Multiplicateur de tension par 8. Redresseurs multiplicateurs de tension

De plus en plus souvent, les radioamateurs s'intéressent aux circuits de puissance construits sur le principe de la multiplication de tension. Cet intérêt est associé à l'apparition sur le marché de condensateurs miniatures à haute capacité et au coût croissant du fil de cuivre, utilisé pour enrouler les bobines des transformateurs. Un avantage supplémentaire des appareils mentionnés réside dans leurs petites dimensions, ce qui réduit considérablement les dimensions finales de l'équipement conçu. Qu'est-ce qu'un multiplicateur de tension ? Cet appareil est constitué de condensateurs et de diodes connectés d'une certaine manière. Il s’agit essentiellement d’un convertisseur de tension alternative d’une source basse tension en haute tension continue. Pourquoi avez-vous besoin d’un multiplicateur de tension continue ?

Champ d'application

Un tel dispositif a trouvé de nombreuses applications dans les équipements de télévision (dans les sources de tension anodiques des tubes cathodiques), les équipements médicaux (pour alimenter les lasers de haute puissance) et dans la technologie de mesure (instruments de mesure des rayonnements, oscilloscopes). De plus, il est utilisé dans les appareils de vision nocturne, les appareils à électrochocs, les équipements ménagers et de bureau (photocopieurs), etc. Le multiplicateur de tension a acquis une telle popularité en raison de sa capacité à générer une tension allant jusqu'à des dizaines, voire des centaines de milliers de volts, et ceci avec des dimensions et un poids réduits de l'appareil. Un autre avantage important des appareils mentionnés est leur facilité de fabrication.

Types de circuits

Les dispositifs considérés sont divisés en symétriques et asymétriques, en multiplicateurs du premier et du deuxième type. Un multiplicateur de tension symétrique est obtenu en connectant deux circuits asymétriques. Dans un tel circuit, la polarité des condensateurs (électrolytes) et la conductivité des diodes changent. Le multiplicateur symétrique présente les meilleures caractéristiques. L'un des principaux avantages est la valeur doublée de la fréquence d'ondulation de la tension redressée.

Principe d'opération

La photo montre le circuit le plus simple d'un appareil demi-onde. Considérons le principe de fonctionnement. Lorsqu'un demi-cycle négatif de tension est appliqué, le condensateur C1 commence à se charger à travers la diode ouverte D1 jusqu'à la valeur d'amplitude de la tension appliquée. Au moment où commence la période de l'onde positive, le condensateur C2 est chargé (à travers la diode D2) au double de la tension appliquée. Au début de l'étape suivante du demi-cycle négatif, le condensateur C3 est chargé - également à deux fois la valeur de tension, et lorsque le demi-cycle change, le condensateur C4 est également chargé à la valeur spécifiée. L'appareil démarre sur plusieurs périodes complètes de tension alternative. La sortie est une quantité physique constante, qui est la somme des indicateurs de tension des condensateurs C2 et C4 successifs et constamment chargés. En conséquence, nous obtenons une valeur quatre fois supérieure à celle de l'entrée. C'est le principe sur lequel fonctionne un multiplicateur de tension.

Calcul du circuit

Lors du calcul, il est nécessaire de définir les paramètres requis : tension de sortie, puissance, tension d'entrée alternative, dimensions. Certaines restrictions ne doivent pas être négligées : la tension d'entrée ne doit pas dépasser 15 kV, sa fréquence varie de 5 à 100 kHz, la valeur de sortie ne doit pas dépasser 150 kV. Dans la pratique, des appareils d'une puissance de sortie de 50 W sont utilisés, bien qu'il soit réaliste de concevoir un multiplicateur de tension avec une valeur de sortie proche de 200 W. La valeur de la tension de sortie dépend directement du courant de charge et est déterminée par la formule :

U sortie = N*U entrée - (I (N3 + +9N2 /4 + N/2)) / 12FC, où

I - courant de charge ;

N - nombre d'étapes ;

F - fréquence de tension d'entrée ;

C est la capacité du générateur.

Ainsi, si vous définissez la valeur de la tension de sortie, du courant, de la fréquence et du nombre de pas, il est possible de calculer la valeur requise

L'article décrit les principales options pour les multiplicateurs de tension utilisés dans une grande variété d'appareils électroniques et fournit des ratios calculés. Ce matériel intéressera les radioamateurs impliqués dans le développement d'équipements utilisant des multiplicateurs.

