В статьях до этого, мы рассматривали интересные высоковольтные устройства, в основном, электростатического толка — электрофорные машины: школьная, генератор Ван де Граафа и т.д.
И даже рассмотрели механический трансформатор напряжения — сам по себе весьма удивительный аппарат.
Однако, если перейти к более практичным вещам (и таким же интересным) — то, зададимся вопросом: «если не электростатика, то что?» :-)
Как нам поднять напряжение, если бы мы хотели сделать это одним из самых простых способов и это было бы применимо на практике?
Нет ничего проще — нам всего лишь нужно обратиться к изобретению более чем 100-летней давности, где несмотря на свою древность, оно весьма активно и по сей день используется в электронике — и речь пойдёт об умножителях напряжения.
Первый умножитель напряжения, а если быть более точным, «удвоитель напряжения», был разр��ботан ещё в 1914 году, Генрихом Грайнахером который, в дальнейшем, предложил уже каскадную его схему, с множественным умножением.
Несмотря на то, что первая идея была изложена автором выше, устройство вошло в историю как «умножитель Кокрофта-Уолтона», так как именно они применили его для значимой практической цели — расщепления атомного ядра (1932), благодаря чему получили Нобелевскую премию, а само устройство вошло в историю не по имени первого изобретателя, а по имени тех, кто дал ему известность...
Но, это всё было уже существенно позже... А на тот момент (1914...1920-е гг.) устройство уже стало прорывом в своей области, так как тогда существовали проблемы с созданием высоковольтных трансформаторов, достаточно надёжных (и, по возможности, компактных), которые могли бы выдавать напряжения в сотни киловольт, — это было достаточно сложной технической задачей, где, к тому же, в практических целях требовались соответствующие выпрямители, и всё вместе, это было (в том числе и из-за стоимости, если не брать в расчёт только техническую сложность) малоподъёмным для большинства лабораторий, работающих в области физики.
Проблемы были связаны с тем, что на тот момент, ещё не было достаточно надёжных материалов, способных долго выдерживать высокие напряжения в сотни тысяч вольт: скажем, практика использования трансформаторного масла ещё только входила в обиход, а альтернативные варианты, наподобие воздушной изоляции, требовали слишком больших расстояний между токоведущими элементами, что уменьшало эффективность трансформатора, одновременно увеличивая его габариты (диэлектрическая прочность трансформаторного масла превосходит воздух, в среднем, примерно в 4 раза, что позволяет эффективно уменьшить габариты, без риска пробоя), были проблемы и с другими элементами.
Но, основная проблема всё-таки поджидала в области выпрямителей: существовавшие на тот момент решения, например, механические выпрямители — представлявшие собой электродвигатели, замыкавшие механически контакты во время вращения, давали большие потери (из-за искрения и не только), могли работать на низких частотах (50 Гц).
Таким образом, фактически, с их помощью получить большие напряжения в сотни киловольт было невозможно.
Альтернативные технологии, например, в виде электролитических выпрямителей требовали огромного количества ячеек, что, соответственно, подразумевало большие габариты, и, не отличались надёжностью (малая перегрузочная способность, малая теплостойкость).
Поэтому, предложенное решение и стало прорывом — в рамках него, предлагалось создать весьма простой генератор высокого напряжения, компактный и надёжный.
В чём заключалось это решение: было предложено использовать последовательный заряд конденсаторов, со сложением напряжений.
Для начала, чтобы понять, как это работает, посмотрим, что такое «период волны»: ��од этим понимается полное колебание, в ходе которого система возвращается в начальное состояние — на рисунке ниже он показан под цифрой (4).
Соответственно, «полупериодом» (или, в другой терминологии, «полуволной») будет называться половина этого полного колебания, — на рисунке ниже, это участок синусоиды, находящийся выше или ниже оси t:
Теперь, обратимся непосредственно к самой сборке умножителя, которую, на схемах обычно изображают так, как в «шапке» статьи, или вот так (эта, вторая схема, для нас даже удобнее, так как по ней проще будет понять принцип работы, описанный ниже):
Теперь, посмотрим, как это работает (тот участок схемы, который включается в работу на каждом этапе, показан красным цветом; смотрим слева-направо):
Итак, самое первое что мы здесь видим, так это то, схема питается от переменного тока то есть, полярность источника питания меняется с течением времени.
Второе, — мы видим что на схеме диод обозначается в виде треугольника, где направление треугольника в сторону полоски показывает, в каком направлении* ток может протекать через него:
*В контексте слов «в каком направлении» протекает ток, предлагаю задуматься над тем фактом (если кто не в курсе ;-) ), что плюсом и минусом обозначают полюса разницы потенциалов, где плюс — это зона недостатка электронов, а минус — зона избытка электронов. И, по идее, «если нечто течёт откуда то — куда то, то оно должно течь от избытка к недостатку, а не наоборот»! :-D
Подумайте, погуглите этот момент. Это интересно :-)))
Таким образом, если мы снова вернёмся к картинке чуть выше, с принципом действия, то на самой левой картинке мы там увидим, что переменный ток находится в области положительной полуволны, и, течёт через диод, заряжая конденсатор C1.
