Электроника для ленивых: как получить больше напряжения, не напрягаясь, используя два диода и два конденсатора

В мире электроники часто возникает необходимость в
напряжении, превышающем доступное. И тут на помощь приходят умножители
напряжения — изобретательные схемы, позволяющие увеличить выходное напряжение в
несколько раз. В этой статье мы разберемся, как они работают, где применяются и
даже попробуем собрать простейший умножитель своими руками.

Что такое умножитель напряжения?

Умножитель напряжения — это, по сути, схема выпрямителя
переменного тока, обладающая уникальной особенностью: она не просто выпрямляет
ток, но и увеличивает напряжение на выходе. Теоретически увеличить напряжение
можно во сколько угодно раз, однако на практике это ограничено различными
факторами.

Ключевой принцип работы умножителя — поочередная зарядка
конденсаторов и их последующее последовательное соединение. Именно
последовательное соединение конденсаторов позволяет суммировать их напряжения,
увеличивая общее выходное напряжение.

Удвоитель напряжения: простейшая схема для начинающих

Начнем с простого — удвоителя напряжения. Представим, что у
нас есть два конденсатора, соединенных последовательно. Если мы поочередно
поднесем к каждому из них, например, 9-вольтовую батарейку, мы зарядим их до 9
вольт. Конденсаторы сохранят заряд, и благодаря последовательному соединению на
их свободных контактах мы сможем измерить суммарное напряжение — 18 вольт.

Конечно, вручную подключать и отключать батарейку не очень
удобно. Поэтому давайте усовершенствуем схему.

Усовершенствованная схема удвоителя напряжения:

Добавим в схему два диода и источник переменного напряжения.
В качестве источника переменного напряжения возьмем ту же батарейку, но будем
менять ее электроды местами.

• Первый полупериод: ток проходит через первый диод и заряжает
  первый конденсатор. Второй диод блокирует ток ко второму конденсатору.

• Второй полупериод: ток проходит через второй диод и заряжает
  второй конденсатор. Первый диод блокирует ток к первому конденсатору.

Таким образом, за два полупериода переменного тока мы
зарядили оба конденсатора. Благодаря их последовательному соединению на выходе
получаем удвоенное напряжение.

Практическое применение удвоителя напряжения

Давайте попробуем сделать удвоитель напряжения на практике.
Подключим к обычной пальчиковой батарейке светодиод — он не загорится, так как
1,5 вольта недостаточно. Но если мы увеличим напряжение с помощью удвоителя,
этого будет достаточно.

Проблема в том, что удвоителю нужен переменный ток на входе,
а батарейка выдает постоянный. Решение — создать «генератор переменного
тока» своими руками, просто быстро меняя полярность батарейки.

Подключаем наш самодельный генератор к удвоителю, генерируем
переменный ток и видим, как светодиод начинает мигать.

Где еще можно применить удвоитель напряжения?

Удвоитель напряжения можно использовать, например, как
выпрямитель после трансформатора для увеличения напряжения. Например, если у
вас есть трансформатор, выдающий 11 вольт переменного тока, то после удвоителя
вы получите около 30 вольт выпрямленного напряжения.

Важно понимать: указываемые на трансформаторе 11 вольт — это
среднеквадратичное значение синусоиды. Конденсаторы же в умножителе заряжаются
до пикового значения полуволны, которое выше среднеквадратичного.

Несимметричный умножитель напряжения: шаг к более высоким
напряжениям

Теперь перейдем к более сложной схеме — несимметричному
умножителю напряжения. Преимущество этой схемы в том, что можно добавлять
конденсаторы и диоды в цепочку, умножая напряжение во много раз.

Рассмотрим четырехкратный умножитель. В первом такте
заряжается первый конденсатор. Во втором — создается последовательное
соединение источника питания и первого конденсатора, заряжая второй конденсатор
до двойного напряжения. В следующих тактах происходит перераспределение
напряжения между конденсаторами, в результате чего на выходе мы получаем
четырехкратное напряжение.

Важно помнить, что при подключении нагрузки к умножителю
напряжения конденсаторы начинают разряжаться. Чем больше ступеней умножения,
тем сложнее поддерживать стабильное выходное напряжение под нагрузкой. Поэтому
многоступенчатые умножители напряжения лучше всего подходят для маломощных
устройств.

Типы умножителей: от простых до сложных

Существует несколько основных типов умножителей напряжения,
отличающихся схемотехникой и характеристиками.

• Умножитель напряжения на диодах и конденсаторах (схема
  Виллара). Это — самая простая схема, как правило, удваивающая напряжение. Она
  состоит из двух диодов и двух конденсаторов, соединенных определенным образом.
  Простота схемы делает ее популярной в маломощных приложениях.

• Умножитель напряжения Кокрофта-Уолтона. Эта схема позволяет
  получить более высокие коэффициенты умножения, чем схема Виллара. Она состоит
  из нескольких каскадов, каждый из которых удваивает напряжение. Чем больше
  каскадов, тем выше выходное напряжение. Умножители Кокрофта-Уолтона часто
  используются в высоковольтном оборудовании, таком как рентгеновские аппараты.

• Умножитель напряжения Делона. Это схема, оптимизированная
  для получения более стабильного выходного напряжения. Она использует
  специальные элементы для стабилизации напряжения и уменьшения пульсаций.

Выбор конкретного типа умножителя зависит от требований к
выходному напряжению, току и стабильности. Для простых задач, где требуется
небольшое увеличение напряжения, подойдет схема Виллара. Для более сложных
приложений, требующих высокого напряжения и стабильной работы, лучше
использовать умножитель Кокрофта-Уолтона или схему Делона.

Практическое применение: от лазерных указок до рентгеновских
аппаратов

Умножители напряжения находят широкое применение в самых
разных областях техники.

• Электроника. Питание вакуумных ламп в аудиотехнике,
  генерация высокого напряжения для лазерных указок и электрошокеров.

• Медицинское оборудование. Рентгеновские аппараты, аппараты
  для электротерапии. В этих устройствах требуется высокое напряжение для
  генерации рентгеновских лучей или воздействия на ткани организма.

• Промышленность. Электростатические генераторы,
  высоковольтные источники питания для различного оборудования.

• Научные исследования. Питание ускорителей частиц,
  высоковольтных источников для экспериментов.

Например, в рентгеновском аппарате умножитель напряжения
используется для генерации напряжения в десятки киловольт, необходимого для
создания рентгеновского излучения. В электростатическом генераторе умножитель
используется для создания высокого напряжения, которое затем используется для
зарядки объектов электростатическим полем.

Заключение: умножитель напряжения — полезный инструмент в
арсенале электронщика

Умножители напряжения — это полезные схемы, позволяющие
получить более высокое напряжение из доступного источника. От простых
удвоителей до сложных многоступенчатых умножителей они находят применение в
различных областях электроники. Понимание принципов их работы позволит вам
расширить свои возможности и создавать более сложные и интересные устройства.

В этой статье освещены базовые принципы работы и
применения умножителей напряжения. Конечно, эта тема гораздо шире, но надеюсь,
что данный материал стал хорошей отправной точкой для дальнейшего изучения.
Удачи в ваших экспериментах.