Ein Spannungsmultiplikator ist eine spezielle Gleichrichterschaltung, die einen Ausgang erzeugt, der theoretisch eine ganze Zahl mal der AC-Peak-Eingang ist, zum Beispiel 2, 3 oder 4 mal der AC-Peak-Eingang. Somit ist es möglich, 200 VDC von einer 100 Vpeak-Wechselstromquelle mit einem Verdoppler und 400 VDC von einem Vierfachkoppler zu erhalten. Jede Last in einer praktischen Schaltung senkt diese Spannungen.

Wir werden zuerst verschiedene Arten von Spannungsmultiplikatoren durchgehen — Spannungsverdoppler (Halb- und Vollwelle), Spannungsdreifacher und Spannungsvierfacher -, dann einige allgemeine Hinweise zur Sicherheit des Spannungsmultiplikators machen und mit dem Cockcroft—Walton-Multiplikator abschließen.

Spannungsverdoppler

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

Halbwellen-Spannungsverdoppler

Der Halbwellen-Spannungsverdoppler in Abbildung unten (a) besteht aus zwei Schaltungen: einem Clamper bei (b) und einem Spitzendetektor (Halbwellengleichrichter) in Abbildung 2, der in modifizierter Form in Abbildung unten (c) dargestellt ist. C2 wurde zu einem Spitzendetektor (Halbwellengleichrichter) hinzugefügt.

Der Halbwellenspannungsverdoppler (a) besteht aus (b) einem Clamper und (c) einem Halbwellengleichrichter.

halbwelle Spannung Doubler Betrieb Schaltung Analyse

In bezug auf Abbildung (b) oben, C2 gebühren zu 5 V (4,3 V unter berücksichtigung der diode drop) auf die negative halbe zyklus von AC eingang. Das rechte Ende ist durch die Leitung D2 geerdet. Das linke Ende wird an der negativen Spitze des Wechselstromeingangs geladen. Dies ist der Betrieb der Klemme.

Während der positiven Halbwelle kommt der Halbwellengleichrichter in Abbildung(c) oben ins Spiel. Die Diode D2 ist aus dem Stromkreis heraus, da sie in umgekehrter Richtung vorgespannt ist. C2 ist nun in Serie mit der Spannungsquelle. Beachten Sie die Polaritäten des Generators und C2, Serie aiding. 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)). Die Wellenform v (2) ist der Ausgang des Verdopplers, der sich bei 10 V stabilisiert (8.6 V mit Diodenabfall) nach einigen Zyklen Sinuseingang.

*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) .model diode d .tran 0.01m 5m .end 

Spannungsverdoppler: v(4) Eingang. v (1) clamper bühne. v (2) halb-welle gleichrichter bühne, die ist die doubler ausgang.

Vollwellen-Spannungsverdoppler

Der Vollwellen-Spannungsverdoppler besteht aus einem Paar in Reihe gestapelter Halbwellengleichrichter. (Abbildung unten) Die entsprechende Netzliste finden Sie in Abbildung unten.

Vollwellen-Spannungsverdoppler-Betriebsanalyse

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

*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) .model diode d .tran 0.01m 5m .end 

Der Vollwellen-Spannungsverdoppler besteht aus zwei Halbwellengleichrichtern, die mit wechselnden Polaritäten arbeiten.

Beachten sie, dass der ausgang v(5) Abbildung unten erreicht vollen wert innerhalb eines zyklus der eingang v(2) ausflug.

Vollwellen-Spannungsverdoppler: v(2) Eingang, v(3)Spannung in der Mitte, v(5) Spannung am Ausgang

Ableiten von Vollwellenverdopplern von Halbwellengleichrichtern

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

Vollwellen-Verdoppler: (a) Paar von Verdopplern, (b) neu gezeichnet, (c) teilen sich den Boden, (d) teilen sich die gleiche Spannungsquelle. (e) bewegen Sie den Bodenpunkt.

Spannungs-Tripler

Ein Spannungs-Tripler (Abbildung unten) besteht aus einer Kombination aus einem Verdoppler und einem Halbwellengleichrichter (C3, D3). Der Halbwellengleichrichter erzeugt 5 V (4,3 V) am Knoten 3. Der Verdoppler stellt weitere 10 V (8,4 V) zwischen den Knoten 2 und 3 bereit. für insgesamt 15 V (12.9 V) am Ausgangsknoten 2 gegenüber Masse. Die Netzliste ist in Abbildung unten.

Spannungs-Tripler, bestehend aus einem Verdoppler, der auf einem einstufigen Gleichrichter gestapelt ist.

Beachten Sie, dass V(3) in der Abbildung unten in der ersten negativen Halbwelle auf 5 V (4,3 V) ansteigt. Der Eingang v (4) wird aufgrund von 5 V vom Halbwellengleichrichter um 5 V (4,3 V) nach oben verschoben. Und 5 V mehr bei v(1) durch den Clamper (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) .model diode d .tran 0.01m 5m .end 

Spannung tripler: v (3) halb-welle gleichrichter, v (4) eingang + 5 V, v (1) klemme, v (2) schluss ausgang.

Voltage Quadrupler

Ein Voltage Quadrupler ist eine gestapelte Kombination aus zwei in der folgenden Abbildung gezeigten Verdopplern. Jeder Verdoppler liefert 10 V (8,6 V) für eine Seriensumme an Knoten 2 in Bezug auf Masse von 20 V (17,2 V)

Die Netzliste ist in Abbildung unten dargestellt.

Spannungsvierfachkoppler, bestehend aus zwei in Reihe geschalteten Verdopplern mit Ausgang am Knoten 2.

