Een voltage multiplier is een gespecialiseerde gelijkrichter circuit produceert een output die is in theorie een geheel getal maal de AC piek input, bijvoorbeeld, 2, 3, of 4 keer de AC piek input. Zo is het mogelijk om 200 VDC uit een 100 Vpeak AC bron met behulp van een Verdubbelaar, 400 VDC uit een quadrupler. Elke belasting in een praktisch circuit zal deze spanningen verlagen.

We gaan eerst over verschillende soorten spanningsmultipliers-voltage verdubbelaar (half – en full-wave), voltage tripler en voltage quadrupler—maak dan een aantal algemene opmerkingen over de veiligheid van de spanningsmultiplier en eindig met de Cockcroft-Walton multiplier.

Spanningsverdubbelaar

een spanningsverdubbelaar is een gelijkstroomvoeding die gebruik kan maken van een 240 VAC-of 120 VAC-bron. De voeding maakt gebruik van een schakelaar geselecteerd full-wave brug te produceren ongeveer 300 VDC uit een 240 VAC bron. De 120 V positie van de schakelaar rewires de brug als een Verdubbelaar produceren ongeveer 300 VDC van de 120 VAC. In beide gevallen wordt 300 VDC geproduceerd. Dit is de ingang van een schakelende regelaar die lagere spanningen produceert voor het voeden van bijvoorbeeld een personal computer.

Halfgolfspanningsverdubbelaar

De halfgolfspanningsverdubbelaar in figuur hieronder (A) bestaat uit twee circuits: een klemmen op (b) en een piekdetector (halfgolfgelijkrichter) in Figuur voorafgaand, die in gewijzigde vorm in figuur hieronder (c) wordt weergegeven. C2 is toegevoegd aan een piekdetector (halfgolfgelijkrichter).

halfgolfspanningsverdubbelaar (a) bestaat uit (b) een klem en (c) een halfgolfgelijkrichter.

half-golf Voltage Verdubbelaar operatie Circuit analyse

verwijzend naar figuur(b) hierboven , C2 laadt tot 5 V (4,3 V rekening houdend met de diode daling) op de negatieve halve cyclus van AC input. Het rechter uiteinde wordt geaard door de geleidende D2. Het linkereinde wordt opgeladen bij de negatieve piek van de AC-ingang. Dit is de werking van de klem.

tijdens de positieve halve cyclus komt de halfgolfgelijkrichter in het spel op Figuur(C) hierboven . Diode D2 is uit het circuit omdat het omgekeerde bevooroordeeld is. C2 is nu in serie met de spanningsbron. Let op de polariteiten van de generator en C2, serie assisteren. Dus, gelijkrichter D1 ziet een totaal van 10 V op de piek van de sinus, 5 V van generator en 5 V van C2. D1 geleidt golfvorm v (1) (figuur hieronder) en laadt C1 op tot de piek van de sinus die op 5 V DC rijdt (figuur onder v(2)). Golfvorm v (2) is de output van de verdubbelaar, die stabiliseert op 10 V (8.6 V met diode druppels) na een paar cycli van sinus ingang.

*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 

Voltage doubler: v(4) ingang. v (1) klemtrap. v (2) half-golf gelijkrichter stadium, dat is de verdubbelaar uitgang.

Full-wave Voltage verdubbelaar

De full-wave voltage verdubbelaar bestaat uit een paar serie gestapelde half-wave gelijkrichters. (Figuur hieronder)de overeenkomstige netlijst is in figuur hieronder.

Full-Wave Voltage Verdubbelaar operatie analyse

de onderste gelijkrichter laadt C1 op de negatieve halve cyclus van de ingang. De bovenste gelijkrichter laadt C2 op de positieve halve cyclus. Elke condensator neemt een lading van 5 V (4,3 V gezien de diode daling). De output bij knooppunt 5 is de serie totaal van C1 + C2 of 10 V (8,6 V met diode druppels).

