VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2016

Описаны схемы высоковольтного выпрямления с умножением напряжения. Они предназначены для получения мощных коронарных разрядов. Рассмотрены схемы удвоения, учетверения и учетверения с трансформатором напряжения. Выбран оптимальный вариант высоковольтного выпрямителя для применения их в литейном производстве. Описана конструкция.

With the rectification circuit voltage multiplication Yeroshenko EV AMGPGU, Komsomolsk-on-Amur, Russia

Description high voltage rectification circuit multiplying the voltage. They are designed for high-power corona discharge. The schemes to double, quadruple and quadruple voltage transformer. Choose the best option for the high-voltage rectifier their application in foundries. The design.

Для решения задач описанных в работе [1] при проведении литейных работ с расплавом алюминия использовался высоковольтный преобразователь «РАЗРЯД 1» из коллекции школьного физического кабинета. Рабочее напряжение для создания коронного разряда 25 кV. Напряжение питания 12 V. При этом использовалась схема электродов игла-плоскость. При этом плоский электрод выполняло зеркало расплава алюминия в форме воздействие положительным коронным разрядом в течении 20 секунд. Достигалось упрочнение материала на 30 % от контрольной отливки. Неудобство использования «РАЗРЯДА 1» заключается в том, что он не выдерживает длительной экспозиции, что приводит к пробою изоляции трансформатора. В этой связи нами проведено исследование по созданию высоковольтного трансформатора на базе источника питания наружной рекламы, к которому входное напряжение 220V, а выходное 10 кV переменного напряжения. Для получения постоянного выходного напряжения в 20 кV и более мы рассмотрели 5 вариантов схем.

Схема с удвоением напряжения.

Рис. 1. Схемы удвоения напряжения:а — двухтактная с трансформатором; б — графики напряжений; в — однотактная бестрансформаторная схема

Для повышения выпрямленного напряжения при заданном напряжении на вторичной обмотке трансформатора применяют схемы выпрямления с одновременным умножением напряжения. Их часто применяют также для упрощения конструкции повышающего трансформатора, так как умножением напряжения можно уменьшить коэффициент трансформации, а следовательно, и размеры обмоток трансформатора будут уменьшены. Практически чаще всего используют схемы с удвоением напряжения, но принципиально возможна любая кратность умножения.

На рис. 1а показана наиболее употребительная схема удвоения напряжения. Ее можно представить как сочетание двух однотактных схем выпрямления, соединенных последовательно по постоянному току. Каждая из однотактных схем создает на одном из конденсаторов С₁ или С₂ выпрямленное напряжение, равное 0,5U_o, а сопротивление нагрузки Rn подключено к конденсаторам C₁ и С₂, соединенным последовательно так, что нагрузка находится под напряжением U_o. При этом во время одного полупериода ток идет через вентиль В₁ и заряжает конденсатор С₁, а во время другого полупериода ток идет через вентиль В₂ и заряжает конденсатор С₂. В те части полупериодов, когда ток отсекается и через вентили не проходит, конденсаторы поочередно разряжаются на нагрузку. Все ранее оказанное о пульсации выпрямленного тока в схемах с емкостной нагрузкой остается в силе и в этом случае.

При отсутствии тока нагрузки, т. е. при очень большом сопротивлении нагрузки, конденсаторы почти не разряжаются и напряжение на каждом из них может стать равным амплитуде напряжения на вторичной обмотке трансформатора, а суммарное напряжение на последовательно соединенных конденсаторах будет равно:U_{o макс} = U_{2 макс} = 2*1,41U₂, где U₂ — действующее напряжение на вторичной обмотке трансформатора.

При включенной нагрузке это напряжение меньше U_{o макс}.Величина пульсации напряжения на нагрузке зависит от емкости конденсаторов С₁ и С₂, а также от сопротивления нагрузки Rn - Очевидно, что чем больше ток нагрузки, тем больше должна быть емкость конденсаторов, иначе каждый из конденсаторов быстро разрядится и пульсация напряжения на нагрузке станет чрезмерной. Этим и объясняется, что такая схема выпрямления применяется при малых токах нагрузки и относительно высоких напряжениях. Сравнив схемы, приведенные на рис. 1а и 1б, можно сделать вывод, что обе они действуют приблизительно одинаково: в той и другой выпрямляются токи обеих полуволн напряжения и пульсация выпрямленного напряжения происходит с удвоенной частотой по сравнению с частотой тока питания. Таким образом, схема рис. 1а — двухтактная. Для нее действительны графики, приведенные на рис. 1б.На рис. 1в приведена однотактная бестрансформаторная схема удвоения напряжения. Ее также можно применять в сочетании с трансформатором. Действие схемы сводится к следующему. В течение части положительного полупериода выпрямляемого тока конденсатор C₁ заряжается через вентиль В₁ до напряжения U_макс - В полупериод, когда вентиль В₁ не проводит тока вследствие отрицательной полярности напряжения, приложенного к его аноду, ток протекает через вентиль B₂ и конденсатор С₂, причем в этой цепи действуют два последовательно включенных напряжения: напряжение на входе выпрямителя и напряжение на конденсаторе С₁. В результате в предельном случае Конденсатор С₂ может зарядиться до напряжения 2U_макс. При заряде конденсатора С₂ происходит разряд конденсатора С₁. Если эти процессы закончатся к моменту, когда наступит следующий положительный полупериод выпрямляемого тока, то вентиль В₁ отопрется и конденсатор С₁ снова зарядится, т. е. описанный процесс повторится. Таким образом, напряжение на конденсаторе С₂ будет каждый период повышаться при его заряде и понижаться при разряде на сопротивление нагрузки. Следовательно, частота пульсаций выпрямленного напряжения равна частоте выпрямляемого тока[2]. Описанный процесс выпрямления с удвоением напряжения верен только с качественной стороны, так как количественные соотношения напряжений на конденсаторах зависят от их емкости и постоянных времени заряда и разряда, а также от соотношения этих времен с периодом выпрямляемого тока. Часто конденсатор С₂ используется в режиме накопления; при этом напряжение на нем достигает максимального значения не за один период выпрямляемого тока, а за несколько периодов. В таком случае между конденсатором С₂ и сопротивлением нагрузки включается Г-образный RC-фильтр с большой постоянной времени заряда[3].

