ในการแก้ปัญหาวงจร มีบางครั้งที่จำเป็นต้องหลีกหนีจากการใช้หม้อแปลงไฟฟ้าเพื่อเพิ่มแรงดันไฟขาออก สาเหตุส่วนใหญ่มักเกิดจากความเป็นไปไม่ได้ที่จะรวมสเต็ปอัพคอนเวอร์เตอร์ในอุปกรณ์เนื่องจากตัวบ่งชี้น้ำหนักและขนาด ในสถานการณ์เช่นนี้ วิธีแก้ไขคือใช้วงจรตัวคูณ
นิยามตัวคูณแรงดัน
อุปกรณ์ซึ่งหมายถึงตัวคูณไฟฟ้าคือวงจรที่ให้คุณแปลงไฟฟ้ากระแสสลับหรือแรงดันไฟฟ้าเป็นจังหวะเป็น DC ได้ แต่มีค่าสูงกว่า การเพิ่มขึ้นของค่าพารามิเตอร์ที่เอาต์พุตของอุปกรณ์นั้นแปรผันตรงกับจำนวนสเตจของวงจร ตัวคูณแรงดันไฟฟ้าพื้นฐานที่สุดที่มีอยู่ถูกคิดค้นโดยนักวิทยาศาสตร์ Cockcroft และ W alton
ตัวเก็บประจุสมัยใหม่ที่พัฒนาโดยอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์มีลักษณะเฉพาะด้วยขนาดที่เล็กและความจุค่อนข้างใหญ่ ทำให้สามารถสร้างวงจรขึ้นมาใหม่และแนะนำผลิตภัณฑ์ไปยังอุปกรณ์ต่างๆ ได้ ตัวคูณแรงดันไฟฟ้าถูกประกอบบนไดโอดและตัวเก็บประจุที่เชื่อมต่อตามลำดับ
นอกจากฟังก์ชั่นการเพิ่มไฟฟ้าแล้ว ตัวคูณยังแปลงจาก AC เป็น DC พร้อมกันอีกด้วย วิธีนี้สะดวกตรงที่วงจรโดยรวมของอุปกรณ์นั้นเรียบง่ายและเชื่อถือได้และกะทัดรัดยิ่งขึ้น ด้วยความช่วยเหลือของอุปกรณ์นี้ คุณสามารถเพิ่มโวลต์ได้ถึงหลายพันโวลต์
อุปกรณ์ที่ใช้
ตัวคูณพบการใช้งานในอุปกรณ์ประเภทต่างๆ ได้แก่ ระบบปั๊มเลเซอร์ อุปกรณ์รังสีคลื่นเอ็กซ์เรย์ในหน่วยไฟฟ้าแรงสูง สำหรับจอแสดงผลคริสตัลเหลวแบ็คไลท์ ปั๊มประเภทไอออน โคมไฟคลื่นเคลื่อนที่ เครื่องสร้างไอออไนซ์ในอากาศ ระบบไฟฟ้าสถิต เครื่องเร่งอนุภาค เครื่องถ่ายเอกสาร โทรทัศน์และออสซิลโลสโคปพร้อมกล้องส่องทางไกล ตลอดจนบริเวณที่ต้องการไฟฟ้ากระแสตรงสูงที่มีกระแสไฟต่ำ
หลักการของตัวคูณแรงดัน
เพื่อให้เข้าใจว่าวงจรทำงานอย่างไร มาดูการทำงานของอุปกรณ์อเนกประสงค์ที่เรียกว่าดีกว่ากัน ในที่นี้ไม่ได้ระบุจำนวนขั้นที่แน่นอน และกำลังไฟฟ้าออกจะถูกกำหนดโดยสูตร: nUin=Uout โดยที่:
- n คือจำนวนวงจรที่มีอยู่;
- Uin คือแรงดันไฟที่ใช้กับอินพุตของอุปกรณ์
ในช่วงเวลาเริ่มต้น เมื่อครั้งแรกที่พูดว่าครึ่งคลื่นบวกมาถึงวงจร ไดโอดสเตจอินพุตจะส่งผ่านไปยังตัวเก็บประจุ หลังถูกเรียกเก็บตามแอมพลิจูดของกระแสไฟฟ้าที่เข้ามา ด้วยค่าลบที่สองไดโอดตัวแรกปิดครึ่งคลื่นและเซมิคอนดักเตอร์ของสเตจที่สองปล่อยให้ไปที่ตัวเก็บประจุซึ่งมีประจุอยู่ด้วย นอกจากนี้ แรงดันไฟฟ้าของตัวเก็บประจุตัวแรกที่ต่อแบบอนุกรมกับตัวที่สองจะถูกเพิ่มเข้ากับตัวสุดท้ายและเอาต์พุตของคาสเคดนั้นมีกระแสไฟฟ้าเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า
