Умножитель напряжения

Умножитель напряжения будет проще понять, если начать с обычного однополупериодного выпрямителя. В этом выпрямителе, как обычно, напряжение на выходе больше действующего значения переменного напряжения на входе (выходе вторичной обмотки трансформатора) в √2 раз.

Выходное напряжение, как правило, уменьшается с ростом тока нагрузки. Для объяснения этого факта лучше всего воспользоваться понятием "постоянной времени", которое описывает скорость заряда и разряда конденсатора C. Постоянная времени заряда невелика, ибо конденсатор заряжается в цепи, в которой ток течёт последовательно через вторичную обмотку трансформатора, резистор R и диод D. (Резистор R установлен для ограничения импульсного тока через диод. Общее сопротивление всех перечисленных элементов мало: сопротивление резистора не более 100 Ом, а диод в момент заряда конденсатора пропускает прямой ток, ибо включен в прямом направлении. Разряд конденсатора осуществляется через нагрузку. Её общее сопротивление в сотни раз выше сопротивления зарядной цепи конденсатора. С уменьшением сопротивления разрядной цепи законно увеличивается ток разряда конденсатора и, соответственно, уменьшается выходное напряжение выпрямителя.

Описанный выше конденсаторный накопитель энергии используется в выпрямителях с умножением напряжения для увеличения выходного напряжения. Чем больше таких накопителей энергии конденсаторного типа используется в умножителях, тем в большее число раз выходное напряжение умножителя выше выходного амплитудного напряжения вторичной обмотки трансформатора.

Существуют различные схемы умножителей. Удвоитель напряжения, утроитель, учетверитель напряжения. Далее мы рассмотрим умножитель напряжения на четыре. Как понятно из определения, это устройство выдаёт на выходе напряжение, в 4 (почти) раза превышающее амплитудное напряжение на входе.

Схема умножителя напряжения

Можно заметить, что данный умножитель составлен из двух однополупериодных удвоителей напряжения путём их соединения между собой выводами, противоположными по полярности. На рисунке это явно выделено. Элементы обеих частей имеют одинаковое обозначение и отличаются только наличием штриха в обозначении. Для начала объяснения работы схемы установим, что при включении входное напряжение в точке А имеет отрицательную полярность. Конденсатор С1 при этом через диод D1 заряжается до амплитудного значения переменного напряжения. Следующий полупериод - напряжение меняет свою полярность и в точке А будет положительный потенциал по отношению к другому выводу вторичной обмотки трансформатора. Здесь произойдёт два момента. Конденсатор С2 будет заряжаться от вторичной обмотки через диод D2 и конденсатор С1. При этом он зарядится соответственно двойным напряжением. Ибо С1 последовательно соединён с обмоткой трансформатора. Второй момент - откроется диод D1' и через него до амплитудного значения напряжения вторичной обмотки зарядится конденсатор С1'. Следующая отрицательная полуволна будет заряжать С2' от вторичной обмотки через открытый в этот момент диод D2' и конденсатор С1'. Напряжение на выводах С2', также как и на С2, составит двойное значение входного амплитудного. Всё, с этого момента схема "насытилась" и далее будут чередоваться, если можно так выразиться, два двойных момента.

В полупериод, когда открыт диод D2, напряжение конденсатора С1 складывается с напряжением с трансформатора и заряжает С2 до удвоенного напряжения. И тогда же открытый диод D1' заряжает С1'. Когда полярность меняется, через диод D2' до двойного напряжения (С1' и обмотка тр-ра) заряжается C2' и тогда же через диод D1 заряжается конденсатор С1.

Выходное напряжение всего устройства равно сумме напряжений конденсаторов С2 и C2', каждый из которых заряжен до удвоенного амплитудного значения переменного напряжения вторичной обмотки трансформатора. (Резисторы R1 и R1' имеют сопротивление десятки Ком и в основном служат для разряда конденсаторов после отключения нагрузки от работающего умножителя.

Такое устройство часто встречается в высоковольтных бестрансформаторных блоках питания ламповых радиопередатчиков. В них умножается непосредственно напряжение электросети.