Выпрямители с удвоением напряжения: какие они, типовые схемы

Схема выпрямителя

Выпрямитель с удвоением напряжения называется выпрямителем Латура-Делона-Гренахера. Принцип работы устройства основан на поочередной зарядке двух конденсаторов на положительном или отрицательном полупериоде соответственно. Форма выглядит следующим образом:

Работа устройства осуществляется следующим образом: на вход подается синусоидальный сигнал, имеющий отрицательный и положительный периоды. Сигнал проходит через трансформатор. Напряжение регулируется до нужного значения, но остается переменным. На вход можно подать относительно небольшое количество тока, а на выходе его вдвое больше.

В течение положительного полупериода ток проходит через верхний диод VD1 и не проходит через нижний VD2. Это заряжает конденсатор С1. При пиковом значении накопленного заряда конденсатор начинает его отдавать. Кроме того, ток падает до нуля и начинается отрицательный полупериод.

Теперь верхний диод VD1 закрывается, а нижний VD2 открывается. По мере увеличения отрицательного импульса конденсатор С2 заряжается. Достигнув вершины, поток начинает уменьшаться. В этот момент с пластин конденсатора стекает заряд, уменьшая пульсации напряжения.

Оба конденсатора включены последовательно. Как известно, в этом случае нагрузка на них возрастает. Необходимо учитывать, что излучение происходит не только в соответствующий полупериод, но и при смене знака периода. Это приводит к тому, что на обкладках каждого конденсатора остается заряд, примерно равный среднему значению выходного напряжения.

Представленная выше схема используется в тех случаях, когда необходимо получить напряжение, удвоенное по сравнению с выходным напряжением трансформатора. Необходимость в этом возникает относительно редко, поэтому схема используется редко. Для повышения напряжения можно использовать альтернативный метод — удвоить количество витков вторичной обмотки трансформатора. Однако этот вариант является более сложным и трудоемким по сравнению с использованием вышеприведенной схемы выпрямителя, что делает его применение более выгодным.

Поэтому, если есть проблемы в намотке вторичной обмотки или используется трансформатор с недостаточным для работы напряжением, то использование удвоителя будет нелишним.

Характеристики выпрямителя

Чтобы объективно судить о качестве выпрямителя, нужно учитывать его характеристики. Наиболее важными являются:

• Номинальное значение тока, получаемого на выходе. Это результат выпрямления, но график не имеет идеально гладкой формы. Среднее значение выходного тока считается допустимым значением.
• Номинальное напряжение, которое является средним значением выходного значения.
• Значение напряжения питания и частота тока. В большинстве случаев речь идет о напряжении 220 В и частоте 50 Гц.
• Пульсация или отклонение выходного значения от фиксированного значения. Этот показатель характеризует качество выпрямителя.
• Частота пульсаций на выходе рассматриваемой схемы. Учитывается наиболее выраженная частота изменений. Для сдвоенного выпрямителя эта характеристика в два раза превышает напряжение питания.
• Коэффициент пульсации. Это можно рассматривать как указание на исправление выходного сигнала. Он равен отношению пикового значения пульсаций к среднему значению напряжения или электрического тока.
• Коэффициент фильтра представляет собой отношение между коэффициентами пульсаций на входе и выходе фильтра.

Выпрямители могут быть построены по разным схемам. Приведенные здесь характеристики позволяют сравнить их эффективность.

Повышение переменного напряжения

Разновидности трансформаторов

Самый простой способ повысить напряжение переменного тока — установить повышающий трансформатор между выходом сети и питаемой нагрузкой. Применяемые на практике устройства делятся на два основных типа. Первые – классические трансформеры, вторые – автотрансформаторы. Схемы этих агрегатов представлены на рисунке 2.

Рис. 2. Трансформаторные и автотрансформаторные схемы

Классический трансформатор содержит две обмотки: первичную или входную обмотку с числом витков W1 и вторичную или выходную обмотку с числом витков W2. Для трансформатора действует правило: Uвыход = K×Uвход, где K = W2/W1 — коэффициент трансформации. Таким образом, в повышающем трансформаторе число витков вторичной обмотки превышает число витков первичной обмотки.

