 | Эта статья требует дополнительных ссылок для проверки . ( март 2017 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить это сообщение-шаблон ) |
Коккрофт-Уолтон ( CW ) генератор или множитель , является электрической схемой , которая генерирует высокое постоянное напряжение от низкого напряжения переменного тока или пульсирующего входа постоянного тока. Он был назван в честь британских и ирландских физиков Джона Дугласа Кокрофта и Эрнеста Томаса Синтона Уолтона , которые в 1932 году использовали эту схему для питания своего ускорителя элементарных частиц , выполнив первый в истории искусственный ядерный распад. [1] Они использовали этот каскад умножителя напряжения в большинстве своих исследований, которые в 1951 году принесли им награду.Нобелевская премия по физике за «Трансмутацию атомных ядер искусственно ускоренными атомными частицами». Схема была открыта в 1919 году швейцарским физиком Генрихом Грайнахером . По этой причине этот каскад удвоителей иногда также называют множителем Грейнахера . Схемы Кокрофта – Уолтона до сих пор используются в ускорителях частиц. Они также используются в бытовых электронных устройствах, требующих высокого напряжения, таких как рентгеновские аппараты , телевизоры с электронно-лучевой трубкой , микроволновые печи и копировальные аппараты .
Операция [ править ]
Генератор CW - это умножитель напряжения, который преобразует электрическую мощность переменного или импульсного постоянного тока с низкого уровня напряжения в более высокий уровень постоянного напряжения. Он состоит из лестничной цепи умножителя напряжения, состоящей из конденсаторов и диодов для генерации высокого напряжения. В отличие от трансформаторов , этот метод устраняет необходимость в тяжелом сердечнике и необходимости в большой площади изоляции / заливки. Используя только конденсаторы и диоды, эти умножители напряжения могут повышать относительно низкие напряжения до чрезвычайно высоких значений, в то же время они намного легче и дешевле, чем трансформаторы. Самым большим преимуществом таких схем является то, что напряжениена каждой ступени каскада всего лишь удвоенное пиковое входное напряжение в полуволновом выпрямителе. В двухполупериодном выпрямителе оно в три раза превышает входное напряжение. Его преимущество состоит в том, что для него требуются относительно недорогие компоненты и его легко изолировать. Также можно отводить выход с любого каскада, как в многоточечном трансформаторе.
Чтобы понять работу схемы, см. Схему двухступенчатой версии справа. Предположим, что схема питается от переменного напряжения V i с пиковым значением V p , и изначально конденсаторы не заряжены. После включения входного напряжения
- Когда входное напряжение V i достигает своего отрицательного пика - V p , ток течет через диод D1 и заряжает конденсатор C1 до напряжения V p .
- Когда V i меняет полярность и достигает своего положительного пика + V p , он добавляется к напряжению конденсатора, чтобы создать напряжение 2 В p на правой пластине C1 . Поскольку D1 имеет обратное смещение, ток течет от C1 через диод D2 , заряжая конденсатор C2 до напряжения 2 В p .
- Когда V i снова меняет полярность, ток от C2 течет через диод D3 , заряжая конденсатор C3 также до напряжения 2 В p .
- Когда V i снова меняет полярность, ток от C3 течет через диод D4 , заряжая конденсатор C4 также до напряжения 2 В p .
При каждом изменении входной полярности ток течет вверх по «стопке» конденсаторов через диоды, пока все они не будут заряжены. Все конденсаторы заряжены до напряжения 2 В p , за исключением конденсатора C1 , который заряжен до V p . Ключ к умножению напряжения заключается в том, что, хотя конденсаторы заряжаются параллельно, они последовательно подключаются к нагрузке. Поскольку C2 и C4 включены последовательно между выходом и землей, общее выходное напряжение (в условиях холостого хода) составляет V o = 4 В p .
