КАСКАДНЫЙ УМНОЖИТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2005 года по МПК H02M3/07 

Предложенное изобретение относится к электротехнике и может найти применение в высоковольтных источниках питания для дисплеев компьютеров, телевизоров, ускорителей заряженных частиц, электронных микроскопов и т.д.

Из уровня техники известно вентильно-конденсаторное устройство умножения по а.с.408436, 22.04.1974, которое, так же как заявленное, содержит две мостовые схемы, каждая из которых содержит два вентиля и два конденсатора. Точка соединения вентилей и точка соединения конденсаторов образует вход мостовой схемы, соответственно точки соединения вентиля с конденсатором образуют выход мостовой схемы. Мостовые схемы по входам соединены противофазно, каждый выходной вывод каждой мостовой схемы соединен с выходным вентилем, другие выводы которых попарно объединены и соединены со сглаживающим конденсатором.

Недостатком указанной схемы является то, что она формирует напряжение только одного уровня.

Технический результат заявленного изобретения заключается в повышении КПД умножителя с возможностью получения нескольких различных уровней напряжения на выходе.

По первому варианту указанный технический результат достигается тем, что каскадный умножитель напряжения содержит две мостовые схемы, каждая из которых содержит два вентиля и два конденсатора. Точка соединения вентилей и точка соединения конденсаторов образуют вход мостовой схемы. Соответственно точки соединения вентиля с конденсатором в каждой мостовой схеме образуют выход мостовой схемы. Мостовые схемы по входам соединены противофазно. Каждый выходной вывод каждой мостовой схемы соединен с выходным вентилем. Другие выводы выходных вентилей попарно объединены и соединены со сглаживающим конденсатором. Согласно изобретению объединенные выводы выходных вентилей образуют выход первого каскада. Один выходной вывод каждой мостовой схемы соединен с одним выходным выводом одной аналогичной дополнительной мостовой схемы, второй выходной вывод которой соединен с выводом дополнительного выходного вентиля. Дополнительные выходные вентили другими выводами соответственно объединены и соединены со сглаживающим конденсатором, образуя выход следующего каскада. Вход каждой дополнительной мостовой схемы, образованный соединением двух вентилей, подключен через конденсатор к соответствующему входу соответствующей мостовой схемы, причем вентили одноименных плеч мостовых и дополнительных мостовых схем включены согласно, а к выходному выводу каждой дополнительной мостовой схемы, соединенному с дополнительным выходным вентилем, подсоединена выходным выводом следующая дополнительная мостовая схема, аналогичная первой, включенная так же как и первая дополнительная мостовая схема и образующая выход следующего каскада.

Можно подсоединить любое заданное количество таких схем с образованием соответственно заданного количества каскадов, т.е. уровней напряжения.

По второму варианту технический результат достигается тем, что каскадный умножитель напряжения содержит мостовую схему из трех вентилей и конденсатора. Точка соединения двух вентилей и точка соединения конденсатора с третьим вентилем образуют вход мостовой схемы. Точка соединения второго и третьего вентиля образует первый выходной вывод мостовой схемы. Точка соединения первого вентиля с конденсатором образует второй выходной вывод мостовой схемы, который соединен с одним выводом первого выходного вентиля. Между входными выводами мостовой схемы включена цепь из второго конденсатора и четвертого вентиля, причем точка соединения второго конденсатора и четвертого вентиля образует третий выходной вывод мостовой схемы, который соединен с выводом второго выходного вентиля. Его другой вывод объединен с соответствующим выводом первого выходного вентиля и вместе с первым выходным выводом мостовой схемы образует выход первого каскада, который соединен со сглаживающим конденсатором. Второй и третий выходные выводы мостовой схемы соединены с одним выходным выводом соответствующей дополнительной мостовой схемы. Каждая из них содержит два диода и два конденсатора в смежных плечах, а выходные выводы образованы соединением вентиля и конденсатора. Второй выходной вывод дополнительной мостовой схемы соединен с выводом дополнительного выходного вентиля, другой вывод дополнительного выходного вентиля соединен с соответствующим дополнительным выходным вентилем, и сглаживающим конденсатором, образуя выход следующего каскада. Вход каждой дополнительной мостовой схемы, образованный соединением двух вентилей, соединен через конденсатор с соответствующим входом мостовой схемы, причем вентили одноименных плеч мостовой и дополнительных мостовых схем включены согласно. К выходному выводу, соединенному с дополнительным выходным вентилем, каждой дополнительной мостовой схемы выходным выводом подсоединена следующая дополнительная мостовая схема, аналогичная первой, включенная аналогично первой дополнительной мостовой схеме с образованием выхода следующего каскада.