Повышающий автотрансформатор содержит одну обмотку с витками W2. Сеть подключена к W1 части своих витков. Увеличение U происходит за счет того, что магнитное поле, создаваемое током, протекающим по входной части общей обмотки, индуцирует ток во всей обмотке W2. Формула расчета автотрансформатора аналогична обычной: Uвыход = K×Uвход, где K = W2/W1 — коэффициент трансформации.

Особенности трансформаторов

Эффективность работы трансформаторов повышается за счет использования сердечника из электротехнической стали. Этот компонент

• повышает КПД устройства за счет уменьшения рассеяния магнитного поля в окружающем пространстве;
• выполняет функцию несущего основания для обмоток.

Неизбежные потери на вихревые токи уменьшаются за счет того, что сердечник представляет собой наборный пакет из тонких профилированных изолированных пластин.

При прочих равных желательно использовать трансформатор. Это связано с тем, что он не пропускает постоянный ток, т.е обеспечивает гальваническую развязку сети от приемника, что обеспечивает большую электробезопасность.

Особенностью трансформатора является его реверсивный характер, т.е в зависимости от ситуации он может одинаково успешно выполнять функции повышающего и понижающего устройства. Единственным серьезным ограничением является необходимость соблюдения нормальных режимов работы первичной и вторичной обмоток.

В отличие от компьютерных розеток, называемых RJ45, в разных странах при прокладке сетей электроснабжения в домашнем хозяйстве устанавливаются разные типы розеток. Известны, например, розетки немецкого, французского, английского и других стандартов или стилей. Поэтому функции адаптера целесообразно возложить на маломощный трансформатор, который за счет различных типов вилок и розеток обеспечивает механическую адаптацию сети и нагрузки.

Пример такого устройства показан на рисунке 3.

Рис. 3. Пример реверсивного маломощного трансформатора с возможностью согласования типов розеток

Лабораторные автотрансформаторы ЛАТР

Сила автотрансформатора в том, что легко регулировать выходное напряжение, просто перемещая токосъемный контакт вдоль обмотки. Устройства, допускающие такую ​​возможность, известны как лабораторные автотрансформаторы ЛАТР. Отличаются характерным внешним видом за счет наличия регулятора напряжения и вольтметра для его контроля, рисунок 4.

ЛАТР востребованы не только в лабораториях. Их массово используют в гаражах, на садовых участках и в других местах, где напряжение в розетке из-за перегрузки и износа линии ниже минимально допустимого.

При колебаниях сетевого напряжения вместо обычного ЛАТРа целесообразно использовать стабилизатор, куда он входит в виде одного из блоков.

Рис. 4. Внешний вид одного из вариантов ЛАТР

Высокий КПД

Рисунок 3	Зависимость КПД и выходного напряжения от тока нагрузка для удвоителя напряжения, работающего на частота 500 кГц, входное напряжение 12 В, выход напряжение 24 В и ток нагрузки 7 А.

Благодаря отсутствию в схеме дросселя все четыре МОП-транзистора переключаются равномерно, что значительно снижает коммутационные потери. Кроме того, в удвоителе переключаемых конденсаторов можно использовать полевые МОП-транзисторы с низким допуском по напряжению, что значительно снижает потери проводимости. Как показано на рис. 3, КПД инвертора может достигать 98,8 % при пиковой нагрузке и 98 % при полной нагрузке.

Рассеивание мощности сбалансировано между четырьмя переключателями, что улучшает распределение тепла по всей плате и облегчает передачу тепла в небольших конструкциях. Температура горячих точек, видимая на термограмме контура (рис. 4), при естественном охлаждении всего на 35 °С выше температуры окружающего воздуха 23 °С.

Рисунок 4	Термограмма платы удвоения напряжения в условиях естественное охлаждение с входным напряжением 12 В, выходное напряжение 24 В, ток нагрузки 7 А и температура воздух 23°С.