Les multiplicateurs sont largement utilisés dans les appareils électroniques modernes. Ils sont utilisés dans les équipements de télévision et médicaux (sources de tension anodiques pour tubes cathodiques, alimentation pour lasers de faible puissance), dans les équipements de mesure (oscilloscopes, instruments de mesure du niveau et des doses de rayonnement radioactif), dans les appareils de vision nocturne et les appareils à électrochocs. , les appareils électroniques domestiques et de bureau (ioniseurs, "lustre de Chizhevsky", photocopieurs) et de nombreux autres domaines technologiques. Cela s'est produit grâce aux principales propriétés des multiplicateurs - la capacité de générer une tension élevée, jusqu'à plusieurs dizaines et centaines de milliers de volts, avec de petites dimensions et un faible poids. Un autre avantage important est leur facilité de calcul et de fabrication.

Un multiplicateur de tension se compose de diodes et de condensateurs connectés d'une certaine manière et est un convertisseur de tension alternative d'une source basse tension en courant continu haute tension.

Le principe de son fonctionnement ressort clairement de la Fig. 1, qui montre le circuit d'un multiplicateur demi-onde. Considérons les processus qui s'y déroulent étape par étape.

Pendant la tension alternée négative, le condensateur C1 est chargé via la diode ouverte VD1 jusqu'à la valeur d'amplitude de la tension appliquée U. Lorsqu'une tension alternée positive est appliquée à l'entrée du multiplicateur, le condensateur C2 est chargé via la diode ouverte VD2. à une tension de 2Ua. Au cours de l'étape suivante - l'alternance négative - le condensateur C3 est chargé via la diode VD3 à une tension de 2U. Et enfin, lors de l'alternance positive suivante, le condensateur C4 est chargé à une tension de 2U.

Bien évidemment, le multiplicateur démarre sur plusieurs périodes de tension alternative. La tension de sortie constante est la somme des tensions sur les condensateurs C2 et C4 connectés en série et constamment rechargés et s'élève à 4Ua.

Montré sur la Fig. 1 multiplicateur fait référence aux multiplicateurs en série. Il existe également des multiplicateurs de tension parallèles qui nécessitent moins de capacité de condensateur par étage de multiplicateur. En figue. La figure 2 montre un schéma d'un tel multiplicateur demi-onde.

Les multiplicateurs en série sont les plus couramment utilisés. Ils sont plus universels, la tension sur les diodes et les condensateurs est répartie uniformément et un plus grand nombre d'étages de multiplication peuvent être mis en œuvre. Les multiplicateurs parallèles ont aussi leurs avantages. Cependant, leur inconvénient, tel qu'une augmentation de la tension sur les condensateurs avec une augmentation du nombre d'étages de multiplication, limite leur utilisation à une tension de sortie d'environ 20 kV.

En figue. Les figures 3 et 4 montrent des circuits de multiplicateurs pleine onde. Les avantages du premier (Fig. 3) sont les suivants : seule une tension d'amplitude est appliquée aux condensateurs C1, C3, la charge sur les diodes est uniforme et une bonne stabilité de la tension de sortie est obtenue. Le deuxième multiplicateur, dont le circuit est représenté sur la Fig. 4. Ils se distinguent par des qualités telles que la capacité de fournir une puissance élevée, la facilité de fabrication, une répartition uniforme de la charge entre les composants et un grand nombre d'étapes de multiplication.

Le tableau montre les valeurs de paramètres typiques et le champ d'application des multiplicateurs de tension.

Lors du calcul d'un multiplicateur, vous devez définir ses principaux paramètres : tension de sortie, puissance de sortie, tension alternative d'entrée, dimensions requises, conditions de fonctionnement (température, humidité).

De plus, il est nécessaire de prendre en compte certaines restrictions : la tension d'entrée ne peut pas dépasser 15 kV, la fréquence de la tension alternative est limitée entre 5... 100 kHz. tension de sortie - pas plus de 150 kV, plage de température de fonctionnement de -55 à +125 * C et humidité - 0...100 %. Dans la pratique, des multiplicateurs d'une puissance de sortie allant jusqu'à 50 W sont développés et utilisés, bien que des valeurs de 200 W ou plus soient réellement réalisables.

La tension de sortie du multiplicateur dépend du courant de charge. À condition que la tension et la fréquence d'entrée soient constantes, elles sont déterminées par la formule : Uout = N · Nin - /12FC, où I est le courant de charge. UN; N est le nombre d'étages multiplicateurs ; F - fréquence de tension d'entrée. Hz ; C est la capacité du condensateur d'étage, f. Réglage de la tension de sortie, du courant. fréquence et nombre d'étages, à partir de là, la capacité requise du condensateur d'étage est calculée.