Можно подсоединить любое заданное количество таких схем с образованием соответственно заданного количества каскадов, т.е. уровней напряжения.

Сущность заявленного изобретения поясняется чертежами:

на фиг.1 - первый вариант каскадного умножителя напряжения.

на фиг.2 - второй вариант каскадного умножителя напряжения. По первому варианту схема первого каскада представляет собой две мостовые схемы, каждая из которых содержит два вентиля Д1, Д2 и Д3, Д4 и два конденсатора С1, С2 и С3, С4. Точки соединения вентилей и точки соединения конденсаторов образуют входные выводы мостовых схем.

Мостовые схемы соединены входными выводами противофазно, причем входной вывод, образованный соединением вентилей Д1 и Д2, первой мостовой схемы соединен с входным выводом второй мостовой схемы, образованным соединением конденсаторов С3 и С4, и образует входной вывод 1 умножителя напряжения. Входной вывод первой мостовой схемы, образованный соединением конденсаторов С1 и С2, соединен с входным выводом второй мостовой схемы, образованным соединением вентилей Д3 и Д4, и образует входной вывод 2 умножителя напряжения. Входные выводы умножителя напряжения подключены к источнику питания, например обмотке генератора.

Каждый выходной вывод 3, 4, 5, 6 мостовых схем соединен с соответствующим выходным вентилем Д5, Д6, Д7, Д8, причем вентили Д5, Д6 включены согласно с вентилями Д1 и Д2 соответственно, а вентили Д7, Д8 согласно с вентилями Д3 и Д4. Вентили Д5, Д6, Д7, Д8 другими выводами попарно объединены: Д5 с Д7 и Д6 с Д8, образуя выход первого каскада. К ним подсоединен сглаживающий конденсатор.

На основе указанной схемы строится каскадная схема умножения. К одному выходному выводу каждой мостовой схемы подсоединена одна из аналогичных дополнительных мостовых схем Д9, Д10, С9, С10; Д11, Д12, С11, С12. Соединение осуществлено следующим образом. К выходному выводу 4 первой мостовой схемы подсоединена дополнительная мостовая схема Д9, Д10, С9, С10. Точка соединения вентиля Д9 и конденсатора С9, образующая выходной вывод 11 дополнительной мостовой схемы, соединена с выходным выводом 4 мостовой схемы. Точка соединения вентиля Д10 с конденсатором С10, образующая выходной вывод 12, соединена с выводом дополнительного выходного вентиля Д13. Точка соединения вентилей Д9 и Д10, образующая вывод 9, через два конденсатора С7 и С5 соединена с первым входным выводом 1 умножителя напряжения. Аналогичным образом к выходному выводу 6 второй мостовой схемы подключена дополнительная мостовая схема Д11, Д12, С11, С12. Причем к выходному выводу 6 подключена точка соединения вентиля Д11 и конденсатора С11, образующая выходной вывод 15. Точка соединения двух вентилей Д11 и Д12, образующая вывод 13 через конденсаторы С6, С8 соединена с входным выводом 2 умножителя напряжения. Точка соединения вентиля Д12 и конденсатора С12, образующая выходной вывод 16, соединена с выводом дополнительного выходного вентиля Д14. Дополнительные выходные вентили Д13 и Д14 объединены и вместе с выходным выводом 7 первого каскада образуют выход второго каскада, к которому также подключен сглаживающий конденсатор.

К выходным выводам 12, 16 каждой дополнительной мостовой схемы второго каскада можно подключить любое заданное количество аналогичных мостовых схем для изменения коэффициента умножения напряжения.

