эта схема умножителя напряжения дает на выходе постоянный ток, в три раза превышающий пиковое значение напряжения (3Vp) синусоидального входного сигнала.Как и в предыдущем удвоителе напряжения, диоды в цепи утроителя напряжения заряжают и блокируют разряд конденсаторов в зависимости от направления входного полупериода. Затем 1Vp падает на C3 и 2Vp на C2, и поскольку два конденсатора включены последовательно, это приводит к тому, что нагрузка видит напряжение, эквивалентное 3Vp.

Обратите внимание, что реальное выходное напряжение будет в три раза превышать пиковое входное напряжение за вычетом падения напряжения на используемых диодах, 3Vp — V (диод).

Если схема тройника напряжения может быть создана путем каскадирования вместе полутора умножителей напряжения, то схема учетверителя напряжения может быть построена путем каскадного соединения двух цепей удвоителя полного напряжения, как показано.

Схема учетверенного сигнала постоянного напряжения

Первый каскад умножителя напряжения удваивает пиковое входное напряжение, а второй каскад снова удваивает его, давая на выходе постоянный ток, равный четырехкратному значению пикового напряжения (4Vp) синусоидального входного сигнала. Кроме того, использование конденсаторов большой емкости поможет снизить пульсации напряжения.

Краткое описание умножителя напряжения

Затем мы увидели, что умножители напряжения представляют собой простые схемы, состоящие из диодов и конденсаторов, которые могут увеличивать входное напряжение в два, три или четыре раза и путем каскадного соединения отдельных половинных или полноступенчатых умножителей последовательно для подачи желаемого напряжения постоянного тока. к заданной нагрузке без повышающего трансформатора.
Цепи умножителя напряжения
классифицируются как удвоители, утроители, учетверы и т. Д., В зависимости от отношения выходного напряжения к входному. Теоретически можно получить любое желаемое умножение напряжения, и каскад из «N» удвоителей даст выходное напряжение 2N.Vp вольт.

Например, 10-ступенчатая схема умножителя напряжения с пиковым входным напряжением 100 вольт даст выходное напряжение постоянного тока около 1000 вольт или 1 кВ без потерь без использования трансформатора.

Однако диоды и конденсаторы, используемые во всех схемах умножения, должны иметь минимальное номинальное напряжение обратного пробоя, по крайней мере, в два раза превышающее пиковое напряжение на них, поскольку многоступенчатые схемы умножения напряжения могут создавать очень высокие напряжения, поэтому будьте осторожны. Кроме того, умножители напряжения обычно подают низкие токи на нагрузки с высоким сопротивлением, поскольку выходное напряжение быстро падает по мере увеличения тока нагрузки.

Все схемы умножения напряжения , показанные выше, предназначены для получения положительного выходного напряжения постоянного тока.Но они также могут быть спроектированы так, чтобы давать отрицательное выходное напряжение, просто меняя полярность всех диодов умножителя и конденсаторов, чтобы получить удвоитель отрицательного напряжения.

Глава 16: Расширенные разделы по усилителям: [Analog Devices Wiki]

В этой главе мы рассмотрим несколько схемотехнических решений с использованием нескольких транзисторов, которые выходят за рамки базовых конфигураций, которые мы обсуждали в предыдущих главах.

16.1 Улучшения эмиттерного повторителя

Инкрементное усиление по напряжению, A _V, ( V _OUT/ V _IN) эмиттерного повторителя в идеале должно быть равно 1, но всегда будет немного меньше 1. Коэффициент усиления обычно определяется по формуле следующее уравнение:

Из уравнения видно, что для получения коэффициента усиления, близкого к единице, мы можем либо увеличить R _L, либо уменьшить r _e.Мы также знаем, что r _e является функцией I _E и что по мере увеличения I _E r _e уменьшается. Также из схемы на рисунке 16.1 (a) мы можем видеть, что I _E связан с R _L и что по мере увеличения R _L I _E уменьшается для фиксированного напряжения питания. Эти два эффекта работают в противовес друг другу в простом эмиттерном повторителе с резистивной нагрузкой. Таким образом, чтобы оптимизировать усиление ведомого, нам нужно изучить способы либо уменьшить r _e, либо увеличить R _L, не влияя на другое.

