Внимание! Это ознакомительный вариант работы с системой, войдите или зарегистрируйтесь.
Размещение рекламы | Пользовательское соглашение | Тарифы
, Гость!
Режим : Trial 
Войти...
Регистрация...

Для организаций:
информационный буклет


Институт повышения квалификации специалистов релейной защиты и автоматики

  Союз образовательных сайтов
Онлайн Электрик > Электронная конференция «Электроэнергетика. Новые технологии»

Дата приоритета: 11.03.2014
Код ГРНТИ: 44.29.29
Сертификат участника: Скачать
Прислать статью

Особенности работы умножителя напряжения при питании напряжением различной формы и частоты

Цариашвили А.А.
СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

Первые труды, посвященные основам работы схем выпрямления с умножением напряжения вентильно-конденсаторного типа или просто умножителей напряжения (УН), встречаются ещё в 30-х годах двадцатого века. Источники питания на основе УН встречаются во многих сферах технологий, таких как: рентгеновская техника, установки ионизации и озонаторы, радиолокация и навигация и др. [1]. Отечественные работы имеют очень хорошее описание работы таких схем от синусоидального источника питания промышленной частоты, например [2]. Несмотря на это, вопрос использования УН при питании от инверторов с произвольной формой сигнала изучен недостаточно. Ситуация усугубляется взглядом на УН исключительно как на устройство, состоящее из множества каскадов и питаемое синусоидальным сигналом промышленной частоты 50 Гц, хотя развитие инверторов дает богатые возможности по применению УН в современной технике.

Многие учебники подробно останавливаются на недостатках УН. Утверждается, что у них большие пульсации выходного напряжения, плохая стабильность по напряжению и нагрузочная способность. Не смотря на это, из зарубежной литературы известны удачные решения по применению "утроителей" и "учетверителей" напряжения в телевизорах [3]. Как утверждается в [3], свойства умножителей существенно улучшаются при питании от прямоугольных импульсов напряжения высокой частоты. При питании от инвертора, работающего в ключевом режиме, с частотой переключения в 1 кГц, и тем более 20 кГц, УН заслуживает переоценки своих возможностей. Повышается стабильность напряжения и улучшается его фильтрация. Как известно, очень хорошая стабильность может быть обеспечена и при синусоидальных колебаниях при увеличении емкостей конденсаторов. Однако, этот путь всегда приводит к существенному увеличению габаритов источника питания.

Большинство работ посвященных УН, за редким исключением [4] написаны достаточно давно и не рассматривают их работу совместно с инверторами напряжения. Вместе с тем поиск оптимальной структуры источника питания на основе УН не возможен без исследования его поведения на разных частотах при разной форме питающего напряжения.

Современные программные средства, такие как программа схемотехнического расчета Micro-Cap, позволяют провести качественный анализ работы УН (рисунок 1). На вход УН, состоящего из 8-ми каскадов, подавалось напряжение разной формы одинаковой амплитуды, после чего контролировались выходные параметры схемы. В работе были использованы синусоидальный сигнал, усеченная синусоида (такого рода сигнал получается после простейшего параметрического стабилизатора на стабилитронах), трапеция, прямоугольный (часто является выходным сигналом инвертора работающего в ключевом режиме), прямоугольный с паузой и треугольный (нарастающий фронт, резкий спад до нуля).

По результатам эксперимента было установлено, что амплитуда выходного сигнала мало зависит от формы сигнала, поступающего на вход схемы (табл. 1). (увеличение напряжения представлено в виде относительных единиц) Наибольшая амплитуда выпрямленного напряжения соответствует прямоугольному сигналу. При этом, синусоидальный сигнал имеет наименьшее значение выпрямленного напряжения. Наименьшая пульсация напряжения у треугольного сигнала.

