Spanningsverdubbelaar:een goedkoper en lichter alternatief voor transformator-gelijkrichtercircuits

Denkt u erover om een ​​testapparatuur voor hoge gelijkspanning te bouwen? Zo'n apparaat is nodig voor het testen of bouwen van elektronica en apparaten die een hoge gelijkspanning nodig hebben, zoals magnetrons en kathodestraalbuizen. Hoewel het mogelijk is om voor deze taak een step-up transformator en gelijkrichter te gebruiken, zijn transformatoren zware en dure componenten. Als zodanig bieden ze niet de beste oplossing. Een spanningsdubbel is een beter alternatief dat slechts een paar componenten vereist om te monteren. We hebben alle details uiteengezet als u er een wilt bouwen voor uw project. Maar laten we eerst eens kijken naar de definitie en soorten spanningsverdubbelaars.

Wat is een spanningsverdubbelaar?

Een spanningsverdubbelaar is een spanningsvermenigvuldigingsschakeling met een vermenigvuldigingsfactor van twee. Het neemt wisselspanning op als ingang en produceert vervolgens gelijkspanning die gelijk is aan tweemaal de piekingangsspanning.

Door dit te doen, doet het circuit twee dingen. Het neemt de rol van een step-up transformator op zich door de piekwisselspanning en een gelijkrichter te verhogen omdat het wisselstroom omzet in gelijkstroom.

Ontwerp spanningsverdubbelaar

Bron:Wikimedia Commons.

Omdat het spanningsvermenigvuldigers zijn, vormen verdubbelaars de basisbouwstenen of enkele fasen van circuits van hogere orde.

Spanning viervoudig (let op de vier diodes en condensatoren)

Bron:Wikimedia Commons.

U kunt vergelijkbare fasen cascaderen om spanningsverdrievoudigers, verviervoudigingen en meer te maken. Een drievoudige spanning heeft drie diodes en condensatoren, terwijl een viervoudige spanning er vier heeft. Het circuit kan naar boven schalen om de spanning te bereiken die je nodig hebt voor het project.

Hoe werkt een spanningsverdubbelingscircuit?

Een spanningsverdubbelaar heeft vier discrete componenten die de spanning versterken en de stroom in één richting laten vloeien. Dit zijn twee diodes en twee condensatoren.

Spanningsverdubbelingscircuit

Bron:Wikimedia Commons.

Het circuit regelt de componenten om een ​​van de diodes een geleider te maken tijdens elke wisselspanningscyclus. In de positieve halve cyclus blijft diode twee uit, dus slechts één condensator wordt opgeladen tot de AC-piekingangsspanning.

Diode één wordt uitgeschakeld tijdens de negatieve piek, maar diode twee geleidt en laadt de tweede condensator op. Het circuit had echter al condensator één opgeladen in de vorige cyclus. Daarom wordt deze spanning opgeteld bij de inkomende wisselspanning.

Het resultaat is een verdubbeling van de piek AC-spanningsbron bij de tweede condensator, maar dit keer als DC omdat de stroom in één richting zal vloeien.

Als zodanig fungeert een verdubbelaar als een laadpomp, die 2Vin levert.

Soorten spanningsverdubbelaars

• Halve golfspanningsverdubbelaar
• Volledige golfspanningsverdubbelaar

Voordelen van spanningsverdubbelaar

• Een goedkoper en lichter alternatief voor transformatoren.
• Kan een negatieve spanning creëren door de polariteit van de aangesloten diodes en condensatoren om te keren.
• Eenvoudig om de spanningsvermenigvuldigingsfactor te verhogen door identieke spanningsverdubbelaars in het circuit te laten lopen.

DC-spanningsverdubbelingscircuit

Hier komt het beste deel. Als u een DC-spanningsverdubbelingscircuit (halve of volledige golf) wilt bouwen, hebt u de volgende componenten nodig:

• Printplaat (of breadboard en verbindingsdraden)
• Twee diodes
• Twee condensatoren

Dus, hoe werkt het circuit? Laten we in detail kijken naar zowel de halfgolf- als full-wave DC-spanningsverdubbelingscircuits. Maar eerst, hier is hoe de input binnenkomt.

AC-ingangsspanning

Aangezien de AC-golfvorm positieve en negatieve halve cycli heeft, beschrijft de onderstaande uitleg wat er alleen in deze twee cycli gebeurt. De verdubbeling vindt herhaaldelijk plaats terwijl de stroom in het circuit stroomt.

AC-golfvorm die de continue positieve en negatieve halve cycli toont

Vm is de piekspanning en Vin is de ingangsspanning. Vm =Vin bij piekspanning, dus we zullen Vm gebruiken in de vergelijkingen.

Halve golfspanningsverdubbelaar

Met de polariteit zoals weergegeven in het onderstaande diagram, wordt diode D2 door de ingangsspanning omgekeerd. De N-kant wordt aangesloten op de positieve pool, terwijl de P-kant wordt aangesloten op de negatieve pool van de AC-bron.

Halfgolf DC-spanningsverdubbelaar circuitpolariteit tijdens de positieve halve cyclus

Aan de andere kant wordt D1 voorwaarts bevooroordeeld omdat zijn P- en N-zijden respectievelijk aansluiten op de positieve en negatieve aansluitingen.