Если посмотреть на повторитель с другой стороны, из-за присущего ему сдвига постоянного тока из-за транзистора В, , _{, BE}, разница между входом и выходом должна быть постоянной в течение предполагаемого размаха сигнала. Из-за простой резистивной нагрузки R _L на рисунке 16.1 (a) ток эмиттера I _E увеличивается и уменьшается по мере того, как выходной сигнал колеблется вверх и вниз. Мы знаем, что V _BE является экспоненциальной функцией I _E и изменится примерно на 18 мВ (при комнатной температуре) при изменении I _E с коэффициентом 2.Учитывая R _L = 2,2 кОм, размах +/- 2 В и общее напряжение питания 8 В ( В, + = + 4 В и В, — = -4 В), минимальное значение I _E = 2 В / 2,2 КОм или 0,91 мА и максимальное I _E = 6 В / 2,2 кОм или 2,7 мА . Это приводит к разнице 1,8 мА и приводит к изменению на 28 мВ в В _BE. Это наблюдение приводит нас к первому возможному усовершенствованию эмиттерного повторителя, показанного на рисунке 16.1 (б).

Рисунок 16.1 Эмиттерный повторитель с нагрузкой источника тока.

Токовое зеркало из главы 11 можно заменить резистором нагрузки эмиттера для подачи фиксированного тока эмиттера на транзистор усилителя, рисунок 16.1 (b). Токовое зеркало пропускает более или менее постоянный ток в широком диапазоне напряжений. Если игнорировать любой ток во внешней нагрузке на В _OUT, этот более или менее постоянный ток, протекающий в транзисторе Q ₁, приведет к более или менее постоянному В _BE.

С другой стороны, очень высокое выходное сопротивление источника тока эффективно увеличило R _L, в то время как r _e остается на низком значении, установленном током I _E. В разделе 11.5.3 главы, посвященном выходному сопротивлению токового зеркала, мы видели, что использование эмиттерных резисторов дегенерации может значительно увеличить r _O по сравнению с тем, что установлено ранним напряжением транзистора В _A.

16.2 Эмиттерный повторитель дополнительной пары обратной связи

Альтернативный подход к совершенствованию эмиттерного повторителя заключается в уменьшении эффективного r _e за счет отрицательной обратной связи.Уменьшение r _e может быть решено путем добавления второго транзистора для увеличения коэффициента отрицательной обратной связи за счет увеличения коэффициента усиления без обратной связи. Одиночный транзистор заменяется парой транзисторов со 100% обратной связью по напряжению с эмиттером первого транзистора. Это часто называют дополнительной парой обратной связи, как показано на рисунке 16.2.

Рисунок 16.2 Эмиттер-повторитель дополнительной пары обратной связи

Значение R ₁ имеет решающее значение для хорошей линейности, поскольку оно устанавливает I _C транзистора Q ₁.Ток коллектора Q ₁ будет примерно равен V _BE Q ₂, деленному на R ₁. Этот ток в Q ₁ будет относительно более постоянным, чем ток в R _L. Большая часть переменного тока в R _L (при изменении V _OUT) будет течь в Q ₂, а не в Q ₁. Резистор R _L, конечно, можно дополнительно заменить источником постоянного тока в качестве дальнейшего улучшения, как мы только что видели в разделе 16.1.

Важным следствием добавления дополнительного транзистора Q ₂ является то, что он дополнительно ограничивает максимальный положительный размах выходного сигнала. В простом эмиттерном повторителе, показанном на рисунке 16.1 (а), выходной сигнал не может превышать В + — В _BEQ1. В то время как выход повторителя на рисунке 16.2 может колебаться не выше В + — В _BEQ1 — В _BEQ2, а переходы коллекторно-базовых транзисторов остаются смещенными в обратном направлении.

16.2.1 Последователи источника на полевых транзисторах

Важно отметить, что уравнение усиления для повторителей на основе полевых транзисторов во многом такое же, как и для повторителей на основе BJT, при замене сопротивления источника слабого сигнала r _s.

Мы также знаем, что сопротивление источника слабого сигнала является функцией постоянного тока стока I _D, поэтому использование тех же схемотехнических схем, чтобы поддерживать I _D более постоянным с изменениями тока нагрузки, улучшит производительность повторителей на основе полевых транзисторов, поскольку хорошо.