*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 

Full-wave spanningsverdubbelaar bestaat uit twee halve-golf gelijkrichters die op wisselende polariteit.

merk op dat de onderstaande figuur voor uitvoer v(5) de volledige waarde bereikt binnen één cyclus van de excursie voor invoer v(2).

full-wave voltage verdubbelaar: v(2)input, V(3) voltage at mid point, V (5) voltage at output

afgeleid van volledige golf gelijkrichters

onderstaande figuur illustreert de afleiding van de volledige golf gelijkrichters uit een paar tegengestelde polariteit halve golf gelijkrichters (a). De negatieve Gelijkrichter van het paar wordt opnieuw getekend voor duidelijkheid (b). Beide zijn gecombineerd op (c) delen dezelfde grond. Bij (d) wordt de negatieve gelijkrichter opnieuw bedraad om één spanningsbron te delen met de positieve gelijkrichter. Dit levert een ±5 V (4.3 V met diode daling) voeding op; hoewel 10 V meetbaar is tussen de twee uitgangen. Het grondreferentiepunt wordt zo verplaatst dat +10 V beschikbaar is ten opzichte van de grond.

full-wave verdubbelaar: (A) paar verdubbelaars, (b) opnieuw getekend, (c) de grond delen, (d) dezelfde spanningsbron delen. (e) verplaats het grondpunt.

Spanningstripler

een spanningstripler (figuur hieronder) is opgebouwd uit een combinatie van een Verdubbelaar en een halfgolfgelijkrichter (C3, D3). De halfgolfgelijkrichter produceert 5 V (4,3 V) op knooppunt 3. De verdubbelaar biedt nog eens 10 V (8,4 V) tussen knooppunten 2 en 3. voor een totaal van 15 V (12.9 V) op de uitgangsknoop 2 ten opzichte van de grond. De netlijst staat in figuur hieronder.

Spanningstripler bestaande uit verdubbelaar gestapeld bovenop een enkelvoudige gelijkrichter.

merk op dat V(3) in onderstaande figuur stijgt tot 5 V (4.3 V) in de eerste negatieve halve cyclus. Input v (4) wordt met 5 V (4.3 V) naar boven verschoven door 5 V van de halfgolfgelijkrichter. En 5 V meer bij v (1) door de klem (C2, D2). D1 laadt C1 (golfvorm v(2)) op tot de piekwaarde van 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 

Voltage tripler: v(3) half-wave gelijkrichter, v(4) input+ 5 V, v(1) kabelbinder, v(2) de uiteindelijke uitvoer.

Spanningsvierpler

een spanningsvierpler is een gestapelde combinatie van twee doublers die in onderstaande figuur worden weergegeven. Elke verdubbelaar levert 10 V (8,6 V) voor een serie totaal op Knoop 2 met betrekking tot grond van 20 V (17,2 V)

De netlijst is in onderstaande figuur.

Voltage quadrupler, samengesteld uit twee dubbelgangers gestapeld in serie, met uitgang op knooppunt 2.

de golfvormen van de quadrupler zijn weergegeven in onderstaande figuur. Er zijn twee DC-uitgangen beschikbaar: v (3), de verdubbelaar-uitgang en v(2) de viervoudige uitgang. Enkele tussenspanningen bij klemmen illustreren dat de ingangsspanning (niet afgebeeld), die met 5 V schommelt, achtereenvolgens op hogere niveaus wordt vastgeklemd: bij v(5), v(4) en v(1). Strikt v(4) is geen klemuitgang. Het is gewoon de WISSELSPANNINGSBRON in serie met de V (3) de verdubbelaar uitgang. 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. De circuitparameters die in de voorbeelden worden gebruikt (V = 5 V 1 kHz, C = 1000 pf) leveren niet veel stroom, microamps. Bovendien zijn belastingweerstanden weggelaten. Het laden vermindert de spanningen van die getoond. Als de circuits moeten worden aangedreven door een kHz bron bij lage spanning, zoals in de voorbeelden, de condensatoren zijn meestal 0,1 tot 1,0 µF zodat milliampers van stroom beschikbaar zijn aan de uitgang. Als de multipliers van 50/60 Hz worden aangedreven, is de condensator een paar honderd tot een paar duizend microfarads om honderden milliampers van uitgangsstroom te verstrekken. Als gedreven uit lijnspanning, aandacht besteden aan de polariteit en spanning ratings van de condensatoren.

ten slotte is elke stroomtoevoer via een directe lijn (geen transformator) gevaarlijk voor de experimentator en de testapparatuur die via een lijn wordt bediend. Commerciële direct aangedreven benodigdheden zijn veilig omdat de gevaarlijke circuits zich in een behuizing bevinden om de gebruiker te beschermen. Bij het breadboarden van deze circuits met elektrolytische condensatoren van om het even welke spanning, zullen de condensatoren exploderen als de polariteit wordt omgekeerd. Dergelijke circuits moeten worden ingeschakeld achter een veiligheidsscherm.

