Při řešení problémů s obvody jsou chvíle, kdy je nutné upustit od používání transformátorů pro zvýšení výstupního napětí. Jako příčina se nejčastěji ukazuje nemožnost zařadit do zařízení z důvodu ukazatelů hmotnosti a velikosti step-up měniče. V takové situaci je řešením použít násobič.
Definice násobiče napětí
Zařízení, což znamená násobič elektřiny, je obvod, který umožňuje převádět střídavé nebo pulzující napětí na stejnosměrné, ale vyšší hodnoty. Nárůst hodnoty parametru na výstupu zařízení je přímo úměrný počtu stupňů obvodu. Nejelementárnější existující multiplikátor napětí vynalezli vědci Cockcroft a W alton.
Moderní kondenzátory vyvinuté v elektronickém průmyslu se vyznačují malými rozměry a relativně velkou kapacitou. To umožnilo přestavět mnoho obvodů a zavést produkt do různých zařízení. Násobič napětí byl namontován na diodách a kondenzátorech zapojených v jejich vlastním pořadí.
Kromě funkce zvýšení elektřiny ji multiplikátory současně převádějí ze střídavého na stejnosměrný proud. To je výhodné v tom, že celkový obvod zařízení je zjednodušen a stává se spolehlivějším a kompaktnějším. Pomocí zařízení lze dosáhnout zvýšení až o několik tisíc voltů.
Kde se zařízení používá
Multiplikátory našly uplatnění v různých typech zařízení, jsou to: laserové čerpací systémy, zařízení pro záření rentgenových vln v jejich vysokonapěťových jednotkách, pro podsvícení displejů s tekutými krystaly, iontová čerpadla, lampy s postupnou vlnou, ionizátory vzduchu, elektrostatické systémy, urychlovače částic, kopírovací stroje, televizory a osciloskopy s kineskopy a také tam, kde je vyžadována stejnosměrná elektřina s nízkým proudem a vysokým proudem.
Princip násobiče napětí
Abyste pochopili, jak obvod funguje, je lepší podívat se na fungování takzvaného univerzálního zařízení. Zde není počet stupňů přesně specifikován a výstupní elektřina je určena vzorcem: nUin=Uout, kde:
- n je počet přítomných stupňů obvodu;
- Uin je napětí přivedené na vstup zařízení.
V počátečním okamžiku, kdy do obvodu přijde první, řekněme, kladná půlvlna, ji dioda vstupního stupně předá svému kondenzátoru. Ten se nabíjí na amplitudu příchozí elektřiny. S druhým záporempůlvlna je první dioda uzavřena a polovodič druhého stupně ji pustí ke svému kondenzátoru, který je rovněž nabitý. Navíc se napětí prvního kondenzátoru, zapojeného do série s druhým, přičte k poslednímu a výstup kaskády je již dvojnásobný.
Totéž se děje na každém následujícím stupni – to je princip násobiče napětí. A když se podíváte na průběh až do konce, ukáže se, že výstupní elektřina převyšuje vstup o určitý počet krát. Ale jako v transformátoru, i zde bude proudová síla klesat se zvýšením rozdílu potenciálů - zákon zachování energie také funguje.
Schéma pro konstrukci multiplikátoru
Celý řetězec obvodu je sestaven z několika článků. Jeden článek násobiče napětí na kondenzátoru je půlvlnný usměrňovač. Pro získání zařízení je nutné mít dva sériově zapojené články, z nichž každý má diodu a kondenzátor. Takový obvod je zdvojovačem elektřiny.
Grafické znázornění zařízení násobiče napětí v klasické verzi vypadá s diagonální polohou diod. Směr zapínání polovodičů určuje, který potenciál – záporný nebo kladný – bude přítomen na výstupu násobiče vzhledem k jeho společnému bodu.
Kombinací obvodů se záporným a kladným potenciálem se na výstupu zařízení získá bipolární obvod zdvojovače napětí. Rysem této konstrukce je, že pokud měříte hladinuelektřina mezi pólem a společným bodem a překročí vstupní napětí 4krát, pak se velikost amplitudy mezi póly zvýší 8krát.