Эта схема может быть расширена до любого количества ступеней. Выходное напряжение без нагрузки в два раза пик входного напряжения , умноженное на число ступеней N или , что эквивалентно от пика до пика входного напряжения качания ( V р ) раз количество этапов
Количество каскадов равно количеству конденсаторов, включенных последовательно между выходом и землей.
Один из способов взглянуть на схему - это то, что она функционирует как «насос» заряда, накачивая электрический заряд в одном направлении вверх по стопке конденсаторов. Цепь CW, наряду с другими подобными цепями конденсатора, часто называется подкачкой заряда . При значительной нагрузке заряд конденсаторов частично истощается, и выходное напряжение падает в соответствии с выходным током, деленным на емкость.
Характеристики [ править ]
На практике CW имеет ряд недостатков. По мере увеличения количества ступеней напряжения на более высоких ступенях начинают «проседать», в первую очередь из-за электрического импеданса.конденсаторов нижних ступеней. И при подаче выходного тока пульсации напряжения быстро возрастают с увеличением количества ступеней (это можно исправить с помощью выходного фильтра, но для этого требуется набор конденсаторов, чтобы выдерживать высокое напряжение). По этим причинам умножители CW с большим количеством ступеней используются только там, где требуется относительно низкий выходной ток. Провисание можно уменьшить, увеличив емкость на нижних ступенях, а пульсации можно уменьшить, увеличив частоту входного сигнала и используя прямоугольную форму волны. За счет управления CW от высокочастотного источника, такого как инвертор , или комбинации инвертора и высоковольтного трансформатора, общий физический размер и вес источника питания CW могут быть существенно уменьшены.
Умножители CW обычно используются для выработки более высоких напряжений для относительно слаботочных приложений, таких как напряжения смещения в диапазоне от десятков или сотен вольт до миллионов вольт для экспериментов по физике высоких энергий или испытаний молниезащиты . Умножители CW с большим количеством ступеней также встречаются в лазерных системах, высоковольтных источниках питания, рентгеновских системах, подсветке ЖК-дисплеев , ламповых усилителях бегущей волны , ионных насосах , электростатических системах, ионизаторах воздуха , ускорителях частиц , копировании. машины , научное оборудование,осциллографы , телевизоры и электронно-лучевые трубки , электрошоковое оружие , устройства защиты от насекомых и многие другие приложения, в которых используется высоковольтный постоянный ток.
Галерея изображений [ править ]
См. Также [ править ]
Похожей схемой является генератор Маркса , имеющий аналогичную «лестничную» структуру, но состоящий из резисторов, конденсаторов и разрядников. Генератор Маркса выдает короткие импульсы, тогда как генератор CW выдает постоянный постоянный ток. В отличие от умножителя (генератора) Кокрофта – Уолтона, генератору Маркса нужен воздух для искровых промежутков, и его нельзя погружать в масло в качестве изолятора.
Заметки [ править ]
- ^ Клеппнер, Даниэль; Коленков, Роберт Дж. (1973). Введение в механику (2-е изд.). Бостон: Макгроу-Хилл. п. 498 . ISBN 0-07-035048-5.
Дальнейшее чтение [ править ]
- Дж. Д. Кокрофт и Э. Т. С. Уолтон, Эксперименты с положительными ионами с высокой скоростью. (I) Дальнейшие разработки метода получения положительных ионов с высокой скоростью, Труды Королевского общества A, vol. 136, стр. 619–630, 1932.
- Дж. Д. Кокрофт и Е. Т. Уолтон, Эксперименты с положительными ионами с высокой скоростью. II. Распад элементов протонами с высокой скоростью, Труды Королевского общества A, т. 137. С. 229–242, 1932.
Внешние ссылки [ править ]
 | Викискладе есть медиафайлы по теме генераторов Кокрофта-Уолтона . |
- Учебное пособие по мультипликаторам Кокрофта – Уолтона - EEVBlog на YouTube
- Кокрофт Уолтон
- Кокрофт Уолтон используется в ускорителях частиц
- Министерство энергетики США