Cockcroft-Waltonmultiplier

een spanningsmultiplier van cascaded halfgolfverdubbelaars van willekeurige lengte wordt een Cockcroft-Waltonmultiplier genoemd, zoals in onderstaande figuur wordt weergegeven. Deze multiplier wordt gebruikt wanneer een hoge spanning bij lage stroom vereist is. Het voordeel ten opzichte van een conventionele voeding is dat een dure hoogspanningstransformator niet nodig is– tenminste niet zo hoog als de uitgang.

Cockcroft-Walton x8 spanningsmultiplier; uitgang bij v(8).

het paar dioden en condensatoren links van knooppunten 1 en 2 in figuur hierboven vormen een halve golf verdubbelaar. Het draaien van de diodes met 45o tegen de klok in, en de onderste condensator met 90o maakt het eruit als figuur voorafgaand (a). Vier van de Verdubbeler secties zijn naar rechts cascade voor een theoretische x8 vermenigvuldigingsfactor. Knooppunt 1 heeft een klemgolfvorm (niet getoond), een sinus die 1x (5 V) omhoog is verschoven. De andere oneven genummerde knooppunten zijn pezen geklemd aan achtereenvolgens hogere spanningen. Knooppunt 2, de uitgang van de eerste verdubbelaar, is een 2x gelijkspanning v (2) in figuur hieronder. Opeenvolgende zelfs genummerde knooppunten kosten achtereenvolgens op hogere voltages: 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) golfvormen. De uitgang is v (8).

zonder diodedruppels levert elke verdubbelaar 2v of 10 V op, gezien twee diodedruppels(10-1. 4) = 8,6 V realistisch is. Voor een totaal van 4 doublers verwacht men 4·8,6=34,4 V van de 40 V.

Consulting figuur hierboven, v (2) is ongeveer goed; v (8) is echter <30 V in plaats van de verwachte 34,4 V. het risico van de Cockcroft-Walton multiplier is dat elke extra fase minder toevoegt dan de vorige fase. Er bestaat dus een praktische grens aan het aantal fasen. Het is mogelijk om deze beperking te overwinnen met een aanpassing aan het basiscircuit. Let ook op de tijdschaal van 40 msec vergeleken met 5 ms voor eerdere circuits. Het vereiste 40 msec om de spanningen te laten stijgen tot een eindwaarde voor dit circuit. De netlijst in figuur hierboven heeft een “.tran 0,010 m 50m” commando om de simulatietijd te verlengen tot 50 msec; echter, slechts 40 msec is uitgezet.

de Cockcroft-Walton multiplier dient als een efficiëntere hoogspanningsbron voor fotomultiplicatorbuizen die tot 2000 V vereisen. bovendien heeft de buis talrijke dynoden, terminals die aansluiting vereisen op de “even genummerde” knooppunten met een lagere spanning. De serie reeks van multiplier kranen vervangt een warmte genererende resistieve spanning divider van eerdere ontwerpen.

een Cockcroft-Walton multiplier met wisselstroomleiding levert hoogspanning aan “ionengeneratoren” voor het neutraliseren van elektrostatische lading en voor luchtreinigers.

Voltage Multiplier Review:

• een spanningsvermenigvuldiger produceert een DC-veelvoud (2,3,4, enz.) van de AC-piekingangsspanning.
• de meest basale multiplier is een halve golf verdubbelaar.
• de full-wave double is een superieur circuit als een Verdubbelaar.
• een tripler is een halfgolfverdubbelaar en een conventionele gelijkrichter (piekdetector).
• een quadrupler is een paar half-golf doublers
• een lange reeks van half-golf doublers staat bekend als een Cockcroft-Walton multiplier.

gerelateerde werkbladen:

• zomer en Subtractor opamp Circuits werkblad