Кіріспе
Төмен кернеулі айнымалы немесе импульстік тұрақты тоқтан жоғары тұрақты тоқ тудыратын электр схемасы. Коккрофт-Уолтон (CW) генераторы немесе мультипликаторы – төмен кернеулі айнымалы немесе импульстік тұрақты тоқтан жоғары тұрақты тоқ тудыратын электр схемасы. Ол британдық және ирландтық физиктер Джон Дуглас Коккрофт пен Эрнест Томас Синтон Уолтонның құрметіне аталған, олар 1932 жылы осы схеманы бөлшектер үдеткішін қуаттандыру үшін пайдаланып, тарихтағы алғашқы жасанды ядролық ыдырауды жүзеге асырды. Олар осы кернеу көбейтуші каскадын көптеген зерттеулерінде қолданды, бұл 1951 жылы «Жасанды түрде үдетілген атомдық бөлшектер арқылы атом ядроларын түрлендіру» үшін физика саласындағы Нобель сыйлығын жеңіп алды. Сұлба 1919 жылы швейцариялық физик Генрих Грайнахер жасаған. Сондықтан, бұл екі еселеуші каскад кейде Грайнахер мультипликаторы деп те аталады. Коккрофт-Уолтон схемалары бүгінге дейін бөлшектер үдеткіштерінде қолданылады. Олар сондай-ақ рентген аппараттары және көшірме машиналарын сияқты жоғары кернеуді қажет ететін күнделікті электрондық құрылғыларда қолданылады.
The Cockcroft–Walton (CW) generator, or multiplier, is an electric circuit that generates a high DC voltage from a low voltage AC or pulsing DC input. It was named after the British and Irish physicists John Douglas Cockcroft and Ernest Thomas Sinton Walton, who in 1932 used this circuit design to power their particle accelerator, performing the first artificial nuclear disintegration in history. They used this voltage multiplier cascade for most of their research, which in 1951 won them the Nobel Prize in Physics for "Transmutation of atomic nuclei by artificially accelerated atomic particles". The circuit was developed in 1919, by Heinrich Greinacher, a Swiss physicist. For this reason, this doubler cascade is sometimes also referred to as the Greinacher multiplier. Cockcroft–Walton circuits are still used in particle accelerators. They also are used in everyday electronic devices that require high voltages, such as X ray machines and photocopiers.
Операция
CW генераторлары – AC немесе импульстік DC электр қуатын төмен кернеу деңгейінен жоғары DC кернеу деңгейіне түрлендіретін кернеу көбейтуші. Ол жоғары кернеуді жасау үшін конденсаторлар мен диодтардан құралған кернеу көбейтуші сатылы тізбектерден тұрады. Трансформаторлардан айырмашылығы, бұл әдіс ауыр өзекті және қажетті оқшаулаудың/құйманың көп бөлігін қажет етпейді. Тек конденсаторлар мен диодтарды пайдалана отырып, бұл кернеу көбейтушілер салыстырмалы түрде төмен кернеулерді өте жоғары мәндерге дейін көтере алады, сонымен бірге трансформаторларға қарағанда әлдеқайда жеңіл және арзан болады. Мұндай тізбектердің ең үлкен артықшылығы – каскадтың әрбір сатысындағы кернеу жарты толқынды түзетушідегі ең жоғары кіріс кернеуінің екі есесіне тең. Толық толқынды түзетушіде ол кіріс кернеуінің үш есесі. Оның артықшылығы – салыстырмалы түрде арзан компоненттерді қажет ету және оқшаулаудың оңай болуы. Сондай-ақ, көп түймелі трансформатордағыдай, кез келген сатыдан шығысты түймелеуге болады. Тізбектің жұмыс істеуін түсіну үшін оң жақтағы екі сатылы нұсқаның схемасын қараңыз. Барлық конденсаторлар бастапқыда зарядталмаған деп есептеңіз, ал тізбек айнымалы