Электрик в доме

Множитель напряжения

Умножитель напряжения — это устройство, которое преобразует переменное напряжение или постоянное пульсирующее напряжение в более высокое постоянное напряжение. Как правило, умножитель увеличивает напряжение на коэффициент, соответствующий числу ступеней умножения. Рассмотрим, как сделать своими руками простейший и самый известный умножитель напряжения Кокрофта-Уолтона, который использовался для ускорителей частиц при разработке атомной бомбы.

С помощью умножителя напряжения можно обойтись без тяжелых и габаритных повышающих трансформаторов. Преимущество этой схемы в том, что на конденсаторах вырабатывается только удвоенное пиковое значение входного напряжения. Следовательно, конденсаторы и диоды схемы могут быть рассчитаны на это напряжение.

Работа схемы

На схеме показан универсальный умножитель с произвольным количеством шагов. То есть мы делаем то количество шагов, чтобы создать нужное нам напряжение. Приблизительно Uвых = n * Uвх.

При отрицательной полуволне Uвх конденсатор С1 заряжается до амплитудного значения Uвх через диод Д1. При положительной полуволне конденсатор С2 заряжается через диод D2, но так как конденсатор С1 уже заряжен, то он будет выступать в роли дополнительного источника тока, а так как он включен последовательно с основным источником тока, конденсатор С2 будет заряжаться уже до удвоенного амплитудного значения напряжения Uвх.

Аналогично работают и последующие каскады умножителя, выходное напряжение Uвых снимается с последовательно соединенных конденсаторов с четными (по схеме) номерами. Следовательно, результирующее напряжение Uвых будет равно сумме напряжений на однородных конденсаторах.

Расчёт умножителя напряжения

Для расчета множителя необходимо знать ток нагрузки (In), требуемое выходное напряжение (Uout) и желаемый коэффициент пульсаций (Kp).

Минимальная емкость конденсаторов (в мкФ) рассчитывается по упрощенной формуле:

С(n)=2,85*n*В/(Кр*Uвых), где

Читайте также: Как измерить ток мультиметром

n — кратность Uin в V; In – ток нагрузки в мА; Кр — коэффициент пульсаций выходного напряжения в процентах; Uvyx – выходное напряжение в В.

Емкость первого конденсатора С1 необходимо увеличить в 2-3 раза от расчетной емкости остальных конденсаторов, иначе полное напряжение на выходе схемы появится через несколько периодов входного напряжения. Если для работы нагрузки это не принципиально, можно поставить конденсатор той же емкости, что и остальные.

Например, я бы сказал, что коэффициент пульсации считается отличным при значении 0,1% и менее, хорошим при значении 1 — 3%. Если коэффициент не важен, примите его равным 100.

Максимальный ток, протекающий через диоды, будет равен удвоенному току нагрузки.

Множитель также можно рассчитать более точно, используя следующую формулу:

Uут = n*Uвх — (In*(n3+9*n2/4+n/2)/(12*f*C)
), куда
In — ток нагрузки в А; n — коэффициент умножения; f – частота входного напряжения в Гц; С — емкость конденсатора в Ф.

Детали умножителя

Трудно назвать конкретные типы и номиналы деталей, не зная необходимых параметров умножителя, поэтому я подробно рассмотрю умножитель средней производительности, питающийся от сети 220В переменного тока.

Конденсаторы лучше брать с минимальным током утечки, например серии К73. Рабочее напряжение конденсаторов должно быть при Uвх=220В: С1 — не менее 300В, С2-Сн — не менее 600В. Емкость конденсаторов примерно 0,1 — 1 мкФ.

Диоды можно взять, например, КД411 или КД226Г (Д, Е). Ток нагрузки в этом случае может быть до 1А.

Будьте предельно осторожны при использовании этой схемы, на конденсаторах остается опасное напряжение даже после отключения умножителя от источника питания.

Введение

В приложениях с высокими входными и выходными напряжениями неиндуктивные емкостные преобразователи (накачки заряда) значительно повышают эффективность и уменьшают размер решения по сравнению с традиционными топологиями на основе понижающих или повышающих дросселей. Когда вы заменяете индуктор зарядовым насосом, «плавающий конденсатор» используется для хранения и передачи энергии от входа к выходу.