Daarom kunt u het diagram opnieuw voorstellen alsof diode D1 een kortsluiting vormt (geleidende verbinding) terwijl D2 een open circuit is. U kunt de spanningswet van Kirchhoff gebruiken om de spanning over condensator C1 (Vc1) te verkrijgen.

Vm – Vc1 =0

Dus Vc1 =Vm

Tijdens de negatieve halve cyclus verandert de polariteit, zoals hieronder weergegeven.

Halfgolf DC-spanningsverdubbelaar circuitpolariteit tijdens de negatieve halve cyclus

Tijdens deze golf stelt de Vin diode D2 voorwaarts voor. De N- en P-zijden zijn respectievelijk verbonden met de negatieve en positieve klemmen. D1 wordt echter omgekeerd bevooroordeeld.

Als zodanig kunt u het diagram opnieuw tekenen waarbij D1 een open circuit vormt terwijl D2 een kortsluiting vormt.

Met behulp van de spanningswet van Kirchhoff kunnen we de spanning over condensator C2 bepalen met behulp van deze formule.

-Vm – Vm + Vc2 =0

-Vm is de ingangsspanning (bij negatieve polariteit)

De tweede Vm is de spanning over C1, die tijdens de vorige cyclus is opgeladen.

Daarom Vc2 =Vm + Vm, wat gelijk is aan 2Vm.

Als je een belasting over de condensator C2 aansluit, krijg je twee keer de piekingangsspanning, waardoor het verdubbelingseffect ontstaat.

C1 fungeert als een opslagapparaat omdat het geen retourpad heeft om te ontladen. Maar tijdens de negatieve halve cyclus maakt hij verbinding met de spanningsbron in serie, dus de spanning van de twee bronnen telt op.

Volledige golfspanningsverdubbelaar

Bij een dubbelfasige verdubbelaar meten we de spanning over beide condensatoren C1 en C2. Tijdens de positieve cyclus vertekent Vin voorwaarts D1 maar in tegengestelde richting D2.

Full-wave DC spanningsverdubbelaar circuit polariteit tijdens de positieve halve cyclus

Gedurende deze periode is er geen weerstand over D1, dus kortsluiting en laadt condensator C1 op. D2 werkt echter als een open circuit vanwege zijn hoge weerstand. Daarom wordt C2 niet in rekening gebracht.

Met behulp van de wet van Kirchhoff,

Vm – Vc1 =0

Daarom, Vc1 =Vm

In de negatieve halve cyclus wordt D1 in tegengestelde richting voorgespannen, maar de polariteit voorwaartse voorspanning D2.

Full-wave DC-spanningsverdubbelaar circuitpolariteit tijdens de negatieve halve cyclus

De wet van Kirchhoff toepassen,

-Vm + Vc2 =0

Dus Vc2 =Vm

Onthoud dat C1 in de vorige cyclus is opgeladen, dus beide hebben de piekspanning Vm. Als u dus een belasting over beide condensatoren aansluit, krijgt u 2 Vm.

Wat is het verschil?

Als je naar de vergelijkingen kijkt, lijken ze enigszins op elkaar, dus wat is het verschil tussen een halve golf en een full-wave spanningsverdubbelaar?

Eerstgenoemde laadt condensator Cl tijdens de eerste cyclus en ontlaadt deze vervolgens tijdens de tweede cyclus. Het creëert het probleem van het produceren van een rimpelspanning die gelijk is aan de voedingsfrequentie, waardoor het moeilijk wordt om de rimpelfrequentie af te vlakken. Daarom is de uitgangsspanningscurve niet erg soepel.

Rimpelspanningsdiagram voor en na het afvlakken

Bron:Wikipedia

Een dubbelfasige spanningsverdubbelaar werkt echter meer als twee halfgolfgelijkrichters. Daarom is de uitgangsspanningscurve vloeiender.

Het is vermeldenswaard dat we bij zowel halve als volledige circuits moeten aannemen dat de condensatoren C1 en C2 aanvankelijk geen lading hebben.

Toepassingen van spanningsverdubbelaar

• Ionenpompen
• Televisie CRT
• Röntgensystemen
• Kopieerapparaat
• Radarapparatuur
• Reizende golfbuizen
• Magnetronovens
• Bugzappers

Samenvatting

Kortom, spanningsverdubbelaars zijn essentiële circuits in veel apparaten omdat ze goedkoop te maken zijn en niet zo veel wegen als transformatoren.

Dat gezegd hebbende, produceren de transformator-gelijkrichtercircuits veel vloeiendere DC-uitgangsspanningscurven, maar gezien de voor- en nadelen van elk, hebben spanningsverdubbelaars het voordeel.

Bovendien kunt u filtercircuits aan de verdubbelaar toevoegen om de uitvoer af te vlakken zodat deze overeenkomt met een combinatie van transformator en gelijkrichter.

Als je de componenten nodig hebt om deze circuits te maken, neem dan contact met ons op om ze tegen onverslaanbare en betaalbare prijzen te krijgen.