כשפותרים בעיות במעגלים, יש מקרים שבהם יש צורך להתרחק מהשימוש בשנאים כדי להגביר את מתח המוצא. הסיבה לכך מתבררת לרוב כחוסר האפשרות לכלול ממירי מדרגה במכשירים בשל מחווני המשקל והגודל שלהם. במצב כזה, הפתרון הוא להשתמש במעגל מכפיל.
הגדרת מכפיל מתח
התקן, שפירושו מכפיל חשמל, הוא מעגל המאפשר להמיר AC או מתח פועם ל-DC, אך בעל ערך גבוה יותר. העלייה בערך הפרמטר במוצא המכשיר עומדת ביחס ישר למספר השלבים של המעגל. מכפיל המתח היסודי ביותר שקיים הומצא על ידי המדענים קוקקרופט ו-וולטון.
קבלים מודרניים שפותחו על ידי תעשיית האלקטרוניקה מאופיינים בגודל קטן ובקיבול גדול יחסית. זה איפשר לבנות מחדש מעגלים רבים ולהכניס את המוצר למכשירים שונים. מכפיל מתח הורכב על דיודות וקבלים המחוברים לפי הסדר שלהם.
בנוסף לפונקציה של הגדלת החשמל, מכפילים ממירים אותו בו-זמנית מ-AC ל-DC. זה נוח בכך שהמעגלים הכוללים של המכשיר מפושטים והופך להיות אמין וקומפקטי יותר. בעזרת המכשיר ניתן להגיע לעלייה של עד כמה אלפי וולט.
היכן נעשה שימוש במכשיר
מכפילים מצאו את היישום שלהם בסוגים שונים של מכשירים, אלה הם: מערכות שאיבת לייזר, התקני קרינת גלי רנטגן ביחידות המתח הגבוה שלהם, להארה אחורית של צגי גביש נוזלי, משאבות מסוג יונים, מנורות גל נודדות, מיינני אוויר, מערכות אלקטרוסטטיות, מאיצי חלקיקים, מכונות העתקה, טלוויזיות ואוסילוסקופים עם קינסקופים, וכן היכן שנדרש חשמל DC גבוה וזרם נמוך.
עקרון מכפיל המתח
כדי להבין כיצד המעגל מתפקד, עדיף להסתכל על פעולתו של מה שנקרא המכשיר האוניברסלי. כאן מספר השלבים אינו מצוין במדויק, וחשמל הפלט נקבע על ידי הנוסחה: nUin=Uout, כאשר:
- n הוא מספר שלבי המעגל הקיימים;
- Uin הוא המתח המופעל על הקלט של המכשיר.
ברגע הזמן הראשוני, כאשר חצי הגל החיובי הראשון, למשל, מגיע למעגל, דיודת שלב הכניסה מעבירה אותו אל הקבל שלה. האחרון נטען לאמפליטודה של החשמל הנכנס. עם שלילי שניחצי גל, הדיודה הראשונה סגורה, והמוליך למחצה של השלב השני נותן לו לעבור אל הקבל שלו, שגם הוא טעון. בנוסף, המתח של הקבל הראשון, המחובר בסדרה עם השני, מתווסף למתח האחרון והפלט של המפל כבר כפול חשמל.
אותו דבר קורה בכל שלב עוקב - זה העיקרון של מכפיל מתח. ואם מסתכלים על ההתקדמות עד הסוף, מתברר שחשמל הפלט עולה על הקלט במספר מסוים של פעמים. אבל כמו בשנאי, עוצמת הזרם כאן תקטן עם עלייה בהפרש הפוטנציאל - גם חוק שימור האנרגיה פועל.
שכימה לבניית מכפיל
כל השרשרת של המעגל מורכבת מכמה חוליות. קישור אחד של מכפיל המתח על הקבל הוא מיישר מסוג חצי גל. כדי להשיג את המכשיר, יש צורך בשני קישורים מחוברים בסדרה, שלכל אחד מהם יש דיודה וקבל. מעגל כזה הוא מכפיל חשמל.
הייצוג הגרפי של התקן מכפיל המתח בגרסה הקלאסית נראה עם המיקום האלכסוני של הדיודות. כיוון ההפעלה של המוליכים למחצה קובע איזה פוטנציאל - שלילי או חיובי - יהיה קיים בפלט של המכפיל ביחס לנקודה המשותפת שלו.
על ידי שילוב מעגלים עם פוטנציאל שלילי וחיובי, מתקבל מעגל כפול מתח דו-קוטבי במוצא המכשיר. תכונה של בנייה זו היא שאם אתה מודד את הרמהחשמל בין הקוטב לנקודה המשותפת והוא עולה על מתח הכניסה פי 4, ואז גודל המשרעת בין הקטבים תגדל פי 8.
