Введение
Электрическая схема, генерирующая высокое постоянное напряжение из низковольтного переменного или импульсного постоянного тока.
Генератор или умножитель Кокрофта — Уолтона (CW) — это электрическая схема, генерирующая высокое постоянное напряжение из низковольтного переменного или импульсного постоянного тока. Он назван в честь британских и ирландских физиков Джона Дугласа Кокрофта и Эрнеста Томаса Синтона Уолтона, которые в 1932 году использовали эту схему для питания своего ускорителя частиц, осуществив первое искусственное ядерное расщепление в истории. Они использовали этот каскад умножителя напряжения для большинства своих исследований, за что в 1951 году им была присуждена Нобелевская премия по физике за «трансмутацию атомных ядер искусственно ускоренными атомными частицами». Схема была разработана в 1919 году швейцарским физиком Генрихом Гринахером. Поэтому этот каскад удвоения напряжения иногда также называют умножителем Гринахера. Схемы Кокрофта — Уолтона до сих пор используются в ускорителях частиц. Они также применяются в повседневных электронных устройствах, требующих высокого напряжения, таких как рентгеновские аппараты и копировальные аппараты.
Операция
Генератор постоянного тока — это умножитель напряжения, преобразующий переменное или импульсное постоянное электрическое питание с низкого уровня напряжения в более высокий уровень напряжения постоянного тока. Он состоит из лестничной сети умножителя напряжения из конденсаторов и диодов для генерации высокого напряжения. В отличие от трансформаторов, этот метод устраняет необходимость в тяжелом сердечнике и большом объеме изоляции/заливки. Используя только конденсаторы и диоды, эти умножители напряжения могут повышать относительно низкие напряжения до чрезвычайно высоких значений, при этом будучи значительно легче и дешевле трансформаторов. Основное преимущество таких схем заключается в том, что напряжение на каждой ступени каскада равно всего лишь удвоенному пиковому входному напряжению в полуволновом выпрямителе. В полноволновом выпрямителе оно в три раза больше входного напряжения. Преимуществом является использование относительно недорогих компонентов и простота изоляции. Также можно снимать выходное напряжение с любой ступени, как в трансформаторе с несколькими отводами. Чтобы понять принцип работы схемы, обратитесь к схеме двухступенчатой версии справа. Предположим, что все конденсаторы изначально разряжены, и схема питается переменным напряжением Vi таким образом, что , то есть с пиковым значением Vp, которое после включения питания равно 0 вольт и начинается с отрицательного полуцикла. После включения входного напряжения.
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.
Когда входное напряжение Vi уменьшается и приближается к своему отрицательному пику −Vp, ток течет от нижнего вывода источника через диод D1 и затем через конденсатор C1, заряжая его. Vi в конечном итоге достигает отрицательного пика −Vp, в этот момент C1 заряжается до напряжения Vp. Затем Vi начинает увеличиваться — его производная меняет знак с отрицательного на положительный. Когда это происходит, ток меняет направление, поскольку нагрузка на источник почти чисто емкостная, и, следовательно, ток опережает напряжение почти на 90°. Когда Vi увеличивается и приближается к своему положительному пику +Vp, ток течет от верхнего вывода источника через C1 (разряжая его), через диод D2 и, наконец, через конденсатор C2 (заряжая его). В конечном итоге Vi достигает +Vp, и, прибавляя к нему напряжение C1 (которое сейчас немного ниже +Vp), мы получаем результирующее напряжение почти 2Vp — до этого напряжения заряжается C2. В этой фазе диод D1 заперт в обратном направлении, поэтому ток через него не течет. Когда Vi снова начинает уменьшаться (становится отрицательным), ток течет от нижнего вывода источника через C2 (разряжая его), через диод D3, через C3 (заряжая его до напряжения почти 2Vp) и, наконец, через C1 (перезаряжая его до Vp после частичной разрядки на предыдущей фазе). Поскольку некоторое напряжение падает также на C1, а не только на C3, C3 не будет заряжаться до 2Vp немедленно, а только на более поздних итерациях. То же самое относится и к C1 и Vp соответственно. Кроме того, в этой фазе C2 разряжается до напряжения ниже 2Vp, аналогично C1 на предыдущей фазе. Он будет перезаряжен на следующем этапе. Когда Vi