Рисунок 1 Схема трехкаскадного УН, выполненная в среде Micro-Cap

Таблица 1 Амплитуда и диапазон пульсаций выпрямленного напряжения УН

Сигнал

Синусоида

Усеченная синусоида

Трапеция

Прямоугольный

Прямоугольный с паузой

Треугольный

Uвых

3,2548

3,3000

3,4889

3,5563

3,5013

3,4694

ΔUвых

0,6121

0,6209

0,6346

0,6532

0,6002

0.5469

Рассмотрим также поведение схемы при изменении частоты питающего напряжения. На вход схем, состоящих из двух и четырех каскадов, подавались синусоидальные и прямоугольные сигналы с амплитудой ±30В различных частот: 50 Гц (промышленная частота), 400 Гц (часто встречается в различных сетях, например корабельной), 1кГц и 20 кГц (часто встречаются в электронике). В таблице 2 и 3 представлены: действующее напряжение на выходе, размах пульсаций напряжения, действующее напряжение при уменьшении входного напряжения на 17% (5 В) и коэффициент нестабильности (или нестабильность) по напряжению δUн , %. Нестабильность по напряжению δUн определяется при заданном входном изменении входного питающего напряжения на величину ΔUвх и Iн = const:

Согласно полученным результатам, амплитуда выходного сигнала несущественно увеличивается при увеличении частоты, также несущественно уменьшаются пульсации выходного напряжения. Питание прямоугольным сигналом имеет мало отличий от питания синусоидальным сигналом.

Таблица 2 Выходные параметры для схемы из двух каскадов

Тип Сигнала

f=50 Гц

f=400 Гц

Uн, В

ΔUн, В

Uн, В
(
ΔUвх=-5В)

ΔUн, %

Uн, В

ΔUн, В

Uн
(
ΔUвх=-5В)

ΔUн, %

Синусоида

116,9

0,78

16,7

97,3

118,4

0,11

98,5

16,8

Прямоугольный

117,8

0,70

16,7

98,1

119,1

0,11

99,1

16,7

Тип Сигнала

f=1 кГц

f=20 кГц

Uн, В

ΔUн, В

Uн, В
(
ΔUвх=-5В)

ΔUн, %

Uн, В

ΔUн, В

Uн
(
ΔUвх=-5В)

ΔUн, %

Синусоида

118,4

0,07

195,7

16,8

118,24

0,18

98,3

16,9

Прямоугольный

119,1

0,07

197,1

16,7

119,0

0,19

98,9

16,7

Таблица 3 Выходные параметры для схемы из четырех каскадов

Тип Сигнала

f=50 Гц

f=400 Гц

Uн, В

ΔUн, В

Uн, В
(ΔUвх=-5В)

ΔUн, %

Uн, В

ΔUн, В

Uн
(ΔUвх=-5В)

ΔUн, %

Синусоида

215,1

4,35

178,9

16,8

233,7

0,69

194,5

16,8

Прямоугольный

217,1

4,42

180,8

16,7

235,3

0,71

195,9

16,7

Тип Сигнала

f=1 кГц

f=20 кГц

Uн, В

ΔUн, В

Uн, В
(ΔUвх=-5В)

ΔUн, %

Uн, В

ΔUн, В

Uн
(ΔUвх=-5В)

ΔUн, %

Синусоида

235,3

0,37

195,7

16,8

235,7

0,18

195,8

16,9

Прямоугольный

236,6

0,38

197,0

16,7

237,0

0,19

197,3

16,7

Последний этап исследования - проверка стабильности выходного напряжения при изменении сопротивления нагрузки. На вход схемы, состоящей из четырех каскадов подавали прямоугольное напряжение с аналогичной амплитудой и набором частот, что и в предыдущем случае. Полученные результаты сведены в таблицу 4.

Как следует из результатов эксперимента, при повышении частоты входного напряжения, спад амплитуды выходного напряжения и амплитуды пульсаций выходного напряжения существенно уменьшается. Это говорит о возможности повысить уровень выходных токов, а значит и мощность всего источника питания.

