Spannungsmultiplikatoren (Verdoppelung, Verdreifachung, Vervierfachung und mehr)

Ein Spannungsmultiplikator ist eine spezialisierte Gleichrichterschaltung, die einen Ausgang erzeugt, der theoretisch ein ganzzahliges Vielfaches des AC-Spitzeneingangs ist, zum Beispiel das 2-, 3- oder 4-fache des AC-Spitzeneingangs. Somit ist es möglich, 200 VDC von einer 100 Vpeak AC-Quelle unter Verwendung eines Dopplers zu erhalten, 400 VDC von einem Quadrupler. Jede Last in einer praktischen Schaltung senkt diese Spannungen.

Wir werden zuerst verschiedene Arten von Spannungsvervielfachern durchgehen – Spannungsverdoppler (Halb- und Vollwelle), Spannungsverdreifacher und Spannungsvervierfacher – dann machen wir einige allgemeine Hinweise zur Sicherheit des Spannungsvervielfachers und schließen mit dem Cockcroft-Walton-Multiplikator ab.

Spannungsverdoppler

Eine Spannungsverdoppleranwendung ist eine Gleichstromversorgung, die entweder eine 240-VAC- oder 120-VAC-Quelle verwenden kann. Die Versorgung verwendet eine vom Schalter ausgewählte Vollwellenbrücke, um etwa 300 VDC aus einer 240 VAC-Quelle zu erzeugen. Die 120-V-Position des Schalters verdrahtet die Brücke als Doppler, der etwa 300 VDC aus den 120 VAC erzeugt. In beiden Fällen werden 300 VDC erzeugt. Dies ist der Eingang zu einem Schaltregler, der niedrigere Spannungen erzeugt, um beispielsweise einen PC mit Strom zu versorgen.

Halbwellenspannungsverdoppler

Der Einweg-Spannungsverdoppler in Abbildung unten (a) besteht aus zwei Schaltungen:einem Klemmer bei (b) und einem Spitzenwertdetektor (Einweggleichrichter) in der vorherigen Abbildung, der in Abbildung unten (c) in modifizierter Form gezeigt ist. C2 wurde einem Spitzenwertdetektor (Einweggleichrichter) hinzugefügt.

Der Einwegspannungsverdoppler (a) besteht aus (b) einem Klemmer und (c) einem Einweggleichrichter.

Schaltungsanalyse des Halbwellen-Spannungsverdopplerbetriebs

Unter Bezugnahme auf Abbildung (b) oben lädt sich C2 auf 5 V (4,3 V unter Berücksichtigung des Diodenabfalls) auf der negativen Halbwelle des Wechselstromeingangs auf. Das rechte Ende wird durch das leitende D2 geerdet. Das linke Ende wird an der negativen Spitze des AC-Eingangs geladen. Dies ist die Funktion der Klemmvorrichtung.

Während der positiven Halbwelle kommt der Einweggleichrichter in Abbildung (c) oben ins Spiel. Die Diode D2 ist außerhalb der Schaltung, da sie in Sperrrichtung vorgespannt ist. C2 liegt nun in Reihe mit der Spannungsquelle. Beachten Sie die Polaritäten von Generator und C2, Serienhilfe. Somit sieht der Gleichrichter D1 insgesamt 10 V an der Spitze der Sinuswelle, 5 V vom Generator und 5 V von C2. D1 leitet die Wellenform v(1) (Abbildung unten) und lädt C1 auf die Spitze der Sinuswelle, die auf 5 V DC reitet (Abbildung unten v(2)). Waveform v(2) ist der Ausgang des Dopplers, der sich nach einigen Zyklen Sinuswelleneingang bei 10 V (8,6 V mit Diodenabfällen) stabilisiert.

*SPICE 03255.eps C1 2 0 1000p D1 1 2 Diode C2 4 1 1000p D2 0 1 Diode V1 4 0 SIN(0 5 1k) .Modell Diode d .tran 0.01m 5m .end 

Spannungsverdoppler:v(4)-Eingang. v(1) Klemmstufe. v(2) Einweg-Gleichrichterstufe, die der Verdopplerausgang ist.