Однотактные схемы выпрямления с умножением напряжения.

Рис. 2. Однотактные схемы выпрямления с умножением напряжения:а —схема утроения напряжения; б — схема учетверения напряжения; в — схема учетверения напряжения с трансформатором

Для утроения выпрямленного напряжения можно использовать схему, показанную на рис. 2а. Процесс выпрямления и умножения напряжения в этой схеме протекает следующим образом. Когда анод вентиля В₁ имеет положительный потенциал относительно катода, через вентиль протекает ток и конденсатор С₁ заряжается до амплитудного значения входного напряжения U_макс. Во второй полупериод входного напряжения, когда полярность входного напряжения изменяется на противоположную, вентиль В₁ запирается, а в цепи вентиля В₂ действует удвоенное напряжение, равное сумме входного напряжения и напряжения на конденсаторе С₁. В результате конденсатор С₂ заряжается до напряжения 2U_макс через вентиль В₂. В следующий (третий) полупериод вентиль B₂ оказывается запертым, вентиль В₁ отпирается и конденсатор С₁ снова заряжается до напряжения U_макс Одновременно конденсатор С₃ заряжается от конденсатора С₂ через вентиль В₃ до напряжения 2U_макс. В результате к нагрузке оказываются подключенными последовательно соединенные конденсаторы С₁ и С₃, которые создают на ней напряжение, приблизительно равное

3U_макс. Для этого требуется время, равное 1,5 Т, т. е. три полупериода выпрямляемого тока. Частота пульсации напряжения на конденсаторах равна частоте выпрямляемого тока[4]. Очевидно, что приведенные рассуждения верны только при правильном выборе емкостей конденсаторов и их постоянных времени заряда и разряда. При этом напряжение на нагрузке оказывается меньше указанного (3U_макс) так как конденсаторы успевают несколько разрядиться. На рис. 2б приведена однотактная схема выпрямления с одновременным умножением выпрямленного напряжения в четыре раза. Процессы выпрямления в этой схеме аналогичны описанным выше. Часть схемы, включающая вентили В₁, В₂ и конденсаторы С₁, С₂, подобна схеме удвоения напряжения. В результате действия этой части схемы на конденсаторе С₂ возникает напряжение 2U_макс. Этот конденсатор, разряжаясь через вентили B₁, B₃ (когда анод вентиля B₃ положителен, т е во время заряда конденсатора С₁), заряжает конденсатор С₃ до напряжения 2U_макс. В следующий полупериод выпрямляемого тока, когда вентиль В₃ запирается, а вентиль В₂отпирается, происходит заряд конденсатора С₄ до напряжения 2U_макс от конденсатора С₃ через вентили B₄ — В₂ - В результате сопротивление нагрузки, подключенное к последовательно соединенным конденсаторам С₂ — С₄, оказывается под напряжением 4U_макс. Сопоставляя описанные схемы, можно видеть, что для умножения в 2 раза требуется иметь в схеме 2 вентиля и 2 конденсатора; для утроения требуется 3 вентиля и 3 конденсатора; для учетверения — 4 вентиля и 4 конденсатора. В самом общем случае кратность умножения определяет необходимое число вентилей и конденсаторов. Например, для умножения в 10 раз потребуются 10 вентилей и 10 конденсаторов. При этом напряжение на выходе выпрямителя нарастает до максимального значения за время — где T — период выпрямляемого тока, М — кратность умножения напряжения (2, 3, 4 и т. д.). Легко понять, что схема рис. 2в по принципу действия не отличается от описанной схемы рис. 2б. Имеющийся в схеме трансформатор облегчает подбор необходимого значения напряжения на входе выпрямителя[5].

ЛИТЕРАТУРА

1. Оглоблин Г.В., Скырник А.А.,Стулов В.В.,Вильдяйкин Г.Ф. ВОЗДЕЙСТВИЕ КОРОННОГО РАЗРЯДА НА ЖИДКИЙ МЕТАЛЛ // Научный электронный архив. URL: http://econf.rae.ru/article/6852 (дата обращения: 25.12.2015).

2. Иванов-Цыганов А.И. Электротехнические устройства радиосистем: Учебник. - Изд. 3-е, перераб. и доп.-Мн: Высшая школа, 200

3. Алексеев О.В., Китаев В.Е., Шихин А.Я. Электрические устройства/Под ред. А.Я.Шихина: Учебник. - М.: Энергоиздат, 200- 336 с.

4. Березин О.К., Костиков В.Г., Шахнов В.А. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры. - М.: Три Л, 2000. - 400 с.

5. Шустов М.А. Практическая схемотехника. Источники питания и стабилизаторы. Кн. 2. - М.: Альтекс а, 2002. -191 с.

Код для цитирования: Скопировать