Недавно на курсе skillbox Профессия Программист микроконтроллеров, который я сейчас прохожу. Рассматривали DC-DC преобразователи в частности Генератор Кокрофта-Уолтона или, проще говоря, умножитель напряжения.
Если интересно почитать о том как проходит мое обучение, то вот ссылка↓↓↓↓↓
(Если не отображается, значит заблокировал блокировщик рекламы, можете его выключить или найти данный материал на моем канале). Или нажать сюда.
На курсе куратор подробно пытался рассказать принцип работы таких преобразователей, но мне все равно многое осталось непонятно, поэтому я решил более подробно разобраться в принципе работы таких устройств.
Начну с объяснения что такое умножитель напряжения.
Умножитель напряжения — это электронная схема, которая увеличивает (умножает) величину входного напряжения, чтобы получить на выходе более высокое напряжение. Для создания умножитель напряжения, как правило использует лишь пассивные компоненты (диоды и конденсаторы). Однако есть и умножители на транзисторах, но в этой статье мы их не будем затрагивать.
Работают умножители по следующим порядку:
- Начальная зарядка: Когда подается переменное напряжение, на одном полупериоде конденсатор заряжается через диод до пикового значения входного напряжения.
- Сдвиг и накопление: На следующем полупериоде полярность входного напряжения меняется. Заряженный конденсатор добавляет свой заряд к новому входному напряжению, и следующий конденсатор заряжается уже до суммы этих напряжений (входное + заряд предыдущего конденсатора).
- Повторение цикла: Этот процесс повторяется на каждой ступени умножителя. Каждый следующий конденсатор заряжается до более высокого напряжения, так как складывается заряд предыдущих конденсаторов.
- Выходное напряжение: В результате на выходе получается напряжение, которое равно сумме напряжений, накопленных на всех конденсаторах. Если умножитель на 6 ступеней, то выходное напряжение будет примерно в 6 раз выше пикового входного напряжения.
Расчет выходного напряжения осуществляется следующей формулой (об этой формуле будет в конце статьи).
Uвых=n×Vpeak−n×VD
n — количество ступеней умножения.
Vpeak — амплитудное (пиковое) значение входного напряжения.
VD— прямое падение напряжения на каждом диоде, примерно 0,7 вольта
Пиковое напряжение (Vpeak) равно Uвх×√2 к примеру входной напряжение 10 вольт тогда Vpeak=10×√2≈14.14 В.
Для 6 ступенчатого умножителя выходное напряжение будет.
Vout≈6×14.14 В−5×0.7 В=81.34 В
Что касается программ для моделирования возьму 2 самые распространённые, по моему мнению, программы на ПК NI Multisim 14.3 и Proteus 8 Professional, хотел сюда включить еще Altium Designer, но его только начал изучать и еще не во всем разобрался.
Итак начну с NI Multisim 14.3 тут смоделирован 6 ступенчатый умножитель напряжения V = 10 вольтам, Vpeak 10×√2≈14.14 В.
И при моделировании мы получаем 83.016 вольта, хотя расчётное должно быть 81.34 вольта. Следующая программа Proteus 8 модель скопирована полностью такие же диоды, конденсатор и также настроен Vpeak.
При моделирование получаем 81 вольт, и оно очень близко к расчетному 81.34 вольта.
Выводы по моделированию NI Multisim 14.3 показало наиболее ошибочное значение судя по всему оно не берет в расчеты падение напряжения на диодах и есть еще какие-то погрешности. Proteus 8 наиболее близок к расчётным значениям.
Теперь перейдём к самому интересному: в интернете нашел формулу, которая повторяется на многих сайтах для расчета подобных умножителей.
Uвых = n Uвх - [ I ( n3 + 9 n2 / 4 + n / 2 ) / 12 F C
Для моделирования я ее упростил до
Uвых=n×Vpeak−n×VD
Как видно первая часть формулы совпадет, однако тут не говорится, что нужно брать именно Vpeak, дальше я добавил падения напряжения на диодах. Формула из интернета позволяет высчитать какой будет выходное напряжение под нагрузкой и подобрать соответствующие компоненты, однако тут не учитывается падение напряжение на диодах. Я считаю что формула должна выглядеть так.
Uвых = n Vpeak - (([ I ( n3 + 9 n2 / 4 + n / 2 ) / 12 F C)+ n×VD) поправите в комментариях, если ошибаюсь.
Ну и на последок бесплатный онлайн симулятор CircuitJS настройки и транзисторы выбраны такие же как в предыдущих программах выдает 81.633 вольта, что тоже весьма неплохо.
Если у вас есть вопросы пишите в вк или в комментариях, постараюсь ответить https://vk.com/viktor_bulatov.
На этом всё! Подписывайтесь на канал, ставьте лайк и до новых встреч в следующих публикациях! https://l.skbx.pro/TmEXnb