Плотность энергии, запасаемой в конденсаторах, намного выше, чем в дросселях, что увеличивает плотность мощности в преобразователях на основе зарядовых насосов в 10 раз. Однако область применения зарядовых насосов традиционно ограничивалась маломощными приложениями из-за проблем, связанных с с пуском, защитой, управлением затвором и регулировкой выходного напряжения.

Все эти задачи решает микросхема LTC7820, позволяющая создавать высокопроизводительные решения (КПД до 99%) с высокой удельной мощностью. Этот мощный высоковольтный контроллер с переключаемыми конденсаторами с фиксированным отношением и четырьмя драйверами затворов может использоваться в конфигурациях с делителями, удвоителями или инверторами напряжения с внешними N-канальными МОП-транзисторами.

В понижающем режиме 2:1 максимальное входное напряжение составляет 72 В, а в повышающем режиме 2:1 и инвертирующем режиме 1:1 — 36 В. Каждый силовой полевой МОП-транзистор переключается с коэффициентом заполнения 50% на постоянной заданной частоте.

Рисунок 1.	Высокоэффективный удвоитель напряжения 12 В с выходом 7 А ток на базе микросхемы контроллера LTC7820.

На рис. 1 показан удвоитель напряжения мощностью 170 Вт, использующий микросхему LTC7820. Входное напряжение схемы (VIN), работающей на частоте 500 кГц при токе нагрузки до 7 А, составляет 12 В, а выходное напряжение (VOUT) — 24 В.

Конденсаторы шестнадцать по 10 мкФ (X7R, типоразмер 1210)) действуют как плавающий конденсатор (CFLY), который питает нагрузку. Примерные размеры преобразователя составляют 23 мм × 16,5 мм × 5 мм (рис. 2), а удельная мощность достигает 1500 Вт/дюйм3.

Сильные и слабые стороны устройства

Достоинством рассматриваемой схемы можно считать возможность применения трансформатора с меньшим количеством витков вторичной обмотки. Недостатком является наличие относительно большого тока на выпрямителях.

По сравнению с двухполупериодными устройствами уровень пульсаций при использовании рассматриваемой схемы будет выше. Зафиксированы случаи, когда повреждение электролитического конденсатора происходило из-за внезапного пробоя одного или обоих диодов. Чтобы не допустить такой ситуации, их необходимо подобрать в соответствии с параметрами выпрямителя.

Варианты использования схемы

При использовании разных схем принцип работы выпрямителя не меняется, но отличается расположение выводов для снятия постоянного напряжения.

Первая из рассмотренных схем позволяет получать выпрямленные напряжения с одной полярностью, а вторая — двуполярные с общей точкой.

Принцип работы

Чтобы представить, как работает умножитель напряжения, рассмотрим простейшую схему однополупериодного устройства, изображенную на рисунке. Когда начинает действовать отрицательный полупериод напряжения, диод D1 открывается и через него заряжается конденсатор С1. Заряд должен быть равен амплитудному значению приложенного напряжения.

Когда возникает период положительной волны, следующий конденсатор С2 заряжается через диод D2. При этом заряд приобретает высокие двукратные значения по сравнению с приложенным напряжением. Затем наступает отрицательный полупериод, когда конденсатор С3 заряжается до удвоенного значения. Аналогично при дальнейшей смене полупериода заряжается конденсатор С4, опять же с удвоенной величиной.

Для запуска устройства требуются полные периоды напряжения в количестве циклов, что создает напряжения на диодах.

Полученное на выходе значение напряжения складывается из суммы напряжений конденсаторов С2 и С4, включенных последовательно и постоянно заряженных. В конечном итоге формируется значение выходного переменного напряжения, в 4 раза превышающее значение входного напряжения. Это принцип работы умножителя напряжения.

Самый первый конденсатор С1, полностью заряженный, имеет постоянное значение напряжения. То есть выполняет функцию постоянной составляющей Ua, используемой в расчетах. Поэтому можно дополнительно увеличить потенциал умножителя, подключив дополнительные звенья, выполненные по тому же принципу, так как напряжение на диодах в каждом из этих звеньев будет равно сумме входного напряжения и постоянной составляющей. За счет этого любой коэффициент умножения получается с требуемым значением. Напряжение на всех конденсаторах, кроме первого, будет равно 2x Ua.