16.2.2 Эффект тела

Все МОП-транзисторы имеют четвертый вывод, который необходимо учитывать при проектировании схем, в которых используются эти устройства. Дополнительный эффект, ограничивающий точность усиления истокового повторителя на основе полевого транзистора, возникает из-за возможных изменений напряжения на этом четвертом выводе, часто называемом корпусом или обратным затвором, в случаях, когда корпус или подложка подключены к фиксированному отрицательному источнику питания. (для устройств NMOS или положительный источник питания для устройств PMOS), а не источник.

Эффект тела относится к изменению порогового напряжения, В _th, изменением В _SB, напряжения источника на задний затвор. Поскольку напряжение на заднем затворе влияет на пороговое напряжение (когда оно не привязано к источнику), его можно рассматривать как второй затвор. Эффект тела иногда называют «эффектом заднего прохода».

Для режима улучшения устройства NMOS влияние тела на пороговое напряжение рассчитывается путем применения модели Шичмана-Ходжеса с использованием следующего уравнения:

Где:
В _TB — пороговое напряжение при наличии смещения подложки,
В _SB — смещение подложки от источника к телу
2f _F — поверхностный потенциал
В _TO — пороговое напряжение для нулевого смещения подложки.

Параметр эффекта тела:

Где:
t _ox — толщина оксида
ε _ox — диэлектрическая проницаемость оксида
ε _si — диэлектрическая проницаемость кремния
N _A — концентрация легирования
q — заряд электрона

16.3 Усовершенствованный серийный регулятор напряжения

В главе 6 мы кратко рассмотрели стабилитрон как шунтирующий стабилизатор, рисунок 16.3 (a). Если мы включим транзисторный каскад с эмиттерным повторителем вместо последовательного резистора, мы сможем значительно улучшить характеристики регулирования нагрузки регулятора. Добавление каскада эмиттерного повторителя к простому стабилизатору Зенера, как показано на рисунке 16.3 (b), образует простой последовательный регулятор напряжения и существенно улучшает регулирование цепи. Здесь ток нагрузки I _RL подается транзистором, база которого теперь подключена к стабилитрону.Таким образом, базовый ток транзистора (I _B) является единственным переменным током, протекающим в стабилитроне, и он меньше, чем ток через R _L на ß или коэффициент усиления по току эмиттерного повторителя. Этот регулятор классифицируется как «последовательный», потому что регулирующий элемент, транзистор, включен последовательно с нагрузкой. R ₁ устанавливает ток Зенера (I _Z) и определяется как:

где V _Z — напряжение стабилитрона, I _B — ток базы транзистора и K — коэффициент масштабирования, равный 1.2 к 2, чтобы гарантировать, что R ₁ достаточно низкий для максимального значения I _B при больших выходных токах нагрузки.

где:
I _L — требуемый ток нагрузки, а также ток эмиттера транзистора (предполагаемый приблизительно равным току коллектора)
ß _(мин) — минимально допустимое усиление постоянного тока для транзистора.

Рисунок 16.3.1 Улучшенный стабилизатор напряжения Зенера

Эта схема имеет гораздо лучшее регулирование нагрузки, чем простой стабилизатор шунта Зенера, поскольку базовый ток транзистора формирует очень небольшую нагрузку на стабилитрон, тем самым сводя к минимуму колебания напряжения Зенера из-за колебаний нагрузки.Здесь также полезно отметить, что выходное напряжение теперь будет примерно на 0,65 В меньше, чем В _Z из-за падения транзистора В _BE, если бы мы не включили дополнительный диод D ₁ последовательно с стабилитроном. Падение напряжения на D ₁ можно считать примерно таким же, как у V _BE Q ₁. Второй NPN-транзистор с диодным соединением, аналогичный Q ₁, используемый вместо D ₁, обеспечил бы лучшее приближение.Хотя эта схема имеет хорошее регулирование, она все же несколько чувствительна к колебаниям нагрузки и питания. Это можно улучшить, добавив отрицательную обратную связь. Этот простой регулятор часто используется в качестве «предварительного регулятора» в более совершенных схемах линейного регулятора напряжения.