Vollwellenspannungsverdoppler

Der Vollwellen-Spannungsverdoppler besteht aus einem Paar in Reihe geschalteter Einweggleichrichter. (Abbildung unten) Die entsprechende Netzliste befindet sich in Abbildung unten.

Betriebsanalyse des Vollwellen-Spannungsverdopplers

Der untere Gleichrichter lädt C1 auf der negativen Halbwelle des Eingangs. Der obere Gleichrichter lädt C2 auf der positiven Halbwelle. Jeder Kondensator nimmt eine Ladung von 5 V auf (4,3 V unter Berücksichtigung des Diodenabfalls). Der Ausgang am Knoten 5 ist die Reihensumme von C1 + C2 oder 10 V (8,6 V mit Diodenabfällen).

*SPICE 03273.eps *R1 3 0 100k *R2 5 3 100k D1 0 2 Diode D2 2 5 Diode C1 3 0 1000p C2 5 3 1000p V1 2 3 SIN(0 5 1k) .Modell Diode d .tran 0,01 m 5m .ende 

Vollwellenspannungsverdoppler bestehen aus zwei Einweggleichrichtern, die mit wechselnden Polaritäten arbeiten.

Beachten Sie, dass die Ausgabe v(5) Abbildung unten den vollen Wert innerhalb eines Zyklus der Eingabe v(2) Auslenkung erreicht.

Vollwellenspannungsverdoppler:v(2) Eingang, v(3)Spannung am Mittelpunkt, v(5) Spannung am Ausgang

Ableitung von Vollwellenverdopplern aus Halbwellengleichrichtern

Die folgende Abbildung zeigt die Ableitung des Vollwellenverdopplers von einem Paar von Einweggleichrichtern mit entgegengesetzter Polarität (a). Der negative Gleichrichter des Paares ist der Übersichtlichkeit halber neu gezeichnet (b). Beide werden bei (c) kombiniert und teilen sich denselben Boden. Bei (d) wird der negative Gleichrichter neu verdrahtet, um eine Spannungsquelle mit dem positiven Gleichrichter zu teilen. Dies ergibt eine Spannungsversorgung von ±5 V (4,3 V mit Diodenabfall); zwischen den beiden Ausgängen sind jedoch 10 V messbar. Der Massebezugspunkt wird so verschoben, dass +10 V gegen Masse zur Verfügung stehen.

Vollwellenverdoppler:(a) Verdopplerpaar, (b) neu gezeichnet, (c) teilen sich die Masse, (d) teilen sich dieselbe Spannungsquelle. (e) verschiebe den Massepunkt.

Spannungsverdreifacher

Ein Spannungsverdreifacher (Abbildung unten) besteht aus einer Kombination aus einem Verdoppler und einem Einweggleichrichter (C3, D3). Der Einweggleichrichter erzeugt am Knoten 3 5 V (4,3 V). Der Doppler liefert zwischen den Knoten 2 und 3 weitere 10 V (8,4 V) für insgesamt 15 V (12,9 V) am Ausgangsknoten 2 gegenüber Boden. Die Netzliste ist in Abbildung unten.

Spannungsverdreifacher bestehend aus Verdopplern, die auf einem einstufigen Gleichrichter gestapelt sind.

Beachten Sie, dass V(3) in der Abbildung unten bei der ersten negativen Halbwelle auf 5 V (4,3 V) ansteigt. Eingang v(4) wird aufgrund von 5 V vom Einweggleichrichter um 5 V (4,3 V) nach oben verschoben. Und 5 V mehr bei v(1) durch die Klemme (C2, D2). D1 lädt C1 (Wellenform v(2)) auf den Spitzenwert von v(1).

*SPICE 03283.eps C3 3 0 1000p D3 0 4 Diode C1 2 3 1000p D1 1 2 Diode C2 4 1 1000p D2 3 1 Diode V1 4 3 SIN(0 5 1k) .Modell Diode d .tran 0.01m 5m .ende 

Spannungsverdreifacher:v(3) Einweggleichrichter, v(4) Eingang + 5 V, v(1) Klemmer, v(2) Endausgang.