Таблица 4 Выходные параметры схемы при изменении сопротивления нагрузки

Сопротивление

1 ГОм

0,5 ГОм

0,1 ГОм

0,01 ГОм

Uн, В (f= 50Гц)

217,1

200,3

123,9

41,0

ΔUн, В

4,42

7,91

22,93

29,99

Uн, В (f= 400Гц)

235,3

232,5

212,8

110,4

ΔUн, В

0,71

1,25

5,00

25,73

Uн, В (f= 1кГц)

236,6

235,5

226,9

164,1

ΔUн, В

0,38

0,59

2,25

16,43

Uн, В (f= 20кГц)

237,0

236,9

236,1

231,1

ΔUн, В

0,19

0,19

0,27

1,19

Анализ полученных результатов позволяет сделать следующие выводы:

- Значение выходного постоянного напряжения умножителя и его пульсации слабо зависят от формы входного напряжения.

- При большом количестве каскадов УН, его характеристики на частоте 1 и 20 кГц существенно улучшаются по сравнению с промышленной частотой. Дальнейшее увеличение частоты нецелесообразно из-за паразитных параметров элементов схемы.

- Входное напряжение прямоугольной формы является наиболее тяжелым режимом работы по току для диодов в каскадах умножителя, что существенно при переходном режиме, однако конденсаторы в схеме УН имеют большее время накопления заряда. Разработчикам следует предусмотреть ограничение пусковых токов диодов УН.

- Повышение частоты дает возможность повысить значение выходных токов схемы т.е. нагрузочную способность ИП.

Таким образом можно заключить, что наиболее оптимально питание УН напряжением частотой 1 или 20 кГц.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ланцов В., Владимиров Е. Мощные высоковольтные источники питания // Силовая электроника. 2010. № 5, с. 64-70.

2. Балабух А.И. Источники питания с умножителями напряжения для электронно-лучевой технологии. // Изв. вузов СССР. Электромеханика. 1984, №99.

3. Irving M. Gottlieb Power Supplies, Switching Regulators, Inverters, and Converters, 2nd edition. – «McGraw-Hill», 1994

4. Блинов Ю. И., Балабух А. И., Васильев А. Г. Влияние формы напряжения входного источника на режим работы умножителя напряжения. // Изв. СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Сер. «Электротехника» Вып. №1 2004г. с. 54-56



Библиографическая ссылка на статью:
Цариашвили А.А. Особенности работы умножителя напряжения при питании напряжением различной формы и частоты // Онлайн Электрик: Электроэнергетика. Новые технологии, 2014.–URL: http://www.online-electric.ru/articles.php?id=117 (Дата обращения: 27.02.2017)

Библиографическая ссылка на ресурс "Онлайн Электрик":
Алюнов, А.Н. Онлайн Электрик [Электронный ресурс] / А.Н. Алюнов. - Режим доступа: http://online-electric.ru.


____________
Комментарии:





Наши достижения:


Дистанционые курсы
Повышение квалификации по программе БС-6 "Безопасность строительства и качество устройства электрических сетей и линий связи" (удостоверение гос. образца)
www.online-electric.ru

Профессиональная переподготовка
Дистанционные курсы профессиональной переподготовки по программе «Проектирование, монтаж и эксплуатация систем электроснабжения»
www.online-electric.ru

SaaS, Облачные вычисления, программа расчета, пример расчета, Электроснабжение загородного дома, промышленных предприятий, электроснабжение дома, коттеджа, квартиры, электроснабжение зданий, цеха, города, микрорайона. Проект электроснабжения, электрификация, электрофикация, система электроснабжения, схемы электроснабжения, учебник по электроснабжению, договор электроснабжения, расчет электроснабжения, надежность электроснабжения, категории электроснабжения, промышленное электроснабжение, электрификация сельского хозяйства, проектирование электроснабжения онлайн!
Побелитель Конкурса Электросайт года                  
© ОНЛАЙН ЭЛЕКТРИК: Онлайн расчеты электрических систем Online-electric.ru, 2008-2017
© А.Н. Алюнов, 2008-2017 Свидетельство №16066 от 23.08.2010 года