кернеумен қуаттанады Vi, яғни Vp шыңымен, қуаттанғаннан кейін 0 вольт және теріс жарты циклмен басталады. Кіріс кернеуі қосылғаннан кейін, кіріс кернеуі Vi төмендеп, теріс шыңы -Vp-ге жақындағанда, ток көзінің төменгі терминалынан, диод D1 арқылы, содан кейін конденсатор C1 арқылы өтіп, оны зарядтайды. Vi соңында теріс шыңына −Vp жетеді, бұл кезде C1 Vp кернеуіне зарядталады. Vi көбейе бастайды – оның туындысы теріс белгіден оңға ауысады. Бұл болған кезде ток бағытын өзгертеді, өйткені жүктеме толығымен сыйымдылық болып табылады, сондықтан ток кернеуден шамамен 90°-қа қалыс қалады. Vi өсіп, оң шыңы +Vp-ге жақындағанда, ток көзінің жоғарғы терминалынан C1 (оны разрядтайды), диод D2 арқылы және соңында конденсатор C2 (оны зарядтайды) арқылы өтеді. Ақырында, Vi +Vp-ге жетеді, ал оған C1 кернеуін қосқанда (қазір ол +Vp-ден сәл төмен), біз 2Vp-ге жуық кернеуді аламыз – бұл C2 зарядталған кернеу. Бұл кезеңде D1 диоды кері бұрылыс алады, сондықтан ол арқылы ток өте алмайды. Vi қайтадан төмендей бастағанда (теріс), ток көзінің төменгі терминалынан C2 (оны разрядтайды), диод D3 арқылы, C3 арқылы (оны 2Vp-ге жуық кернеуге дейін зарядтайды) және соңында C1 арқылы (бұрынғы кезеңде ішінара разрядталғаннан кейін Vp-ге дейін қайта зарядтайды) өтеді. Кейбір кернеулер C1 және C3 ғана емес, C1 де түсіп кеткендіктен, C3 2Vp-ге бірден зарядталмайды, бірақ тек кейінгі итерацияларда. Бұл C1 және Vp үшін де қолданылады. Сонымен қатар, осы кезеңде C2 алдыңғы фазадағы C1 сияқты 2Vp төмен кернеуге разрядталады. Келесі кезеңде ол зарядталады. Vi қайтадан көбейе бастағанда, ток көзінің жоғарғы терминалынан C1 және C3 (оларды разрядтайды), D4 диоды арқылы C4 (оны 2Vp-ге жуық кернеуге дейін зарядтайды) және соңында C2 (оны қайта зарядтайды) арқылы өтеді. Бұл кезеңде C1 және C3 Vp және 2Vp төменгі температурада разрядталады және келесі кезеңде зарядталады. Кез келген сәтте не тақ диодтар өткізгіш болады, не жұп диодтар, ешқашан екеуі де. Кіріс кернеуінің туындысының әр өзгеруімен (яғни), ток диодтар арқылы конденсаторлардың "қатарындағы" келесі деңгейге дейін өтеді. Ақырында, АЖ кіріс циклдерінің жеткілікті санынан кейін барлық конденсаторлар зарядталады. (Дәлірек айтқанда, олардың нақты кернеулері идеалды кернеулерге жеткілікті жақын келеді – үнемі АЖ кірісінен кейбір толқындар болады). Барлық конденсаторлар 2Vp кернеуіне зарядталады, C1 – Vp-ге зарядталғаннан басқа. Кернеуді көбейтудің кілті – конденсаторлар қатар зарядталғанда, олар жүктемеге қатар қосылады. C2 және C4 шығыс пен жер арасында қатар қосылғандықтан, жалпы шығыс кернеуі (жүксіз жағдайда) Vo = 4Vp. Бұл тізбекті кез келген санда сатыларға дейін кеңейтуге болады. Ауыспалы шығыс кернеуі – ең жоғары кіріс кернеуінің екі есесі N сатылар санына көбейтіледі немесе эквивалентті түрде ең жоғарыдан ең жоғарыға кіріс кернеуінің ауытқуы (Vpp) сатылар санына көбейтіледі. Тізбекті қарастырудың бір жолы – ол электр зарядын конденсаторлардың қатарына бір бағытта, жоғары қарай айдайды, заряд "сорғысы" ретінде жұмыс істейді. CW тізбегі басқа ұқсас конденсатор тізбектерімен бірге көбінесе зарядтық сорғы деп аталады. Елеулі жүктемелер кезінде конденсатордағы заряд ішінара түсіп кетеді, ал шығыс кернеуі шығыс тогына бөлінген сыйымдылыққа сәйкес төмендейді.