Схема может быть настроена путем добавления переменного резистора в качестве делителя напряжения на стабилитрон, перемещая соединение базы транзистора от верхней части стабилитрона к дворнику потенциометра. Другой способ ступенчатой регулировки выходного напряжения — переключение стабилитронов с разными напряжениями пробоя.

16.3.1 Транзисторный умножитель емкости

В соответствующей схеме источника питания, показанной на рисунке 16.3.2, эффективная емкость конденсатора C ₁ умножается на коэффициент усиления транзистора по току (β).

Рисунок 16.3.2 Транзисторный умножитель емкости

R ₁ и C ₁ образуют фильтр нижних частот, который помогает сгладить любую пульсацию на V _S, например, от двухполупериодного выпрямителя.R ₁ обеспечивает зарядный ток, а также базовый ток транзистора (Q ₁). R _L — нагрузка в цепи. Без Q ₁ R _L будет нагрузкой на конденсатор, а C ₁ должен быть очень большим для поддержания низкой пульсации. При наличии Q ₁ нагрузка, налагаемая на C ₁, представляет собой просто ток нагрузки, уменьшенный в β раз. И наоборот, C ₁ кажется «умноженным» на коэффициент β к нагрузке.

Обратите внимание, что эта схема не является регулятором напряжения, так как выходное напряжение напрямую зависит от входа V _IN. Выходное напряжение меньше базового на В _BE (около 0,65 В). База будет меньше, чем V _S (при загрузке) на базовый текущий, умноженный на R ₁. Более высокие значения R ₁ (и C ₁) уменьшают пульсации на выходе почти до незначительного уровня. С другой стороны, это приводит к медленному увеличению выходной мощности до требуемого значения (особенно при подключенной нагрузке) из-за большей постоянной времени R ₁ и C ₁.Однако схемы на рисунках 16.3.1 и 16.3.2 могут быть объединены для улучшения фильтрации и регулирования напряжения.

16.3.2 Добавление ограничения выходного тока

Схема ограничения тока — важный элемент любого источника питания. Всегда существует риск, что нагрузка может потреблять слишком большой ток или шины питания могут даже случайно закоротиться. Включение цепи ограничителя тока предотвратит дальнейшее повреждение внешней цепи, а также предотвратит повреждение самого источника питания.

Можно реализовать ограничитель тока источника питания только с диодами, но тот, который мы рассмотрим здесь, использует один транзистор и резистор измерения тока. Эта схема составляет основу большинства конструкций ограничителей тока источников питания, используемых сегодня, и обычно используется для ограничения тока в выходном каскаде операционных усилителей. Схема ограничения, состоящая из Q ₂ и R ₂, включена в простую схему регулятора, показанную на рисунке 16.3.3.

Ограничитель тока работает очень просто. Когда источник питания подает ток ниже максимального уровня, ток течет через резистор считывания, и на нем возникает небольшая разность потенциалов. Номинал резистора выбирается таким образом, чтобы при прохождении максимально допустимого тока от источника питания на нем создавалось напряжение, равное В _BE транзистора считывания тока Q ₂. Обычно это 0.6 вольт при использовании кремниевого транзистора.

Когда напряжение на резисторе считывания тока приближается к 0,6 вольт, транзистор считывания тока начинает включаться. Когда это происходит, напряжение на базе проходного транзистора основного источника питания понижается, тем самым предотвращая любое увеличение выходного тока источника питания. Таким образом, очень легко рассчитать значение чувствительного резистора, используя закон Ома. Это просто V _BE / I _Lmax.Транзистор считывания тока Q ₂ должен иметь достаточно большую емкость по току, чтобы иметь возможность отводить весь ток от базы основного транзистора последовательного прохода.

Рисунок 16.3.3 Регулятор питания с обратной связью и ограничением тока транзистора

Ввиду того, что точка считывания регулятора находится после резистора считывания тока, любое падение напряжения на резисторе не повлияет на выходное напряжение схемы, поскольку оно будет компенсироваться регулятором.Это предполагает, что входное напряжение питания достаточно велико для правильного регулирования схемы. Таким образом, резистор считывания тока не вызовет снижения выходного напряжения схемы регулятора источника питания.