Cette formule est donnée pour calculer le multiplicateur série. En parallèle, pour obtenir le même courant de sortie, la capacité requise est moindre. Ainsi, si le condensateur série a une capacité de 1 000 pF, alors un multiplicateur parallèle à trois étages nécessitera une capacité de 1 000 pF / 3 = 333 pF. Dans chaque étape suivante d'un tel multiplicateur, des condensateurs avec une tension nominale plus élevée doivent être utilisés.

La tension inverse sur les diodes et la tension de fonctionnement des condensateurs du multiplicateur série sont égales à la pleine oscillation de la tension d'entrée.

Lors de la mise en œuvre pratique d'un multiplicateur, une attention particulière doit être accordée au choix de ses éléments, à leur placement et à leurs matériaux isolants. La conception doit fournir une isolation fiable pour éviter l'apparition d'une décharge corona, ce qui réduit la fiabilité du multiplicateur et conduit à sa défaillance.

S'il est nécessaire de changer la polarité de la tension de sortie, la polarité des diodes doit être inversée.

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Ce processus est illustré dans la figure suivante :

La zone où les condensateurs C sont chargés est marquée en bleu et la zone en rouge est celle où ils libèrent la charge accumulée vers le condensateur C1 et la charge.

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Bonne soirée. Peu importe mes efforts, je n'ai pas pu utiliser les formules données pour la figure 1.2 pour déterminer les valeurs des capacités des condensateurs C1 et C2 avec les valeurs de données données dans votre tableau (Uin ~ 220V, Uout 15V, Iout 100mA, f 50Hz). J'ai un problème, allumez la bobine d'un relais DC de petite taille à une tension de fonctionnement de -25V dans un réseau ~220V, le courant de fonctionnement de la bobine est I= 35mA. Peut-être que je ne fais pas quelque chose

Actuellement, de nombreux appareils radioamateurs populaires contiennent multiplicateur de tension, convertissant la tension du réseau électrique 220 V en haute tension 2000...4000 V. Il peut s'agir d'appareils destinés à lutter contre les cafards, d'appareils d'ionisation de l'air. Les schémas de tels dispositifs ont été publiés à plusieurs reprises dans la littérature sur les radioamateurs, par exemple dans.

Dans les appareils destinés à la fabrication d'un multiplicateur haute tension, qui constitue la partie principale de ces conceptions, des pièces modernes de petite taille sont utilisées, de sorte que les dimensions de ces appareils sont insignifiantes. Cependant, il convient de noter que presque toutes les pièces haute tension de petite taille incluses dans le multiplicateur haute tension sont assez coûteuses.

Il n’est souvent pas nécessaire de produire une version réduite de ces appareils. Dans ce cas, pour fabriquer un multiplicateur de tension, vous pouvez utiliser d'anciens composants radio ayant une tension de fonctionnement élevée - 600, 1000, 2000 V, mais aussi de grandes dimensions. Il peut s'agir d'anciens condensateurs comme MBG, d'anciennes colonnes de diodes haute tension comme D1004-D1010 et de composants radio similaires du siècle dernier, qui ne sont plus utilisés dans la technologie moderne et sont vendus sur les marchés radio à bas prix. Le coût des appareils fabriqués à partir d’anciens composants radio sera également faible.

Dans les multiplicateurs haute tension simples, la tension initiale pour la multiplication ultérieure est prélevée directement du réseau électrique 220 V. Cependant, dans le cas de l'utilisation de pièces haute tension pour construire des multiplicateurs de tension, il est conseillé d'utiliser la tension de multiplication initiale non de le réseau électrique domestique, mais augmenté plusieurs fois, autant que possible résister aux pièces haute tension utilisées. L'utilisation d'une tension d'entrée accrue à l'entrée du multiplicateur réduira le nombre d'étages de multiplication et réduira ainsi le nombre de pièces utilisées pour construire un multiplicateur de tension.

Le moyen le plus simple de « multiplier » initialement la tension du réseau est d'utiliser la méthode de résonance, comme le montre la Fig. 1. Comme le montre cette figure, le multiplicateur de tension résonante est un circuit série qui a une résonance dans la région de fréquence de 50 Hz. Par conséquent, il y aura une augmentation de la tension sur les éléments de ce circuit, sur la bobine ou le condensateur. Elle sera d'autant plus élevée que la résonance du circuit sera proche de la fréquence de 50 Hz utilisée dans le réseau électrique. Cependant, il est nécessaire d'éviter l'égalité des fréquences de résonance du réseau et du circuit, car dans ce cas il y aura une tension extrêmement élevée sur les éléments du circuit L1 et C1, ce qui peut conduire à une défaillance de ces éléments.