สิ่งเดียวกันเกิดขึ้นในแต่ละขั้นต่อไป - นี่คือหลักการของตัวคูณแรงดันไฟฟ้า และถ้าคุณดูความคืบหน้าจนจบ ปรากฎว่ากระแสไฟขาออกเกินอินพุตเป็นจำนวนเท่าๆ กัน แต่เช่นเดียวกับในหม้อแปลงไฟฟ้า ความแรงของกระแสที่นี่จะลดลงตามความต่างศักย์ที่เพิ่มขึ้น - กฎการอนุรักษ์พลังงานก็ใช้ได้เช่นกัน
แผนการสร้างตัวคูณ
โซ่ทั้งวงจรประกอบขึ้นจากหลายลิงค์ ลิงค์หนึ่งของตัวคูณแรงดันไฟฟ้าบนตัวเก็บประจุคือวงจรเรียงกระแสแบบครึ่งคลื่น ในการรับอุปกรณ์ จำเป็นต้องมีลิงก์ที่เชื่อมต่อแบบอนุกรมสองชุด ซึ่งแต่ละลิงก์มีไดโอดและตัวเก็บประจุ วงจรดังกล่าวเป็นไฟฟ้าทวีคูณ
การแสดงกราฟิกของอุปกรณ์ตัวคูณแรงดันไฟฟ้าในเวอร์ชันคลาสสิกจะมีลักษณะเป็นแนวทแยงของไดโอด ทิศทางของการเปิดเครื่องเซมิคอนดักเตอร์กำหนดศักยภาพ - ลบหรือบวก - จะปรากฏที่เอาต์พุตของตัวคูณที่สัมพันธ์กับจุดร่วม
เมื่อรวมวงจรที่มีศักย์ไฟฟ้าลบและขั้วบวกเข้าด้วยกัน จะได้วงจรดับเบิ้ลแรงดันไฟสองขั้วที่เอาต์พุตของอุปกรณ์ คุณลักษณะของการก่อสร้างนี้คือถ้าคุณวัดระดับกระแสไฟฟ้าระหว่างขั้วกับจุดร่วมและเกินแรงดันไฟฟ้าขาเข้า 4 เท่า จากนั้นขนาดแอมพลิจูดระหว่างขั้วจะเพิ่มขึ้น 8 เท่า
ในตัวคูณ จุดร่วม (ซึ่งเชื่อมต่อกับสายสามัญ) จะเป็นจุดที่เอาต์พุตของแหล่งจ่ายเชื่อมต่อกับเอาต์พุตของตัวเก็บประจุที่จัดกลุ่มกับตัวเก็บประจุที่เชื่อมต่อแบบอนุกรมอื่นๆ ในตอนท้าย ไฟฟ้าเอาท์พุตจะถูกนำไปใช้กับองค์ประกอบคู่ - ที่ค่าสัมประสิทธิ์คู่ บนตัวเก็บประจุคี่ตามลำดับ ที่ค่าสัมประสิทธิ์คี่
ปั๊มตัวเก็บประจุในตัวคูณ
กล่าวอีกนัยหนึ่ง ในอุปกรณ์ของตัวคูณแรงดันคงที่ มีกระบวนการชั่วคราวบางอย่างในการตั้งค่าพารามิเตอร์เอาต์พุตที่สอดคล้องกับค่าที่ประกาศไว้ วิธีที่ง่ายที่สุดในการดูสิ่งนี้คือการเพิ่มไฟฟ้าเป็นสองเท่า เมื่อผ่านเซมิคอนดักเตอร์ D1 ตัวเก็บประจุ C1 จะถูกชาร์จจนเต็ม จากนั้นในครึ่งคลื่นถัดไป ตัวเก็บประจุตัวที่สองจะชาร์จพร้อมกับแหล่งกำเนิดไฟฟ้าพร้อมๆ กัน C1 ไม่มีเวลาที่จะเลิกใช้ประจุ C2 อย่างสมบูรณ์ ดังนั้นในตอนแรกผลลัพธ์จึงไม่มีความต่างศักย์สองเท่า
ในครึ่งคลื่นลูกที่สาม ตัวเก็บประจุตัวแรกถูกชาร์จใหม่ จากนั้นใช้ศักยภาพกับ C2 แต่แรงดันไฟฟ้าของตัวเก็บประจุที่สองมีทิศทางตรงกันข้ามกับตัวแรกอยู่แล้ว ดังนั้นตัวเก็บประจุเอาต์พุตจึงไม่ถูกชาร์จจนเต็ม ในแต่ละรอบใหม่ กระแสไฟฟ้าบนองค์ประกอบ C1 จะมีแนวโน้มเป็นอินพุต แรงดันไฟฟ้า C2 จะเพิ่มเป็นสองเท่า