Схема ограничителя тока блока питания показана в схеме очень простого регулятора. Однако его можно разместить в большинстве схем регуляторов, сделанных из дискретных компонентов, с небольшими изменениями. Что касается схем, использующих регуляторы интегральных схем, они практически наверняка содержат схему ограничителя тока, основанную на этом принципе.

16.4 Однотранзисторный фильтр верхних частот

Иногда желательно разработать простой активный фильтр верхних частот, используя каскад усилителя с одним транзистором. Схема транзисторного фильтра, показанная на рисунке 16.4, представляет собой двухполюсный фильтр с единичным усилением. Этот фильтр удобно размещать в более крупной схеме, поскольку он содержит мало компонентов и не занимает много места.

Схема активного транзистора верхних частот довольно проста, в ней всего четыре резистора, два конденсатора и один транзистор.Условия работы транзистора устанавливаются обычным образом. R ₂ и R ₃ используются для установки точки смещения для базы транзистора. Резистор R _L является резистором эмиттера и устанавливает ток для транзистора.

Компоненты фильтра включены в отрицательную обратную связь с выхода схемы на вход. Компоненты, образующие сеть активных фильтров, состоят из C ₁, C ₂, R ₁ и комбинации R ₂ и R ₃, включенных параллельно, при условии, что входное сопротивление цепи эмиттерного повторителя очень высоки, и на них можно не обращать внимания.

Рисунок 16.4 Схема активного транзисторного фильтра верхних частот

Это для значений, при которых влияние самого транзистора эмиттерного повторителя в цепи фильтра верхних частот можно игнорировать, , то есть :

Где:
β = коэффициент усиления прямого тока транзистора
f _o = частота среза фильтра верхних частот
π = равно 3,14159

Уравнения для определения значений компонентов обеспечивают отклик Баттерворта, который обеспечивает максимальную равномерность полосы пропускания за счет максимально быстрого достижения максимального спада.Это было выбрано, потому что эта форма фильтра подходит для большинства приложений, и математика работает легко.

16,5 Умножение частоты

Умножители частоты — это особый класс усилителей, которые смещены в 3–10 раз по сравнению с нормальным смещением среза. Они используются для генерации частоты, кратной (гармонической) более низкой частоте. Такие схемы называются умножителями частоты или генераторами гармоник.

На рисунке 16.5.1 показан умножитель частоты, известный как удвоитель частоты или генератор второй гармоники.Как показано, входная частота составляет 10 кГц, а выходная частота — 20 кГц, что в два раза превышает входную частоту. Другими словами, вторая гармоника 10 кГц равна 20 кГц. Третья гармоника (утроение частоты) будет составлять 30 кГц, или в 3 раза больше входного сигнала. Четвертая гармоника (квадруплет) будет составлять 40 кГц, или в 4 раза больше входного сигнала 10 кГц. Пятая гармоника (пятикратное увеличение частоты) обычно имеет такое же высокое умножение, как это практически возможно, потому что на гармониках выше пятой выходной сигнал уменьшается до очень слабого сигнала.

Рисунок 16.5.1, Умножение частоты с использованием одного транзистора

Умножители частоты работают от импульсов коллекторного тока, создаваемого усилителем класса C. Хотя ток коллектора протекает импульсами, переменное напряжение коллектора имеет синусоидальную форму из-за действия цепи резервуара. Когда контур выходного резервуара настроен на требуемую гармонику, контур резервуара действует как фильтр, принимая желаемую частоту и отклоняя все остальные.

Следующая схема, рисунок 16.5.2, представляет собой лучший умножитель частоты, использующий дифференциальный усилитель NPN с резонансной выходной нагрузкой LC. При значениях компонентов, показанных на рисунке, выходной уровень составляет около 4 В размах при 33 кГц с входом 1 В размах и 11 кГц. Другие частоты и коэффициенты умножения возможны путем регулировки резонансной частоты резервуара L ₁, C ₁.

Рисунок 16.5.2, Улучшенный множитель частоты.

Амплитудная модуляция может применяться к выходной частоте посредством конденсатора, соединяющего модулирующий (звуковой) сигнал с базой транзистора источника тока Q ₃.

