Spannungsvervielfacher. Schema, Beschreibung

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Spannungsvervielfacher

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Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Funkamateur-Designer

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Der Artikel beschreibt die wichtigsten Optionen für Spannungsvervielfacher, die in einer Vielzahl elektronischer Geräte verwendet werden, und liefert berechnete Verhältnisse. Dieses Material wird für Funkamateure von Interesse sein, die an der Entwicklung von Geräten mit Multiplikatoren beteiligt sind.

Multiplikatoren werden in modernen elektronischen Geräten häufig verwendet. Sie werden in Fernseh- und Medizingeräten (Anodenspannungsquellen für Bildröhren, Stromversorgung für Laser mit geringer Leistung), in Messgeräten (Oszilloskope, Instrumente zur Messung der Höhe und Dosis radioaktiver Strahlung), in Nachtsichtgeräten und Elektroschockgeräten eingesetzt , Haushalts- und Büroelektronikgeräte (Ionisatoren, „Chizhevskys Kronleuchter“, Fotokopiergeräte) und viele andere Bereiche der Technik. Dies geschah dank der Haupteigenschaften von Multiplikatoren – der Fähigkeit, hohe Spannungen von bis zu mehreren Zehntausend und Hunderttausend Volt bei geringen Abmessungen und geringem Gewicht zu erzeugen. Ein weiterer wichtiger Vorteil ist ihre einfache Berechnung und Herstellung.

Ein Spannungsvervielfacher besteht aus auf bestimmte Weise verbundenen Dioden und Kondensatoren und ist ein Wandler von Wechselspannung aus einer Niederspannungsquelle in Hochspannungsgleichstrom.

Das Funktionsprinzip wird aus Abb. deutlich. 1 zeigt die Schaltung eines Halbwellenvervielfachers. Betrachten wir die darin ablaufenden Prozesse Schritt für Schritt.

Spannungsvervielfacher

Während der negativen Halbwellenspannung wird der Kondensator C1 über die offene Diode VD1 auf den Amplitudenwert der angelegten Spannung U aufgeladen. Wenn eine positive Halbwellenspannung an den Multiplizierereingang angelegt wird, wird der Kondensator C2 über die offene Diode VD2 aufgeladen auf eine Spannung von 2Ua. Während der nächsten Stufe – der negativen Halbwelle – wird der Kondensator C3 über die Diode VD2 auf eine Spannung von 3U aufgeladen. Und schließlich wird während der nächsten positiven Halbwelle der Kondensator C2 auf eine Spannung von 4U aufgeladen.

Offensichtlich läuft der Multiplikator über mehrere Wechselspannungsperioden an. Die konstante Ausgangsspannung ist die Summe der Spannungen an den in Reihe geschalteten und ständig nachgeladenen Kondensatoren C2 und C4 und beträgt 4Ua.

In Abb. dargestellt. 1 Multiplikator bezieht sich auf serielle Multiplikatoren. Es gibt auch parallele Spannungsvervielfacher, die weniger Kondensatorkapazität pro Vervielfacherstufe benötigen. In Abb. Abbildung 2 zeigt ein Diagramm eines solchen Halbwellenvervielfachers.

Spannungsvervielfacher

Am häufigsten werden serielle Multiplizierer verwendet. Sie sind universeller, die Spannung an den Dioden und Kondensatoren wird gleichmäßiger verteilt und es können mehr Vervielfachungsstufen implementiert werden. Auch Parallelmultiplikatoren haben ihre Vorteile. Ihr Nachteil, wie beispielsweise ein Anstieg der Spannung an den Kondensatoren mit zunehmender Anzahl der Vervielfachungsstufen, begrenzt ihren Einsatz jedoch auf eine Ausgangsspannung von etwa 20 kV.

In Abb. Die Abbildungen 3 und 4 zeigen Schaltungen von Vollwellenvervielfachern. Die Vorteile des ersten (Abb. 3) umfassen Folgendes: An die Kondensatoren C1, C3 wird nur eine Amplitudenspannung angelegt, die Belastung der Dioden ist gleichmäßig und es wird eine gute Stabilität der Ausgangsspannung erreicht. Der zweite Multiplizierer, dessen Schaltung in Abb. 4. Sie zeichnen sich durch Eigenschaften wie hohe Leistung, einfache Herstellung, gleichmäßige Lastverteilung zwischen den Komponenten und eine große Anzahl von Vervielfachungsstufen aus.

Spannungsvervielfacher

Die Tabelle zeigt typische Parameterwerte und den Anwendungsbereich von Spannungsvervielfachern.

Spannungsvervielfacher

Bei der Berechnung eines Multiplikators sollten Sie dessen Hauptparameter festlegen: Ausgangsspannung, Ausgangsleistung, Eingangswechselspannung, erforderliche Abmessungen, Betriebsbedingungen (Temperatur, Luftfeuchtigkeit).

Darüber hinaus müssen einige Einschränkungen berücksichtigt werden: Die Eingangsspannung darf nicht mehr als 15 kV betragen, die Frequenz der Wechselspannung ist auf 5 ... 100 kHz begrenzt. Ausgangsspannung - nicht mehr als 150 kV, Betriebstemperaturbereich von -55 bis +125 * C und Luftfeuchtigkeit - 0...100 %. In der Praxis werden Multiplizierer mit einer Ausgangsleistung von bis zu 50 W entwickelt und eingesetzt, obwohl tatsächlich Werte von 200 W und mehr erreichbar sind.

Die Ausgangsspannung des Multiplizierers hängt vom Laststrom ab. Vorausgesetzt, dass die Eingangsspannung und -frequenz konstant sind, wird sie durch die Formel bestimmt: Uout = N · Nin – [1 (N3 + 9N2/4 + N/2)]/12FC, wobei I der Laststrom ist. A; N ist die Anzahl der Multiplikatorstufen; F - Eingangsspannungsfrequenz. Hz; C ist die Kapazität des Stufenkondensators, f. Einstellen der Ausgangsspannung, des Stroms. Frequenz und Anzahl der Stufen, daraus wird die erforderliche Kapazität des Stufenkondensators berechnet.

Diese Formel dient zur Berechnung des seriellen Multiplikators. Parallel dazu ist die erforderliche Kapazität geringer, um den gleichen Ausgangsstrom zu erhalten. Wenn der Reihenkondensator also eine Kapazität von 1000 pF hat, dann benötigt ein dreistufiger Parallelvervielfacher eine Kapazität von 1000 pF / 3 = 333 pF. In jeder weiteren Stufe eines solchen Multiplizierers sollten Kondensatoren mit einer höheren Nennspannung verwendet werden.

Die Sperrspannung an den Dioden und die Betriebsspannung der Kondensatoren im Reihenvervielfacher entsprechen dem vollen Hub der Eingangsspannung.

Bei der praktischen Umsetzung eines Multiplikators sollte besonderes Augenmerk auf die Auswahl seiner Elemente, deren Platzierung und Isoliermaterialien gelegt werden. Das Design muss eine zuverlässige Isolierung bieten, um das Auftreten einer Koronaentladung zu vermeiden, die die Zuverlässigkeit des Multiplikators verringert und zu seinem Ausfall führt.

Wenn es notwendig ist, die Polarität der Ausgangsspannung zu ändern, sollte die Polarität der Dioden umgekehrt werden.

Autor: D. Sadchenkov, Moskau

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