снова начинает увеличиваться, ток течет от верхнего вывода источника через C1 и C3 (разряжая их), через диод D4, через C4 (заряжая его до напряжения почти 2Vp) и, наконец, через C2 (перезаряжая его). В этой фазе C1 и C3 разряжаются ниже Vp и 2Vp соответственно и будут перезаряжены на следующем этапе. В любой момент времени проводят либо диоды с нечетными номерами, либо диоды с четными номерами, но никогда оба одновременно. С каждой сменой производной входного напряжения (то есть ) ток течет до следующего уровня в "стопке" конденсаторов через диоды. В конечном итоге, после достаточного количества циклов переменного входного напряжения, все конденсаторы будут заряжены. (Точнее, следует сказать, что их фактические напряжения сойдутся достаточно близко к идеальным — всегда будет некоторая пульсация от переменного входного напряжения). Все конденсаторы заряжены до напряжения 2Vp, за исключением C1, который заряжен до Vp. Ключ к умножению напряжения заключается в том, что, хотя конденсаторы заряжаются параллельно, они соединены с нагрузкой последовательно. Поскольку C2 и C4 соединены последовательно между выходом и землей, общее выходное напряжение (в режиме холостого хода) составляет Vo = 4Vp. Эта схема может быть расширена до любого количества ступеней. Выходное напряжение в режиме холостого хода в два раза больше пикового входного напряжения, умноженного на количество ступеней N, или, эквивалентно, на размах входного напряжения от пика до пика (Vpp), умноженный на количество ступеней.
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.
Количество ступеней равно количеству конденсаторов, соединенных последовательно между выходом и землей. Один из способов взглянуть на схему заключается в том, что она функционирует как "насос" заряда, перекачивающий электрический заряд в одном направлении вверх по "стопке" конденсаторов. Схема CW, наряду с другими аналогичными конденсаторными схемами, часто называется насосом заряда. При существенных нагрузках заряд на конденсаторах частично истощается, и выходное напряжение падает в соответствии с выходным током, деленным на емкость.
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.
Характеристики
На практике схема Коккрофта-Уолтона (CW) имеет ряд недостатков. По мере увеличения числа каскадов напряжения на верхних каскадах начинают "проседать", главным образом из-за электрического импеданса конденсаторов в нижних каскадах. И при снятии выходного тока пульсации напряжения быстро возрастают с увеличением числа каскадов (это можно скорректировать выходным фильтром, но для этого потребуется батарея конденсаторов, способная выдерживать высокие напряжения). По этим причинам умножители CW с большим числом каскадов используются только там, где требуется относительно небольшой выходной ток. Проседание напряжения можно уменьшить, увеличив емкость в нижних каскадах, а пульсации – увеличив частоту входного сигнала и используя прямоугольную форму волны. Питание CW от высокочастотного источника, такого как инвертор, или комбинации инвертора и высоковольтного трансформатора, может существенно уменьшить общие физические размеры и вес блока питания CW. Умножители CW обычно используются для получения более высоких напряжений в приложениях с относительно небольшим током, таких как напряжения смещения в диапазоне от десятков или сотен вольт до миллионов вольт для экспериментов в области физики высоких энергий или испытаний на устойчивость к ударам молнии. Умножители CW также применяются в лазерных системах, высоковольтных источниках питания, рентгеновских установках, подсветке CCFL LCD, усилителях с движущейся волной, ионных насосах, электростатических системах, ионизаторах воздуха, ускорителях частиц, копировальных аппаратах, научном оборудовании, осциллографах, телевизорах и кинескопах, электрошокерах, уничтожителях насекомых и многих других приложениях, требующих высокого постоянного напряжения. Динамитрон аналогичен генератору Коккрофта-Уолтона. Однако, в отличие от генератора Коккрофта-Уолтона, питаемого с одного конца, ёмкостная лестница заряжается параллельно электростатически высокочастотным осциллирующим напряжением, приложенным между двумя длинными полуцилиндрическими электродами по обе стороны от колонны лестницы, которые индуцируют напряжение в полукруглых коронных кольцах, прикрепленных к каждому концу диодных выпрямительных ламп.