На рисунке 16.5.3 показаны формы сигналов в типичной цепи. Вы можете видеть, что импульсы тока коллектора имеют ту же частоту, что и входной сигнал. Эти импульсы тока коллектора возбуждают контур резервуара и заставляют его колебаться с частотой, в два раза превышающей базовую частоту сигнала. Между импульсами тока коллектора контур резервуара продолжает колебаться.Следовательно, контур резервуара получает импульс тока для каждого второго цикла своего выхода.

Рисунок 16.5.3

Вернуться к предыдущей главе

Перейти к следующей главе

Вернуться к содержанию

Умножитель конденсатора не устраняет пульсации

Это должен быть комментарий, но мне нужно было включить изображение:

На фиолетовой кривой есть два разных вида шума.Прежде чем пытаться разработать фильтр, чтобы избавиться от этого шума, важно знать, откуда исходит шум, и, что еще более важно, вы должны знать, действительно ли он реальный, или это артефакт техники зондирования, или, может быть, даже не исходит от вашей схемы.

Один важный совет: синхронизирован ли шум с частотой вашего преобразователя постоянного тока или нет.

«Пух» I, помеченный как «B», похоже, не синхронизирован с вашим переключением DC-DC. Таким образом, это может происходить из-за того, что зонды улавливают случайный электромагнитный шум от чего-то еще в лаборатории, что может быть чем угодно: телефоном, местной радиостанцией, КЛЛ или светодиодными лампами с переключаемыми балластами, импульсным источником питания, используемым для питания вашей испытательной установки. …

Однако большой пик с надписью «A» синхронизирован с вашим переключением, что означает, что он исходит от вашего дизайна …

Но есть загвоздка. Шип «А» занимает большую часть экрана по вертикали, поэтому он довольно сильный, но он также имеет ширину , что ненормально. Всплеск переключения выглядит как всплеск, но это больше похоже на случайные колебания, вызванные всплеском переключения, как предлагается в комментариях.

Однако … здесь есть проблема.

Осциллограф запускается по желтому каналу с низким коэффициентом усиления, поэтому запуск может быть нестабильным и неточным. Если вы наблюдаете сигнал, и он кажется нечетким, размытым или с «растянутыми» краями в горизонтальном направлении, как это делает ваша фиолетовая кривая, это может происходить из-за неустойчивого запуска, особенно если прицел запускается из другого канала, который может содержать шум. Возможно, уровень триггера установлен неправильно, или сигнал зашумлен и т. Д. Вы можете запустить триггер по сигналу, который вы действительно пытаетесь наблюдать, чтобы устранить это сомнение.Учитывая высоту шумового всплеска, у прицела не должно возникнуть проблем со срабатыванием по нему.

Итак, сначала установите осциллограф в однократный режим и запустите его вручную с помощью кнопки TRIG, чтобы записать одиночный след. Или используйте функцию ЗАПИСЬ, чтобы записать несколько трасс. Затем исследуйте каждый след индивидуально. Это отключит функцию «решетки интенсивности», и весь пушок исчезнет. Вы просто увидите след. Используйте более высокую скорость развертки по горизонтали, чтобы пик с меткой «A» занимал половину ширины экрана, чтобы получить хорошее временное разрешение.

Тогда вы сможете увидеть, похоже ли это на затухающие колебания.

Есть и другие возможные объяснения. То, что что-то появляется на экране как нечеткое, не означает, что частота слишком высока для четкого отображения. Это может быть шум от чего-то еще (например, лампы CFL), который не синхронизирован с вашим прицелом, срабатывающим на DC-DC, поэтому это выглядит как беспорядок. Вы увидите разницу, посмотрев трассировку в режиме одиночного снимка.

Шум «А» возникает только тогда, когда переключатель DC-DC находится в положении ON.Так что это может быть так, что вход DC-DC содержит много ВЧ-шума, возможно, его встроенные конденсаторы не подходят, и то, что вы видите, — это входной шум, поступающий на выход, когда переключатель включен .

No related posts.