Spannungsvervierfacher

Ein Spannungsvervierfacher ist eine gestapelte Kombination von zwei Dopplern, die in der Abbildung unten gezeigt wird. Jeder Doppler liefert 10 V (8,6 V) für eine Reihensumme an Knoten 2 in Bezug auf Masse von 20 V (17,2 V)

Die Netzliste ist in Abbildung unten.

Spannungsvervierfacher, bestehend aus zwei in Reihe gestapelten Dopplern, mit Ausgang am Knoten 2.

Die Wellenformen des Quadruplers sind in der Abbildung unten dargestellt. Es stehen zwei DC-Ausgänge zur Verfügung:v(3), der Verdopplungsausgang und v(2) der Vervierfacherausgang. Einige der Zwischenspannungen an Klemmen veranschaulichen, dass die Eingangssinuswelle (nicht gezeigt), die um 5 V schwingt, sukzessive auf höhere Pegel geklemmt wird:bei v(5), v(4) und v(1). Streng genommen ist v(4) kein Klemmerausgang. Es ist einfach die Wechselspannungsquelle in Reihe mit dem Ausgang v(3) des Verdopplers. Nichtsdestotrotz ist v(1) eine geklemmte Version von v(4)

*SPICE 03441.eps *SPICE 03286.eps C22 4 5 1000p C11 3 0 1000p D11 0 5 Diode D22 5 3 Diode C1 2 3 1000p D1 1 2 Diode C2 4 1 1000p D2 3 1 Diode V1 4 3 SIN( 0 5 1k) .Modell Diode d .tran 0.01m 5m .end 

Voltage Quadrupler:Gleichspannung an v(3) und v(2) verfügbar. Zwischenwellenformen:Klemmen:v(5), v(4), v(1).

Hinweise zu Spannungsvervielfachern und netzbetriebenen Netzteilen

Einige Hinweise zu Spannungsmultiplikatoren sind an dieser Stelle angebracht. Die in den Beispielen verwendeten Schaltungsparameter (V =5 V 1 kHz, C =1000 pf) liefern nicht viel Strom, Mikroampere. Außerdem wurde auf Lastwiderstände verzichtet. Das Laden reduziert die Spannungen von den gezeigten. Sollen die Schaltungen wie in den Beispielen von einer kHz-Quelle mit niedriger Spannung angesteuert werden, sind die Kondensatoren in der Regel 0,1 bis 1,0 µF, damit am Ausgang Milliampere Strom zur Verfügung steht. Wenn die Multiplizierer von 50/60 Hz angesteuert werden, beträgt der Kondensator einige Hundert bis einige Tausend Mikrofarad, um Hunderte von Milliampere Ausgangsstrom bereitzustellen. Achten Sie bei Betrieb mit Netzspannung auf die Polarität und Nennspannung der Kondensatoren.

Schließlich ist jede direkt netzbetriebene Stromversorgung (kein Transformator) gefährlich für den Experimentator und die netzbetriebenen Testgeräte. Kommerzielle direkt betriebene Netzteile sind sicher, da sich die gefährlichen Schaltkreise in einem Gehäuse befinden, um den Benutzer zu schützen. Wenn diese Schaltungen mit Elektrolytkondensatoren beliebiger Spannung bestückt werden, explodieren die Kondensatoren, wenn die Polarität umgekehrt wird. Solche Schaltkreise sollten hinter einem Sicherheitsschild mit Strom versorgt werden.

Cockcroft-Walton-Multiplikator

Ein Spannungsvervielfacher aus kaskadierten Halbwellenverdopplern beliebiger Länge wird als Cockcroft-Walton . bezeichnet Multiplikator wie in der Abbildung unten gezeigt. Dieser Multiplikator wird verwendet, wenn eine hohe Spannung bei niedrigem Strom benötigt wird. Der Vorteil gegenüber einer konventionellen Versorgung besteht darin, dass kein teurer Hochspannungstransformator benötigt wird – zumindest nicht so hoch wie die Leistung.

Cockcroft-Walton x8 Spannungsmultiplikator; Ausgabe bei v(8).