Хорошая стабилизация по нагрузке

Хотя удвоитель напряжения на основе LTC7820 не имеет замкнутого контура регулирования, высокий КПД микросхемы, как показано на рисунке 3, обеспечивает высокое качество регулирования — при полной нагрузке выходное напряжение падает всего на 0,43 В (1,8 В%).

Особенности использования выпрямителей

При работе с нагрузкой иногда возникает ситуация, когда происходит короткое замыкание на потребителе постоянного тока. В этом случае через выпрямитель протекает большой ток. Чтобы этого не произошло, в него можно встроить предохранитель.

Если при создании схемы отсутствуют конденсаторы нужной емкости, можно использовать параллельное соединение двух и более. Необходимо, чтобы их рабочее напряжение было не меньше требуемого.

Двухполупериодный удвоитель напряжения

Но чаще встречается двухполупериодный удвоитель напряжения. Нужно сразу сказать, что и предыдущую схему, и эту можно подключать напрямую к сети переменного напряжения, без трансформатора. Это если требуется напряжение, в два раза превышающее напряжение сети и не требуется гальваническая развязка от сети. При этом требования безопасности серьезно повышаются!

Резистор R0 как обычно установлен для ограничения импульсов тока в диодах. Величина сопротивления невелика и обычно не превышает сотен Ом. Резисторы R1 и R2 не обязательны. Их устанавливают параллельно конденсаторам С1 и С2 для обеспечения разрядки конденсаторов после их отключения от сети и от нагрузки. Они также обеспечивают выравнивание напряжения на C1 и C2.

Работа удвоителя очень похожа на работу обычного двухполупериодного выпрямителя. Отличие в том, что здесь выпрямитель в каждом из полупериодов нагружен на свой конденсатор и заряжает его до амплитудного значения переменного напряжения. Удвоенное выходное напряжение получается путем сложения напряжения на конденсаторах.

В момент, когда напряжение в точке А по отношению к точке В положительное, конденсатор С1 заряжается через диод D1.

Напряжение почти равно амплитуде переменного напряжения вторичной обмотки конденсатора. В следующий полупериод напряжение в точке А отрицательно по отношению к точке В. В этот момент ток протекает через диод D2 и заряжает конденсатор С2 до такого же значения амплитуды. Так как конденсаторы соединены последовательно по отношению к нагрузке, то получим сумму напряжений на этих конденсаторах, т.е удвоенное напряжение.

Конденсаторы С1 и С2 в идеале должны иметь одинаковую емкость. Напряжение этих электролитических конденсаторов должно превышать амплитудное значение напряжения переменного тока. Номиналы резисторов R1 и R2 также должны быть равны.

Преобразователи напряжения индуктивного и индуктивно-емкостного типа

Преобразователи для управления индуктивными и индуктивно-емкостными светодиодами, выполненные на базе генераторов с использованием в качестве активного элемента аналогов инжекционного полевого транзистора.

Преобразователь, показанный на рис. 14, представляет собой блок индуктивно-емкостного типа. Генератор импульсов выполнен на аналоге инжекторного полевого транзистора (транзисторы VT1 и VT2).

Элементами, определяющими рабочую частоту для генерации в звуковом диапазоне частот, являются телефонный капсюль БФ1 (типа ТК-67), конденсатор С1 и резистор R1. Короткие импульсы, вырабатываемые генератором, поступают на базу транзистора VT3, открывая его.

При этом емкостной накопитель энергии (конденсатор С2) заряжается/разряжается. При поступлении импульса положительно заряженная пластина конденсатора С2 подключается к общей шине через открытый на время импульса транзистор VT2. Диод VD1 закрывается, транзистор VT3 открыт.

Таким образом, в цепь нагрузки (светодиод HL1) последовательно включается источник питания и заряженный конденсатор С2, в результате чего происходит сильная вспышка светодиода.

Транзистор VT3 позволяет расширить диапазон рабочих напряжений инвертора. Устройство можно использовать при напряжении от 1,0 до 6,0 В. Помните, что нижний предел соответствует едва заметному свечению светодиода, а верхний соответствует току потребления устройства 20 мА.