Die Wellenformen des Quadruplers sind in der folgenden Abbildung dargestellt. Es stehen zwei DC-Ausgänge zur Verfügung: v(3), der Verdopplerausgang, und v(2) der Vierfachausgang. Einige der Zwischenspannungen an Klemmern veranschaulichen, dass die Eingangssinuswelle (nicht gezeigt), die um 5 V schwingt, nacheinander auf höheren Pegeln geklemmt wird: bei v (5), v (4) und v (1). Streng genommen ist v(4) kein Clamper-Ausgang. Es ist einfach die Wechselspannungsquelle in Reihe mit dem v (3) der Verdopplerausgang. None the less, v(1) is a clamped version of 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) .model diode d .tran 0.01m 5m .end 

Voltage quadrupler: DC voltage available at v(3) and v(2). Intermediate waveforms: Clampers: v(5), v(4), v(1).

Notes on Voltage Multipliers and Line Driven Power Supplies

Some notes on voltage multipliers are in order at this point. Die in den Beispielen verwendeten Schaltungsparameter (V = 5 V 1 kHz, C = 1000 pf) liefern nicht viel Strom, Mikroampere. Ferner wurden Lastwiderstände weggelassen. Das Laden reduziert die Spannungen von den gezeigten. Wenn die Schaltungen wie in den Beispielen von einer Stromquelle mit niedriger Spannung angesteuert werden sollen, betragen die Kondensatoren üblicherweise 0,1 bis 1,0 µF, so dass am Ausgang Milliampere Strom zur Verfügung stehen. Wenn die Multiplizierer von 50/60 Hz angesteuert werden, sind die Kondensatoren einige hundert bis einige tausend Mikrofarad, um Hunderte von Milliampere Ausgangsstrom bereitzustellen. Wenn Sie von der Netzspannung angetrieben werden, achten Sie auf die Polarität und die Nennspannung der Kondensatoren.

Schließlich ist jede direkte leitungsbetriebene Stromversorgung (kein Transformator) gefährlich für den Experimentator und die leitungsbetriebenen Testgeräte. Kommerzielle direkt angetriebene Netzteile sind sicher, da sich die gefährlichen Schaltkreise zum Schutz des Benutzers in einem Gehäuse befinden. Beim Breadboarden dieser Schaltungen mit Elektrolytkondensatoren beliebiger Spannung explodieren die Kondensatoren, wenn die Polarität umgekehrt wird. Solche Stromkreise sollten hinter einem Sicherheitsschild eingeschaltet werden.

Cockcroft-Walton-Multiplikator

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

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

Das Dioden- und Kondensatorpaar links von den Knoten 1 und 2 in der obigen Abbildung bildet einen Halbwellenverdoppler. Durch Drehen der Dioden um 45o gegen den Uhrzeigersinn und des unteren Kondensators um 90o sieht es wie in Abbildung 1 (a) aus. Vier der Verdopplerabschnitte sind für einen theoretischen x8-Multiplikationsfaktor nach rechts kaskadiert. Knoten 1 hat eine Clamper-Wellenform (nicht gezeigt), eine um 1x (5 V) nach oben verschobene Sinuswelle. 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 gerade nummerierte Knoten laden auf nacheinander 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) .model diode d .tran 0.01m 50m .end 

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

Ohne Diodentropfen ergibt jeder Verdoppler 2Vin oder 10 V, wobei zwei Diodentropfen (10-1,4) = 8,6 V realistisch sind. Für insgesamt 4 Verdoppler erwartet man 4 · 8,6 = 34,4 V von 40 V.

In der Abbildung oben ist v(2) 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 Begrenzung der Anzahl der Stufen. Es ist möglich, diese Einschränkung durch eine Modifikation der Grundschaltung zu überwinden. Beachten Sie auch die Zeitskala von 40 ms im Vergleich zu 5 ms für frühere Schaltungen. Es dauerte 40 ms, bis die Spannungen auf einen Endwert für diese Schaltung anstiegen. Die Netzliste in Abbildung oben hat ein „.tran 0.010m 50m“ Befehl zur Verlängerung der Simulationszeit auf 50 msec; es werden jedoch nur 40 msec aufgetragen.

Der Cockcroft-Walton-Multiplizierer dient als effizientere Hochspannungsquelle für Photomultiplier-Röhren, die bis zu 2000 V benötigen. Darüber hinaus verfügt die Röhre über zahlreiche Dynoden, Klemmen, die an die „geradzahligen“ Knoten mit niedrigerer Spannung angeschlossen werden müssen. Die Reihenfolge von Multiplikatorabgriffen ersetzt einen wärmeerzeugenden resistiven Spannungsteiler früherer Konstruktionen.

Ein AC-netzbetriebener Cockcroft-Walton-Multiplikator liefert Hochspannung an „Ionengeneratoren“ zur Neutralisierung elektrostatischer Aufladung und für Luftreiniger.

Spannungsmultiplikator Bewertung:

• Ein Spannungsvervielfacher erzeugt ein DC-Vielfaches (2,3,4 usw.) der AC-Spitzeneingangsspannung.
• Der grundlegendste Multiplikator ist ein Halbwellenverdoppler.
• Das Full-Wave Double ist eine überlegene Schaltung als Verdoppler.
• Ein Tripler ist ein Halbwellenverdoppler und eine herkömmliche Gleichrichterstufe (Spitzendetektor).
• Ein Quadrupler ist ein Paar Halbwellenverdoppler
• Eine lange Reihe von Halbwellenverdopplern ist als Cockcroft-Walton-Multiplikator bekannt.

VERWANDTE ARBEITSBLÄTTER:

• Opamp-Schaltkreise für Addition und Subtraktion Arbeitsblatt