Умножители напряжения — это ключевые элементы в электронике, позволяющие получать высокое постоянное напряжение из источника переменного тока без использования громоздких трансформаторов. Их простота, компактность и эффективность делают их незаменимыми в различных областях, от бытовой техники до научных исследований.

В этой заметке мы рассмотрим одну из самых популярных схем умножителя с некоторыми дополнениями. Здесь будет рассказан принцип его работы, приведена схема и печатная плата умножителя на 12 звеньев, позволяющая увеличить сетевое напряжение с 220 В до 3 кВ, а также — калькулятор для расчёта такой схемы при других входных параметрах.

Во многих приложениях требуется высокое напряжение при относительно низком токе. Умножители напряжения позволяют достичь этого без использования тяжелых и дорогих трансформаторов. Они широко применяются в:

• рентгеновских аппаратах;
• электростатических системах;
• ускорителях частиц;
• лазерных установках;
• копировальных и печатных устройствах;
• телевизорах и осциллографах;
• схемах лавинного режима (пример).

Благодаря своей конструкции, умножители напряжения обеспечивают высокое выходное напряжение при минимальных затратах и размерах. А при правильной эксплуатации также повышается надёжность всего устройства, по сравнению с трансформаторным принципом усиления напряжения.

Существует несколько типов умножителей напряжения, каждый из которых имеет свои особенности и области применения:

• Удвоитель напряжения: простейшая схема, увеличивающая входное напряжение в два раза. При добавлении дополнительных каскадов устройство получает пропорциональное увеличение выходного напряжения.
• Вариацией предыдущей схемы может быть симметричный вариант, преимуществом которого является в два раза большее напряжение на выходе, а недостатком — отсутствие общей шины по входу и выходу.
• Генератор Кокрофта-Уолтона: каскадная схема, позволяющая получить очень высокие напряжения. Широко используется в ускорителях частиц и других научных установках.

Каждый из этих типов умножителей имеет свои преимущества и применяется в зависимости от требований конкретного устройства или системы. В этой заметке мы будем рассматривать самый простой и наиболее популярный — первый несимметричный тип умножителя, с чётным числом каскадов.

Основу умножителя напряжения составляют диоды и конденсаторы, соединенные в определенной последовательности. Во время положительного полупериода переменного тока конденсаторы заряжаются через диоды. В отрицательный полупериод заряд перераспределяется, и напряжение на выходе увеличивается. Каждый дополнительный каскад (звено) умножителя добавляет определенное значение к выходному напряжению. Таким образом, общее выходное напряжение Un становится примерно равным амплитудному значению входного U, умноженному на количество каскадов n (рис.1).

Если же требуется обратная полярность на выходе устройства, все диоды просто разворачиваются на 180 градусов.

Для некоторых исследований требуется постоянное напряжение порядка 3 киловольт. Его можно получить непосредственно из сети 220 В, применяя схему его умножения, состоящую из 12-ти звеньев (рис. 2). Отличительной особенностью здесь являются резисторы R1-R12, стоящие параллельно ёмкостям C1-C12. Они нужны для безопасности эксплуатации данного устройства. Примерно через 10 секунд после отключения от сети, на выходе схемы остаётся безопасное напряжение.

Устройство подключается к сети 220 вольт, причём контакт GND должен быть подключен к нейтрали (N). Тогда на выходе соответствующий контакт GND будет также иметь относительно безопасный потенциал нейтрали. Лучшим решением будет подключение схемы к трансформатору ЛАТР, где возможна регулировка выходного напряжения. В этом случае вы получаете высоковольтный источник напряжения, которое может регулироваться в диапазоне от нуля до 3000 В.

Пример применения такой схемы вы можете найти здесь.

Все конденсаторы C1-C12, резисторы R1-R12 и диоды D1-D12, одинаковые. Конденсаторы можно взять марки CBB22 на 630 или более вольт. При данных параметрах схемы они должны быть ёмкостью 3.3 мкФ. Для увеличения выходного тока можно просто нарастить ёмкость конденсатора. Однако в этом случае придётся немного изменить печатную плату, чтобы разместить более крупные элементы.

Для этой схемы подойдут любые диоды с напряжением 1000 В и током 1 А. Хорошо зарекомендовали себя диоды марки FR207. Резисторы лучше выбрать SMD типоразмера 2512.

Приведенная выше элементная база используется в следующей печатной плате умножителя размерами 201*46 мм (Multiplier). Дополнительно доступен комплект для изготовления делителя напряжения с 3 кВ на 300 В (Divider), необходимый для измерения выходного напряжения умножителя при помощи обычного тестера.

Небольшое дополнение. В результате экспериментов было определено, что более оптимальный номинал резисторов R1-R12 должен составлять от 2.7 до 3 МОм.

Вы можете самостоятельно изготовить прибор в любом подходящем корпусе. Автор выполнил его при помощи 3D-принтера, добавив в схему высоковольтный вольтметр и милиамперметр для лучшей визуализации его работы.

При монтаже можно применить специальный высоковольтный провод. Но поскольку напряжения в схеме не превышают 3 кВ, то все провода можно поместить в двойной кембрик.

Размещение такого прибора в корпусе защищает плату от пыли и случайного попадания других материалов, что для высоковольтной части иногда может быть критичным.

Примечание к калькулятору. Входное напряжение здесь подразумевается действующее. Выходной ток — это ток через подключённую к выходу умножителя нагрузку. Он влияет на выходное напряжение, поэтому его нужно обязательно учитывать при расчёте. Диапазон значений этого тока можно увеличить, если увеличить ёмкость конденсаторов. Такое изменение также приведёт к уменьшению выходных пульсаций.

От выходного тока, а также от ёмкости конденсаторов, зависит и максимальный ток через диоды. Таким образом, диод нужно выбирать под этот ток, и под удвоенное амплитудное значение входного напряжения, которое также приводится в выходных данных калькулятора. Это же значение напряжения можно использовать для выбора максимального напряжения конденсатора.

Время нарастания выходного напряжения — это время, за которое на выходе умножителя будет достигнуто 95% заявленного напряжения. Дело в том, что цепочка из конденсаторов заряжается последовательно и на этот процесс требуется время.

Эффективность умножителя начинает снижаться, когда число звеньев превышает двенадцать.

⚠️ В статье описывается устройство для умножения сетевого напряжения до 3 кВ (3000 В). Работа с сетевым и особенно с высоковольтным оборудованием смертельно опасна и может привести к поражению электрическим током, тяжелым ожогам, пожару, пробою изоляции и разрушению компонентов.

Повторение конструкции допускается только специалистами, имеющими опыт работы с высокими напряжениями, при строгом соблюдении правил электробезопасности и использовании подходящих изоляционных материалов и измерительного оборудования.

Автор не несет ответственности за травмы, ущерб или иные последствия, связанные с попытками самостоятельной сборки, настройки или эксплуатации устройства.