Das Paar von Dioden und Kondensatoren links von den Knoten 1 und 2 in der obigen Abbildung bildet einen Halbwellenverdoppler. Drehen der Dioden um 45 ^o gegen den Uhrzeigersinn und der untere Kondensator um 90 ^o lässt es wie in Abbildung vor (a) aussehen. Vier der Verdopplerabschnitte sind für einen theoretischen x8-Multiplikationsfaktor nach rechts kaskadiert. Knoten 1 hat eine Klemmwellenform (nicht gezeigt), eine Sinuswelle, die um 1x (5 V) nach oben verschoben ist. Die anderen ungeradzahligen Knoten sind Sinuswellen, die auf sukzessive höhere Spannungen geklemmt sind. Knoten 2, der Ausgang des ersten Verdopplers, ist eine 2x Gleichspannung v(2) in Abbildung unten. Aufeinanderfolgende geradzahlige Knoten laden sich auf sukzessive höhere Spannungen auf:v(4), v(6), v(8)

D1 7 8 Diode C1 8 6 1000p D2 6 7 Diode C2 5 7 1000p D3 5 6 Diode C3 4 6 1000p D4 4 5 Diode C4 3 5 1000p D5 3 4 Diode C5 2 4 1000p D6 2 3 Diode D7 1 2 Diode C6 1 3 1000p C7 2 0 1000p C8 99 1 1000p D8 0 1 Diode V1 99 0 SIN(0 5 1k) .Modell Diode d .tran 0.01m 50m .end 

Cockcroft-Walton (x8) Wellenformen. Ausgabe ist v(8).

Ohne Diodenabfälle liefert jeder Verdoppler 2Vin oder 10 V, wenn man bedenkt, dass zwei Diodenabfälle (10-1,4) =8,6 V realistisch sind. Bei insgesamt 4 Dopplern erwartet man 4·8.6=34.4 V von 40 V.

Siehe Abbildung oben, v(2) ist ungefähr richtig; v(8) ist jedoch <30 V anstelle der erwarteten 34,4 V. Der Fluch des Cockcroft-Walton-Multiplikators besteht darin, dass jede zusätzliche Stufe weniger hinzufügt als die vorherige Stufe. Somit existiert eine praktische Grenze für die Anzahl der Stufen. Diese Einschränkung kann durch eine Modifikation der Grundschaltung überwunden werden. [ABR] Beachten Sie auch die Zeitskala von 40 ms im Vergleich zu 5 ms bei früheren Schaltungen. Es dauerte 40 ms, bis die Spannungen für diese Schaltung auf einen Endwert angestiegen waren. Die Netzliste in Abbildung oben hat den Befehl „.tran 0.010m 50m“, um die Simulationszeit auf 50 ms zu verlängern; es werden jedoch nur 40 ms angezeigt.

Der Cockcroft-Walton-Multiplikator dient als effizientere Hochspannungsquelle für Photomultiplier-Röhren, die bis zu 2000 V benötigen. [ABR] Darüber hinaus verfügt die Röhre über zahlreiche Dynoden , Klemmen, die eine Verbindung zu den „gerade nummerierten“ Knoten mit niedrigerer Spannung erfordern. Die serielle Reihe von Multiplikatorabgriffen ersetzt einen wärmeerzeugenden ohmschen Spannungsteiler früherer Designs.

Ein mit einer Wechselstromleitung betriebener Cockcroft-Walton-Multiplikator versorgt „Ionengeneratoren“ mit Hochspannung, um elektrostatische Ladungen zu neutralisieren und für Luftreiniger.

Überprüfung des Spannungsmultiplikators:

• Ein Spannungsmultiplikator erzeugt ein DC-Vielfaches (2,3,4 usw.) der AC-Spitzeneingangsspannung.
• Der einfachste Multiplikator ist ein Halbwellenverdoppler.
• Das Vollwellen-Double ist als Verdoppler eine überlegene Schaltung.
• Ein Tripler ist ein Halbwellenverdoppler und eine konventionelle Gleichrichterstufe (Peak-Detektor).
• Ein Quadrupler ist ein Paar Halbwellenverdoppler
• Eine lange Reihe von Halbwellenverdopplern ist als Cockcroft-Walton-Multiplikator bekannt.

VERWANDTE ARBEITSBLÄTTER:

• Arbeitsblatt "Summer and Subtractor OpAmp Circuits"