Выходные транзисторы	TIP35 (TIP36 для отрицательного питания)
Драйверы	BD139 (BD140 для отрицательного питания)
Резисторы	1 / 4W металлическая пленка для всех резисторов
Диоды	1N4001 или аналогичные
Электро	Нет предложений, но убедитесь, что их рабочее напряжение не будет превышено, и соблюдайте полярность.(В обходе с помощью полиэстера нет необходимости, но если это заставляет вас чувствовать себя лучше, сделайте это)
Мостовой выпрямитель	Рекомендуется мост от 20 до 35 А. Это перебор, но пиковые токи велики, особенно с конденсаторами большой емкости. Также обеспечивает минимальные потери в диодах при нормальных токах.
Трансформатор	Используйте тороидальный. Показанная мощность (ВА) для источника питания должна соответствовать требованиям усилителя.Двойной усилитель класса A мощностью 20 Вт в идеале должен иметь номинальную мощность трансформатора не менее 200 ВА, что в 5 раз превышает мощность усилителя. (Обратите внимание, что VA иногда неправильно указано в ваттах). Первичное напряжение, естественно, зависит от того, где вы живете.

Умножитель напряжения на диодах и конденсаторах

Определение умножителя напряжения

Однополупериодный умножитель

Примеры решения задач

Расчет умножителя напряжения на диодах и конденсаторах

Повышающие преобразователи

Повышающие преобразователи переменного тока

Расчет умножителя онлайн

Повышающие преобразователи постоянного тока

Несимметричный умножитель напряжения (Кокрофта-Уолтона)

Утроитель, 2-й вариант

Утроитель, 3-й вариант

Умножитель на 4, 1-й вариант

Умножитель на 4, 2-й вариант

Умножитель на 4, 3-й вариант

Умножитель на 5, 1-й вариант

Умножитель на 6, 1-й вариант

Умножитель на 6, 2-й вариант

Умножитель на 8, 1-й вариант

Умножитель на 8, 2-й вариант

Умножитель напряжения Шенкеля – Вилларда

Умножитель со ступенчатой нагрузочной способностью

Выпрямитель с вольтодобавкой

Умножитель из диодных мостов

Как работает умножитель напряжения — Меандр — занимательная электроника

Умножители напряжения параллельные, последовательные, двухполупериодные, однополупериодные

Умножители напряжения

Назначение умножителей напряжения, структура и нагрузочная способность

Несимметричный умножитель напряжения (Villard cascade)

Симметричный умножитель напряжения (Double Villard cascade)

Симметричный умножитель напряжения Шенкеля – Вилларда

Гибридный умножитель напряжения последовательно-параллельного типа

Симметричный умножитель на основе диодных мостов

Симметричный двухполупериодный умножитель Кокрофта-Уолтона

Удвоитель напряжения Латура-Делона-Гренашера

Примеры схемотехнических реализаций умножителей напряжения

Утроители напряжения

Умножители на 4

Умножитель на 6

Умножитель на 8

Требования к диодам и конденсаторам умножителей напряжения

Умножители напряжения. (Лекция 3) — презентация онлайн

1. УМНОЖИТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЯ

Умножитель напряжения

Схема умножителя напряжения

»Примечания по электронике

Умножитель емкости транзистора может использоваться для дополнительного сглаживания во многих областях электроники

Схема умножителя основной емкости

Модифицированный умножитель емкости

Пример применения умножителя емкости

Фильтр источника питания умножителя емкости

Множитель емкости | audioXpress

Электротехника — новый взгляд на умножитель емкости

Полноволновой умножитель напряжения

Удвоитель напряжения

Цепь удвоителя напряжения постоянного тока

Схема тройника постоянного напряжения

Схема учетверенного сигнала постоянного напряжения

Краткое описание умножителя напряжения

Глава 16: Расширенные разделы по усилителям: [Analog Devices Wiki]

16.1 Улучшения эмиттерного повторителя

16.2 Эмиттерный повторитель дополнительной пары обратной связи

16.2.1 Последователи источника на полевых транзисторах

16.2.2 Эффект тела

16.3 Усовершенствованный серийный регулятор напряжения

16.3.1 Транзисторный умножитель емкости

16.3.2 Добавление ограничения выходного тока

16.4 Однотранзисторный фильтр верхних частот

16,5 Умножение частоты

Умножитель конденсатора не устраняет пульсации

Оставить комментарийОтменить комментарий