Изменить уровень постоянного напряжения можно, используя нелинейные цепи с накопительными конденсаторами

Изменить уровень постоянного напряжения можно, используя нелинейные цепи с накопительными конденсаторами. Суть данного метода заключается в периодическом заряде и разряде конденсаторов, причем в зависимости от поставленной задачи на интервалах заряда и разряда изменяют схемы их взаимного соединения.

Так, для уменьшения напряжения на интервале заряда к источнику входного напряжения подсоединяют цепочку из последовательно включенных накопительных конденсаторов. При разряде все конденсаторы подсоединяют к нагрузке параллельно.

Для повышения напряжения, наоборот, конденсаторы заряжают по параллельной схеме, а разряжают по последовательной.

Поясним данный принцип на примере схемы, показанной на рис.5.25. В общем случае она состоит из n однотипных диодно-емкостных нелинейных цепей, содержащих собственно накопительный конденсатор Cнi, зарядный диод VDзi и два разрядных VDpi1 и VDpi2 диода, а также зарядный Sз и разрядный Sp ключи, переключаемые синхронно и противофазно.

Рис.5.25 Схема преобразователя напряжения

Предположим, что входное напряжение Uвх подключено к выводам 1, 2, а нагрузка, шунтированная емкостным фильтром Сф, - к выводам 3, 4 схемы.

На интервале замкнутого состояния ключа Sз все накопительные конденсаторы через диоды VDз соединяются последовательно и каждый из них заряжается до напряжения в n раз меньше входного. При включении Sp накопительные конденсаторы Cн через соответствующие диоды VDp1i и VDp2i (где i изменяется от 1 до n) соединяются параллельно.

В результате этого напряжение на нагрузке URн = Uвx/n. Конденсатор Сф необходим для поддержания требуемого уровня выходного напряжения на интервале заряда накопительных конденсаторов.

Если источник входного напряжения Uвx подключить к выводам 3, 4, а нагрузку - к выводам 1, 2 схемы, то ее выходное напряжение будет в n раз выше входного (Uн = nUвх).

Частным случаем рассмотренного устройства являются схемы, совмещающие функции преобразования частоты и уровня, а также стабилизации мгновенного значения напряжения. Это схемы выпрямителей напряжения с умножением. Все они строятся на основе схемы однополупериодного выпрямителя с емкостным фильтром. В качестве примера на рис.5.26,а приведена схема симметричного удвоителя напряжения (схема Латура). По сути, она состоит из двух однополупериодных выпрямителей с емкостным фильтром, включенных по входу параллельно, а по выходу последовательно. При положительной полуволне входного напряжения через диод VDI до напряжения Um заряжается конденсатор С1. При отрицательной полуволне входного напряжения до такого же напряжения заряжается конденсатор С2. В результате, так как С1 и С2 относительно Rн включены последовательно, на выходе имеем напряжение Uн = 2Um.

а б

Рис.5.26 Схема симметричного (а) и несимметричного (б) удвоителя напряжения

На рис.5.26,б показана схема несимметричного умножителя напряжения. Как и в предыдущей схеме, ее выходное напряжение пропорционально количеству последовательно соединенных ячеек - однополупериодных выпрямителей с емкостным фильтром. На интервале отрицательной полуволны входного напряжения открыты все диоды с нечетными номерами (VDl, VD3,...). В результате конденсатор С1 через VDl заряжается до напряжения Um. Конденсатор СЗ через открытые диоды VDl и VD3 от конденсатора С2 заряжается до напряжения 2Um. До такого же напряжения заряжаются и все остальные конденсаторы с нечетными номерами. На интервале положительной полуволны входного напряжения открыты все диоды с четными номерами и конденсаторы с четными номерами также заряжаются до напряжения 2Um. Например, конденсатор С2 заряжается до напряжения 2Um .суммой напряжений Uвх и Uc1.

Таким образом, все конденсаторы схемы, кроме С1, заряжены до напряжения 2Um. Выходное напряжение может сниматься с последовательно включенных либо четных, либо нечетных конденсаторов.

Общим для рассмотренных схем умножения является их достаточно высокое выходное сопротивление. Оно обратно пропорционально емкости накопительных конденсаторов и прямо пропорционально числу каскадов схемы. Поэтому для получения небольшой пульсации выходного напряжения нагрузка умножителей напряжения должна быть достаточно высокоомной.

С использованием данного принципа может быть разработано большое число различных схем умножения и деления напряжения.