La self de filtre d'un téléviseur ou d'un récepteur à tube est utilisée comme inductance L1. Les selfs de filtre ne sont désormais presque jamais utilisées nulle part et leur coût sur les marchés est faible. Il est tout à fait possible d'utiliser comme L1 l'enroulement primaire d'un transformateur réseau de petite taille, ou l'enroulement anodique d'un ancien transformateur « son » d'un récepteur à tube ou d'un téléviseur, ou l'enroulement primaire d'un TVC. La capacité du condensateur C1 dépend de la valeur de l'inductance L1 et de la tension initiale souhaitée à l'entrée du multiplicateur de tension. Il est conseillé de sélectionner expérimentalement la capacité du condensateur, à partir de petites valeurs, par exemple à partir de 0,1 μF. La fréquence de résonance du circuit doit être réglée au-dessus de la fréquence du secteur de 50 Hz. Cela aura un effet bénéfique sur les conditions de fonctionnement de la bobine L1. Pour la plupart des selfs de filtre utilisées dans les anciens équipements pour obtenir une tension de résonance comprise entre 600 et 1 000 V, la capacité du condensateur C1 peut être comprise entre 0,25 et 2 μF. Le condensateur C1 doit avoir la tension de fonctionnement la plus élevée possible, en aucun cas elle ne doit être inférieure à la tension existant sur le condensateur lors de la résonance.

La tension la plus élevée sera sur l'un des éléments du circuit illustré à la figure 1 et sur l'élément qui a une résistance plus élevée au courant alternatif de 50 Hz. Dans notre cas, lorsque la fréquence de résonance du circuit est supérieure à la fréquence du réseau, il s'agira d'un condensateur. Le condensateur aura une tension plus élevée que l'inductance - c'est une condition importante pour un fonctionnement fiable et à long terme de cet élément.

Comme déjà noté, il est tout à fait possible d'obtenir une tension sur le condensateur C1 comprise entre 600... 1000 V. Cela permettra d'utiliser un doubleur de tension plutôt qu'un quadrupleur dans le circuit. Un simple doubleur de tension est illustré à la figure 2. Dans le circuit de, au lieu de multiplier la tension du secteur par 8, vous pouvez tripler la tension existant sur le condensateur C1 (voir Fig. 1). Un simple quadrant de tension est représenté sur la figure 3. Dans certains cas, il est conseillé d'utiliser un circuit quadrupleur de tension, illustré à la Fig. 4. Naturellement, lors de la conception de tels multiplicateurs, il ne faut pas oublier qu'ils doivent être connectés à une source haute tension via des résistances de limitation de courant d'une résistance d'au moins 1 MOhm. Cette condition doit être respectée pour travailler en toute sécurité avec des sources de tension haute tension.

Mais multiplier la tension du réseau aux bornes des éléments du circuit résonnant n'est pas toujours la solution optimale. Parfois la situation est différente. Un radioamateur dispose de nombreuses diodes et condensateurs qui ont une tension de fonctionnement relativement faible de 200...300 V. Dans ce cas, un multiplicateur de tension assemblé avec celles-ci ne peut pas être directement connecté à un réseau électrique de 220 V. Après tout, la tension alternative du réseau électrique est de 220 V. le pic atteindra 310 V ! Et cela entraînera une défaillance des composants radio utilisés dans ce multiplicateur de tension !

Dans ce cas, il est rationnel d'utiliser une autre option : réduire la tension à l'entrée du multiplicateur, tout en augmentant le nombre de chaînes multiplicatrices. La tension à l'entrée du multiplicateur peut être abaissée en connectant ce multiplicateur de tension au réseau électrique via un diviseur de tension à condensateur, comme le montre la figure 5. Dans ce cas, le rapport des capacités, et donc leur réactance, déterminera la tension de sortie en sortie du diviseur. Bien entendu, avec l'augmentation du nombre de chaînes multiplicatrices, les dimensions de l'appareil augmenteront. Mais cela peut se justifier par le faible coût des composants utilisés.

Lors de la construction de multiplicateurs de tension, il ne faut pas oublier qu'il n'est pas recommandé de connecter des diodes et des condensateurs en série pour augmenter leur tension de fonctionnement, car la fiabilité d'un tel circuit sera faible. Il est plus sûr de concevoir un multiplicateur de tension en construisant des étages de multiplication.

Littérature

1. Cafard ; cafard, cafard//Gaucher.- 1991. - N° 9. - P.20.

2. Beletski. P. Multiplicateur - Ioniseur d'air//Radio amateur. - 1995.- N°10. -AVEC. 17.

I. Grigoriev, Belgorod