When the input voltage Vi is decreasing and approaching its negative peak −Vp, current flows from the bottom terminal of the source, through diode D1 and then through capacitor C1, charging it. Vi eventually reaches the negative peak −Vp, at which point C1 is charged to a voltage of Vp. Vi then starts increasing ‒ its derivative reverses sign from negative to positive. When this happens, the current reverses its direction, since the load placed on the source is almost purely capacitive and thus current leads voltage by almost 90°. When Vi is increasing and approaching its positive peak +Vp, current flows from the top terminal of the source, through C1 (discharging it), through diode D2, and finally through capacitor C2 (charging it). Eventually, Vi reaches +Vp, and when we add to it the voltage of C1 (which is now slightly below +Vp), we get the resulting voltage of almost 2Vp ‒ this is the voltage to which C2 is charged. In this phase, diode D1 is reverse biased, so no current flows through it. When Vi starts decreasing again ( is negative), current flows from the bottom terminal of the source, through C2 (discharging it), through diode D3, through C3 (charging it to a voltage of almost 2Vp), and finally through C1 (recharging it to Vp, after it was partially discharged in the previous phase). Since some voltage is dropped also on C1 and not just on C3, C3 will not be charged to 2Vp immediately, but only in later iterations. The same applies to C1 and Vp respectively. Also, in this phase, C2 discharges to a voltage below 2Vp, similarly to C1 in the previous phase. It will be recharged in the next phase. When Vi begins to increase again, current flows from the top terminal of the source, through C1 and C3 (discharging them), through diode D4, through C4 (charging it to a voltage of almost 2Vp), and finally through C2 (recharging it). During this phase, C1 and C3 discharge below Vp and 2Vp respectively, and will be recharged in the following phase. At any given moment, either the odd numbered diodes are conducting, or the even numbered ones, never both. With each change in the derivative of input voltage (i. e. ), current flows up to the next level in the "stack" of capacitors through the diodes. Eventually, after a sufficient number of cycles of the AC input, all capacitors will be charged. (More precisely, we should say their actual voltages will converge sufficiently close to the ideal ones ‒ there will always be some ripple from the AC input). All the capacitors are charged to a voltage of 2Vp, except for C1, which is charged to Vp. The key to the voltage multiplication is that while the capacitors are charged in parallel, they are connected to the load in series. Since C2 and C4 are in series between the output and ground, the total output voltage (under no load conditions) is Vo = 4Vp. This circuit can be extended to any number of stages. The no load output voltage is twice the peak input voltage multiplied by the number of stages N or equivalently the peak to peak input voltage swing (Vpp) times the number of stages
The number of stages is equal to the number of capacitors in series between the output and ground. One way to look at the circuit is that it functions as a charge "pump", pumping electric charge in one direction, up the stack of capacitors. The CW circuit, along with other similar capacitor circuits, is often called a charge pump. For substantial loads, the charge on the capacitors is partially depleted, and the output voltage drops according to the output current divided by the capacitance.
Сипаттамалары
Іс жүзінде, КҚ-ның бірқатар кемшіліктері бар. Сатылардың саны артқан сайын, жоғары сатылардағы кернеу "сағыну" құбылысына ұшырайды, бұл негізінен төменгі сатылардағы конденсаторлардың электр кедергісіне байланысты. Сонымен қатар, шығыс тогын беру кезінде сатылардың саны артқан сайын кернеудің тербелісі күрт өседі (мұны шығыс сүзгісімен түзетуге болады, бірақ жоғары кернеуге төтеп беру үшін конденсаторлардың тізбегі қажет). Осы себептерге байланысты, көп сатылы КҚ көбейтушілері салыстырмалы түрде төмен шығыс тогы қажет болған жағдайларда ғана қолданылады. Сағынуды төменгі сатылардағы сыйымдылықты арттыру арқылы, ал тербелісті енгізу жиілігін арттыру және тіктөртбұрышты толқынды пайдалану арқылы азайтуға болады. КҚ-ны жоғары жиілікті көзден, мысалы, инвертордан немесе инвертор мен ЖЖ (HV) трансформаторының комбинациясынан басқару арқылы КҚ қуат көзінің жалпы физикалық көлемі мен салмағын айтарлықтай азайтуға болады. КҚ көбейтушілері әдетте салыстырмалы түрде төмен токпен жұмыс істейтін жоғары кернеуді жасау үшін қолданылады, мысалы, жоғары энергиялық физика эксперименттерінде немесе шағын шығынмен сынау үшін ондаған немесе жүздеген вольттан миллиондаған вольтқа дейінгі кернеулерді жасау үшін қолданылады. КҚ көбейтушілерін лазерлік жүйелерде, жоғары кернеулі қуат көздерінде, рентгендік жүйелерде, CCFL LCD артқы жарықтандыруында, қозғалмалы толқынды құбыр күшейткіштерінде, иондық сорғыларда, электростатикалық жүйелерде, ауа иондаушыларда, бөлшектер үдеткіштерінде, көшіру машиналарында, ғылыми құралдарда, осциллографтарда, теледидарларда және катодты сәулелік құбырларда, электрошокты қаруларда, жәндіктерді жоятындарда және жоғары кернеулі тұрақты ток қолданылатын көптеген басқа да қолдануларда кездестіруге болады. Динамитрон Коккрофт-Уолтон генераторына ұқсас. Алайда, Коккрофт-Уолтон сияқты бір жағынан қуат берудің орнына, сыйымдылық тізбегі параллель түрде жоғары жиілікті тербелістік кернеу арқылы электростатикалық түрде зарядталады, бұл кернеуді тізбектің екі жағында орналасқан ұзын жартылай цилиндрлі электродтар арасында қолданылады, олар диодты түзеткіш түтіктердің әр аяғына бекітілген жартылай дөңгелек тәждік сақиналардағы кернеуді тудырады.