อย่างไรคำนวณตัวคูณ
เมื่อคำนวณอุปกรณ์การคูณ จำเป็นต้องเริ่มจากข้อมูลเบื้องต้น ได้แก่ กระแสที่จำเป็นสำหรับโหลด (In) แรงดันขาออก (Uout) ค่าสัมประสิทธิ์การกระเพื่อม (Kp) ค่าความจุต่ำสุดขององค์ประกอบตัวเก็บประจุที่แสดงเป็น uF ถูกกำหนดโดยสูตร: С(n)=2, 85nIn/(KpUout) โดยที่:
- n คือจำนวนครั้งที่ไฟฟ้าเข้าเพิ่มขึ้น
- In - กระแสไหลในโหลด (mA);
- Kp – ปัจจัยการเต้น (%);
- Uout - แรงดันไฟฟ้าที่ได้รับที่เอาต์พุตของอุปกรณ์ (V)
การเพิ่มความจุที่ได้จากการคำนวณสองหรือสามครั้ง เราจะได้รับค่าความจุของตัวเก็บประจุที่อินพุตของวงจร C1 ค่าขององค์ประกอบนี้ช่วยให้คุณได้รับค่าเต็มของแรงดันไฟฟ้าที่เอาต์พุตทันที และไม่รอจนกว่าจะผ่านระยะเวลาที่กำหนด เมื่อภาระงานไม่ได้ขึ้นอยู่กับอัตราการเพิ่มขึ้นของกระแสไฟฟ้าไปยังเอาต์พุตที่ระบุ ความจุของตัวเก็บประจุก็สามารถนำมาใช้เหมือนกับค่าที่คำนวณได้
ดีที่สุดสำหรับการโหลดถ้าปัจจัยการกระเพื่อมของตัวคูณแรงดันไดโอดไม่เกิน 0.1% การปรากฏตัวของระลอกคลื่นสูงถึง 3% ก็น่าพอใจเช่นกัน ไดโอดทั้งหมดของวงจรได้รับการคัดเลือกจากการคำนวณเพื่อให้สามารถทนต่อความแรงของกระแสได้อย่างอิสระสองเท่าของค่าในโหลด สูตรการคำนวณอุปกรณ์ที่มีความแม่นยำสูงมีลักษณะดังนี้: nUin - (In(n3 + 9n2/4 + n/2)/(12 f C))=Uout โดยที่:
- f – ความถี่แรงดันที่อินพุตอุปกรณ์ (Hz);
- C - ความจุของตัวเก็บประจุ (F).
ผลประโยชน์และข้อเสีย
เมื่อพูดถึงข้อดีของตัวคูณแรงดันไฟฟ้า เราสามารถสังเกตสิ่งต่อไปนี้:
ความสามารถในการรับกระแสไฟฟ้าจำนวนมากที่เอาต์พุต - ยิ่งเชื่อมโยงในห่วงโซ่มาก ปัจจัยการคูณก็จะยิ่งมากขึ้น
- ความเรียบง่ายของการออกแบบ - ทุกอย่างประกอบขึ้นจากลิงก์มาตรฐานและองค์ประกอบวิทยุที่เชื่อถือได้ซึ่งไม่ค่อยล้มเหลว
- น้ำหนัก – การไม่มีองค์ประกอบที่เทอะทะ เช่น หม้อแปลงไฟฟ้า ทำให้ขนาดและน้ำหนักของวงจรลดลง
ข้อเสียที่ใหญ่ที่สุดของวงจรตัวคูณคือมันเป็นไปไม่ได้ที่จะรับกระแสเอาต์พุตขนาดใหญ่จากมันเพื่อจ่ายพลังงานให้กับโหลด
สรุป
การเลือกตัวคูณแรงดันไฟฟ้าสำหรับอุปกรณ์เฉพาะ สิ่งสำคัญคือต้องรู้ว่าวงจรที่สมดุลมีพารามิเตอร์ที่ดีกว่าในแง่ของการกระเพื่อมมากกว่าที่ไม่สมดุล ดังนั้นสำหรับอุปกรณ์ที่มีความละเอียดอ่อนจึงเหมาะสมกว่าที่จะใช้ตัวคูณที่เสถียรกว่า ไม่สมมาตร ทำง่าย มีองค์ประกอบน้อยกว่า