Далее, когда положительная полуволна заканчивается, и происходит переход к отрицательной полуволне (вторая картинка слева) — ток через первый диод течь уже не может, и, он начинает течь через второй диод снизу, заряжая конденсатор C2, в процессе чего конденсатор C1 разряжается и, как мы видим, на этом этапе происходит удвоение изначального напряжения — и, если от источника мы получали 100 В, то, на этом этапе имеем уже 200 В (показано на картинке).
Далее смотрим на третью картинку слева: там видно, что мы опять перешли к положительной полуволне, и, здесь сразу видим, что наблюдаются два процесса одновременно: заряд конденсатора C1 — от источника питания, с одновременным разрядом конденсатора C2 и зарядом конденсатора C3.
На четвёртой картинке слева (тут мы снова находимся в зоне отрицательной полуволны), мы видим, что опять наблюдаются два процесса: заряд конденсатора C2, разряд конденсатора C1 и разряд конденсатора C3 на нагрузку — где выходное напряжение составляет уже 400 В.
Таким образом, мы видим, что при этой схеме, в каждый момент времени, она запитывается от полуволны источника питания, где далее наблюдается своеобразная «бегущая волна заряда/разряда», с удвоением напряжения на каждом блоке конденсаторов и диодов.
И умножение напряжения на всех этапах происходит за счёт последовательного соединения заряженных конденсаторов с источником питания.
Основной плюс подобной схемы заключается именно в том, для чего она и разрабатывалась: устранение тяжёлых, дорогих (и, как мы увидели, проблемных, для ряда напряжений) трансформаторов, с целью заменить их весьма компактным и недорогим устройством.
Рабочее напряжение, которое можно достичь с помощью этой схемы, является произвольным, в некоторых пределах* и зависит только от количества «каскадов», под которым понимается сборка из двух конденсаторов и двух диодов — мы это хорошо видели на картинке выше, с принципом действия, где по сути, мы могли ограничиться только первым блоком из четырёх компонентов, на выходе которого произошло удвоение до 200 В — подобный блок и является необходимым минимальным каскадом.
*На практике, слишком большое количество каскадов приводит к тому, что, из-за того, что процесс заряда конденсаторов не является мгновенным, и занимает некоторое время из-за их сопротивления, вся схема в целом становится склонна к пульсациям.
Чтобы устранить эту потенциальную проблему, запитывание схемы ведут не от тока промышленной частоты (50 Гц), а, от отдельного, высокочастотного высоковольтного трансформатора, в результате чего, можно уменьшить и габариты самой схемы, используя конденсаторы малой ёмкости, которые могут работать на таких частотах.
Скажем я, в своё время, когда собирал самодельный ксерокс (да, была и такая странная затея! :-) ), в качестве высоковольтного источника, использовал строчник от старого телевизора, к выходу которого был подключен как раз умножитель, наподобие вот такого (только у меня был «синенький» :-D; ниже мы видим сборку умножителя, в пластиковом корпусе, залитую компаундом) ) — и искра «шарашила только в путь» — сантиметров 10 наверное, как минимум:
Для питания строчника я использовал схему блокинг-генератора (если память не изменяет), на мощном транзисторе.
Я был в курсе опасности умножителей, поэтому, на выход ставил большое сопротивление, чтобы через разряд не тёк большой ток (люди вроде как рекомендуют ставить ещё УЗО — Устройство Защитного Отключения, но тут я не в курсе, надо выяснять этот момент более подробно) — так как РАБОТЫ С УМНОЖИТЕЛЯМИ, ЯВЛЯЮТСЯ ОЧЕНЬ ОПАСНЫМИ ДЛЯ ЖИЗНИ!!!
Нужно всегда иметь это в виду и хорошо ознакомиться с темой по профильной литературе, а лучше вообще не связываться — целее будете ;-)
Зачем вообще мне нужен был высоковольтный источник для ксерокса: всё очень просто: чтобы питать коротрон — проволоку, для коронного разряда.
Правда я там маленько переборщил, — по идее, можно было ограничиться и строчником, но, «мы не ищем лёгких путей», поэтому в деле появился ещё и умножитель:-))
Однако, вернёмся к нашему вопросу...
Рассмотренная схема умножителя напряжения, не является единственной возможностью, так как, мы видели, что в каждый момент времени, работает только один полупериод волны, поэтому, был разработан как минимум ещё один вариант, двухполупериодного умножителя. Попробуйте, сами разобраться, как он работает:
Для большинства из нас, вряд ли придётся когда-либо сталкиваться с умножителем, по крайней мере, если этого не будет требовать ваш проект — а если он этого будет требовать, наверняка он будет весьма интересным и нестандартным :-)
Тем не менее, есть один тип умножителя, с которым, мы все сталкиваемся, и даже не знаем об этом — использующиеся как микроверсия (в интегральных схемах) для постоянного напряжения, и, по сути, представляющая собой вариант своеобразного dc-dc преобразователя (Dickson charge pump), где происходит повышение изменение напряжения до другого уровня, и это может использоваться в разных частях интегральной схемы, в качестве компактного средства гибкого управления питанием, с целью уменьшения энергопотребления.
Например, ниже показана версия на диодах:
А может быть ещё версия и на полевых транзисторах:
Ну и напоследок, возможно, будет полезно: вот здесь есть довольно полный онлайн-калькулятор для расчёта умножителей.
Размещайте облачную инфраструктуру и масштабируйте сервисы с надежным облачным провайдером Beget.
Эксклюзивно для читателей Хабра мы даем бонус 10% при первом пополнении.