В диапазоне низких напряжений (до 1,45 В) генерация звука не слышна, хотя при повышении напряжения питания устройство также начинает издавать звуковые сигналы, частота которых довольно быстро снижается.

Переход к более высоким рабочим частотам за счет применения высокочастотной катушки позволяет уменьшить емкость конденсатора, «качающего» энергию (конденсатор С1).

В качестве ключевого элемента, подключающего светодиод к «плюсовой» токовой шине на период следования импульсов, использован полевой транзистор VT3 (КП103Г). В результате диапазон рабочих напряжений этого преобразователя расширен до 0,7…10 В.

Заметно упрощенные, но работающие в ограниченном диапазоне питающих напряжений устройства показаны на рисунках 16 и 17. Они обеспечивают светодиодное освещение в диапазоне 0,7…1,5 В (при R1 = 680 Ом) и 0,69…1,2 В. (при R1=0 Ом), а также от 0,68 до 0,82 В.

Рис. 16. Принципиальная схема упрощенного низковольтного преобразователя с ВЧ-генератором.

Простейший генератор основан на аналоге инжекционного полевого транзистора, где светодиод одновременно выполняет роль конденсатора и является нагрузкой генератора. Устройство работает в достаточно узком диапазоне питающих напряжений, но яркость светодиода достаточно высока, так как преобразователь  чисто индуктивный и имеет высокий КПД.

Следующий тип инвертора достаточно известен и является более традиционным. Это преобразователи трансформаторного и автотрансформаторного типа.

Генератор трансформаторного типа для питания светодиодов низкого напряжения. Генератор содержит всего три элемента, одним из которых является светодиод.

Без светодиода устройство представляет собой простейший блок-генератор, а на выходе трансформатора можно получить достаточно высокое напряжение. Если в качестве нагрузки генератора используется светодиод, то он начинает ярко светиться даже при низком напряжении питания (0,6…0,75 В).

В этой схеме обмотки трансформатора имеют по 20 витков провода ПЭВ 0,23. В качестве сердечника трансформатора использовалось ферритовое кольцо М1000 (1000НМ) К 10х6х2,5. При отсутствии генерации следуют выводы одной из обмоток трансформатора!

Преобразователь, показанный, имеет самое низкое напряжение питания из всех рассмотренных устройств. Значительное снижение нижнего предела рабочего напряжения достигнуто за счет оптимизации выбора числа (соотношения) витков обмоток и способа их включения. При использовании высокочастотных германиевых транзисторов типа 1Т311, 1Т313 (ГТ311, ГТ313) такие преобразователи начинают работать при напряжении питания выше 125 мВ.

Рис. 21. Экспериментально измеренные характеристики генератора.

В качестве сердечника трансформатора, как и в предыдущей схеме, использовано ферритовое кольцо М1000 (1000НМ) К10х6х2,5. Первичная обмотка выполнена проводом ПЭВ 0,23 мм, вторичная — ПЭВ 0,33. Достаточно сильное свечение светодиода уже наблюдалось при напряжении 0,3 В.

Из анализа полученных зависимостей следует, что существует область с оптимальным соотношением между числом витков первичной и вторичной обмоток, а при увеличении числа витков первичной обмотки минимальное рабочее напряжение инвертора постепенно уменьшается, и одновременно сужается область рабочих напряжений инвертора.

Для решения обратной задачи — расширения диапазона рабочих напряжений преобразователя — последовательно с ним можно включить RC-цепь.

Несимметричный умножитель напряжения (Кокрофта-Уолтона)

Особенности: универсальность, малая грузоподъемность.

Генераторы Кокрофта-Уолтона используются во многих областях техники, особенно в лазерных системах, источниках высокого напряжения, рентгеновских системах, подсветке ЖК-дисплеев, лампах бегущей волны, ионных насосах, электростатических системах, ионизаторах воздуха, ускорителях частиц, копировальных аппаратах, осциллографах, телевизорах, и многие другие устройства, требующие как высокого напряжения, так и постоянного тока.