במכפיל, הנקודה המשותפת (המחוברת לחוט המשותף) תהיה זו שבה היציאה של מקור האספקה מחוברת ליציאה של קבל המקובץ עם קבלים אחרים המחוברים בסדרה. בסופם, החשמל המוצא נלקח על אלמנטים זוגיים - במקדם זוגי, על קבלים אי-זוגיים, בהתאמה, במקדם אי-זוגי.
קבלים שאיבה במכפיל
במילים אחרות, במכשיר של מכפיל המתח הקבוע, קיים תהליך חולף מסוים של הגדרת פרמטר הפלט המתאים לזה המוצהר. הדרך הקלה ביותר לראות זאת היא על ידי הכפלת החשמל. כאשר, דרך המוליך למחצה D1, הקבל C1 נטען במלוא הערך שלו, אז בחצי הגל הבא, הוא, יחד עם מקור החשמל, מטעין בו זמנית את הקבל השני. ל-C1 אין זמן לוותר לחלוטין על הטעינה שלו ל-C2, כך שלפלט אין בתחילה הפרש פוטנציאל כפול.
בחצי הגל השלישי, הקבל הראשון נטען מחדש ולאחר מכן מחיל פוטנציאל על C2. אבל למתח על הקבל השני כבר יש כיוון הפוך לראשון. לכן, קבל המוצא אינו טעון במלואו. עם כל מחזור חדש, החשמל באלמנט C1 יפנה לכניסה, מתח C2 יכפיל את גודלו.
איךחשב מכפיל
בעת חישוב התקן הכפל, יש צורך להתחיל מהנתונים ההתחלתיים, שהם: הזרם הנדרש לעומס (In), מתח המוצא (Uout), מקדם האדוות (Kp). ערך הקיבול המינימלי של רכיבי קבלים, מבוטא ב-uF, נקבע על ידי הנוסחה: С(n)=2, 85nIn/(KpUout), כאשר:
- n הוא מספר הפעמים שהחשמל הקלט מוגדל;
- In - זרם זורם בעומס (mA);
- Kp – מקדם פעימה (%);
- Uout - מתח שהתקבל במוצא המכשיר (V).
הגדלת הקיבול המתקבל בחישובים פי שניים או שלוש, משיגים את ערך הקיבול של הקבל בכניסה של מעגל C1. ערך זה של האלמנט מאפשר לך לקבל מיד את הערך המלא של המתח במוצא, ולא לחכות עד שיעבור מספר מסוים של תקופות. כאשר עבודת העומס אינה תלויה בקצב עליית החשמל לתפוקה הנומינלית, ניתן לקחת את הקיבול של הקבל זהה לערכים המחושבים.
הטוב ביותר לעומס אם מקדם האדוות של מכפיל מתח הדיודה אינו עולה על 0.1%. הנוכחות של אדוות עד 3% היא גם משביעת רצון. כל הדיודות של המעגל נבחרות מהחישוב כך שיוכלו לעמוד בחופשיות בחוזק זרם כפול מערכו בעומס. הנוסחה לחישוב המכשיר ברמת דיוק גבוהה נראית כך: nUin - (In(n3 + 9n2/4 + n/2)/(12 f C))=Uout, כאשר:
- f – תדר מתח בכניסת המכשיר (Hz);
- C - קיבול קבלים (F).
הטבות וחסרונות
אם כבר מדברים על היתרונות של מכפיל המתח, אנו יכולים לציין את הדברים הבאים:
היכולת לקבל כמויות משמעותיות של חשמל במוצא - ככל שיותר חוליות בשרשרת, כך מקדם הכפל יהיה גדול יותר
- פשטות העיצוב - הכל מורכב על קישורים סטנדרטיים ורכיבי רדיו אמינים שלעיתים רחוקות נכשלים.
- משקל – היעדר אלמנטים מגושמים כגון שנאי כוח מפחית את גודל ומשקל המעגל.
החיסרון הגדול ביותר של כל מעגל מכפיל הוא שאי אפשר לקבל ממנו זרם פלט גדול כדי להפעיל את העומס.
מסקנה
בחירת מכפיל מתח למכשיר מסוים. חשוב לדעת שלמעגלים מאוזנים יש פרמטרים טובים יותר מבחינת אדוות מאשר לא מאוזנים. לכן, עבור מכשירים רגישים כדאי יותר להשתמש במכפילים יציבים יותר. א-סימטרי, קל להכנה, מכיל פחות אלמנטים.