V multiplikátoru bude společný bod (který je připojen ke společnému vodiči) ten, kde je výstup zdroje napájení připojen k výstupu kondenzátoru seskupeného s jinými sériově zapojenými kondenzátory. Na jejich konci je výstupní elektřina odebírána na sudých prvcích - na sudém koeficientu, na lichých kondenzátorech, respektive na lichém koeficientu.
Pumpovací kondenzátory v multiplikátoru
Jinými slovy, v zařízení násobiče konstantního napětí dochází k určitému přechodnému procesu nastavení výstupního parametru odpovídajícímu deklarovanému. Nejjednodušší způsob, jak to zjistit, je zdvojnásobit elektřinu. Když se přes polovodič D1 nabije kondenzátor C1 na plnou hodnotu, pak v další půlvlně spolu se zdrojem elektřiny současně nabije druhý kondenzátor. C1 nemá čas úplně odevzdat svůj náboj C2, takže výstup zpočátku nemá dvojnásobný potenciálový rozdíl.
Na třetí půlvlně je první kondenzátor dobit a poté přiveden potenciál na C2. Ale napětí na druhém kondenzátoru již má opačný směr než první. Výstupní kondenzátor proto není plně nabitý. S každým novým cyklem bude mít elektřina na prvku C1 tendenci ke vstupu, napětí C2 se zdvojnásobí.
Jakvypočítat multiplikátor
Při výpočtu násobícího zařízení je nutné vycházet z výchozích údajů, kterými jsou: proud potřebný pro zátěž (In), výstupní napětí (Uout), koeficient zvlnění (Kp). Minimální kapacitní hodnota prvků kondenzátoru, vyjádřená v uF, je určena vzorcem: С(n)=2, 85nIn/(KpUout), kde:
- n je počet zvýšení vstupní elektřiny;
- In - proud protékající zátěží (mA);
- Kp – pulzační faktor (%);
- Uout - napětí přijaté na výstupu zařízení (V).
Zvýšením kapacity získané výpočtem dvakrát nebo třikrát, získáme hodnotu kapacity kondenzátoru na vstupu obvodu C1. Tato hodnota prvku umožňuje okamžitě získat plnou hodnotu napětí na výstupu a nečekat, až uplyne určitý počet period. Když práce zátěže nezávisí na rychlosti nárůstu elektřiny na jmenovitý výkon, kapacita kondenzátoru může být vzata shodná s vypočítanými hodnotami.
Nejlepší pro zátěž, pokud faktor zvlnění násobiče napětí diody nepřekročí 0,1 %. Uspokojivá je i přítomnost zvlnění do 3 %. Všechny diody obvodu jsou vybrány z výpočtu tak, aby mohly volně vydržet sílu proudu dvojnásobku jeho hodnoty v zátěži. Vzorec pro výpočet zařízení s vysokou přesností vypadá takto: nUin - (In(n3 + 9n2/4 + n/2)/(12 f C))=Uout, kde:
- f – frekvence napětí na vstupu zařízení (Hz);
- C - kapacita kondenzátoru (F).
Výhody anevýhody
Když už mluvíme o výhodách násobiče napětí, můžeme si všimnout následujícího:
Schopnost získat na výstupu značné množství elektřiny – čím více článků v řetězci, tím větší bude multiplikační faktor
- Jednoduchost designu – vše je sestaveno na standardních spojích a spolehlivých rádiových prvcích, které jen zřídka selžou.
- Hmotnost – absence objemných prvků, jako je napájecí transformátor, snižuje velikost a hmotnost obvodu.
Největší nevýhodou jakéhokoli násobiče je, že z něj nelze získat velký výstupní proud pro napájení zátěže.
Závěr
Výběr násobiče napětí pro konkrétní zařízení. je důležité vědět, že symetrické obvody mají z hlediska zvlnění lepší parametry než nesymetrické. Proto je pro citlivá zařízení účelnější použít stabilnější násobiče. Asymetrický, snadno vyrobitelný, obsahuje méně prvků.
