Online Electric

Первые труды, посвященные основам работы схем выпрямления с умножением напряжения вентильно-конденсаторного типа или просто умножителей напряжения (УН), встречаются ещё в 30-х годах двадцатого века. Источники питания на основе УН встречаются во многих сферах технологий, таких как: рентгеновская техника, установки ионизации и озонаторы, радиолокация и навигация и др. [1]. Отечественные работы имеют очень хорошее описание работы таких схем от синусоидального источника питания промышленной частоты, например [2]. Несмотря на это, вопрос использования УН при питании от инверторов с произвольной формой сигнала изучен недостаточно. Ситуация усугубляется взглядом на УН исключительно как на устройство, состоящее из множества каскадов и питаемое синусоидальным сигналом промышленной частоты 50 Гц, хотя развитие инверторов дает богатые возможности по применению УН в современной технике.

Многие учебники подробно останавливаются на недостатках УН. Утверждается, что у них большие пульсации выходного напряжения, плохая стабильность по напряжению и нагрузочная способность. Не смотря на это, из зарубежной литературы известны удачные решения по применению "утроителей" и "учетверителей" напряжения в телевизорах [3]. Как утверждается в [3], свойства умножителей существенно улучшаются при питании от прямоугольных импульсов напряжения высокой частоты. При питании от инвертора, работающего в ключевом режиме, с частотой переключения в 1 кГц, и тем более 20 кГц, УН заслуживает переоценки своих возможностей. Повышается стабильность напряжения и улучшается его фильтрация. Как известно, очень хорошая стабильность может быть обеспечена и при синусоидальных колебаниях при увеличении емкостей конденсаторов. Однако, этот путь всегда приводит к существенному увеличению габаритов источника питания.

Большинство работ посвященных УН, за редким исключением [4] написаны достаточно давно и не рассматривают их работу совместно с инверторами напряжения. Вместе с тем поиск оптимальной структуры источника питания на основе УН не возможен без исследования его поведения на разных частотах при разной форме питающего напряжения.

Современные программные средства, такие как программа схемотехнического расчета Micro-Cap, позволяют провести качественный анализ работы УН (рисунок 1). На вход УН, состоящего из 8-ми каскадов, подавалось напряжение разной формы одинаковой амплитуды, после чего контролировались выходные параметры схемы. В работе были использованы синусоидальный сигнал, усеченная синусоида (такого рода сигнал получается после простейшего параметрического стабилизатора на стабилитронах), трапеция, прямоугольный (часто является выходным сигналом инвертора работающего в ключевом режиме), прямоугольный с паузой и треугольный (нарастающий фронт, резкий спад до нуля).

По результатам эксперимента было установлено, что амплитуда выходного сигнала мало зависит от формы сигнала, поступающего на вход схемы (табл. 1). (увеличение напряжения представлено в виде относительных единиц) Наибольшая амплитуда выпрямленного напряжения соответствует прямоугольному сигналу. При этом, синусоидальный сигнал имеет наименьшее значение выпрямленного напряжения. Наименьшая пульсация напряжения у треугольного сигнала.

Рассмотрим также поведение схемы при изменении частоты питающего напряжения. На вход схем, состоящих из двух и четырех каскадов, подавались синусоидальные и прямоугольные сигналы с амплитудой ±30В различных частот: 50 Гц (промышленная частота), 400 Гц (часто встречается в различных сетях, например корабельной), 1кГц и 20 кГц (часто встречаются в электронике). В таблице 2 и 3 представлены: действующее напряжение на выходе, размах пульсаций напряжения, действующее напряжение при уменьшении входного напряжения на 17% (5 В) и коэффициент нестабильности (или нестабильность) по напряжению δU_н , %. Нестабильность по напряжению δU_н определяется при заданном входном изменении входного питающего напряжения на величину ΔU_вх и I_н = const:

Согласно полученным результатам, амплитуда выходного сигнала несущественно увеличивается при увеличении частоты, также несущественно уменьшаются пульсации выходного напряжения. Питание прямоугольным сигналом имеет мало отличий от питания синусоидальным сигналом.