По второму варианту (фиг.2) схема первого каскада представляет собой мостовую схему, которая содержит вентили Д1, Д2, Д3 и конденсатор С1. Точка соединения вентилей Д1 и Д2 образует входной вывод 1, а точка соединения вентиля ДЗ и конденсатора С1 образует входной вывод 2 мостовой схемы. Между входными выводами включена цепочка из конденсатора С2 и вентиля Д4. Точка соединения вентилей Д1 и Д3 образует выходной вывод 3 мостовой схемы, точка соединения вентиля Д2 и конденсатора С1 - выходной вывод 4, а точка соединения конденсатора С2 и вентиля Д4 - выходной вывод 5. Выходные выводы 4 и 5 мостовой схемы соединены с выводами выходных вентилей Д5 и Д6, другие выводы которых объединены и вместе с выводом 3 образуют выход первого каскада, который соединен со сглаживающим конденсатором. К выходным выводам 4 и 5 соответственно подключены дополнительные мостовые схемы Д9, Д10, С9, С10; Д11, Д12, С11, С 12. Причем точка соединения вентиля Д7 и конденсатора С7, образующая вывод 12, соединена с выходным выводом 4. Точка соединения вентиля Д8 и конденсатора С8, образующая вывод 13, соединена с выводом дополнительного выходного вентиля Д11, а точка соединения вентилей Д7 и Д8, образующая вывод 8 через конденсаторы С3, С4, соединена с входным выводом 1 мостовой схемы. Аналогично точка соединения вентиля Д9 и конденсатора С9, образующая вывод 14, соединена с выходным выводом 5 мостовой схемы. Точка соединения вентилей Д9 и Д10, образующая вывод 10 через конденсаторы С5, С6, соединена с входным выводом 2 мостовой схемы, а точка соединения вентиля Д10 и конденсатора С 10, образующая вывод 15, соединена с выводом дополнительного выходного вентиля Д12, другой вывод которого соединен с выводом дополнительного выходного вентиля Д11 и со сглаживающим конденсатором, образуя вывод 16. Вместе с выводом 3 мостовой схемы вывод 16 образует выход второго каскада.

К выходным выводам 13, 15 и соответственно выводам 8, 10 каждой дополнительной мостовой схемы второго каскада можно подключить любое заданное количество аналогичных мостовых схем для изменения коэффициента умножения напряжения.

Предложенная каскадная схема по первому варианту работает следующим образом. В первый полупериод заряжаются конденсаторы С2 и С3 соответственно через диоды Д2 и Д3 до напряжения источника питания. В следующий полупериод эти конденсаторы разряжаются на нагрузку, с образованием цепи из последовательно соединенных конденсаторов С2, С3 и источника. Одновременно происходит заряд конденсаторов С1 и С4 через диоды Д1 и Д4. Далее процесс заряда - разряда повторяется. На выходе первого каскада формируется напряжение с постоянной составляющей, равной удвоенному амплитудному напряжению источника и пульсирующей составляющей с амплитудой, равной амплитуде напряжения источника и удвоенной частотой.

В следующем каскаде формирование напряжения осуществляется следующим образом. В момент разряда конденсаторов С2, С3 происходит заряд конденсаторов С5, С7 до двойного напряжения сети. В следующие полупериоды происходит заряд конденсаторов С9, С10. Разряд на нагрузку осуществляется по цепи С2, С9, С10, Д13, нагрузка второго каскада, Д7, С3, источник. Так как конденсаторы С9, С10 заряжены до двойного напряжения, то на нагрузке формируется напряжение, имеющее постоянную составляющую, которая складывается из напряжений конденсаторов С9, С10, С3, С2, равное четырехкратному амплитудному напряжению источника, и пульсирующей составляющей с амплитудой, равной амплитуде напряжения источника и удвоенной частотой. Аналогично работают в другие полупериоды другая схема этого каскада: Д11, Д12, С11, С12. На выходе следующего каскада аналогичным образом формируется напряжение, имеющее восьмикратную постоянную составляющую и пульсирующую составляющую.

Каскадная схема по второму варианту работает следующим образом.

В первый полупериод напряжения заряжается конденсатор С1 через вентиль Д2 до напряжения источника питания. В следующий период происходит разряд этого конденсатора по цепи конденсатор С1, вентиль Д5, нагрузка, вентиль Д1 источник питания. Одновременно заряжается конденсатор С2 через вентиль Д4. Далее процесс повторяется. На выходе первого каскада формируется напряжение с постоянной составляющей, равной амплитудному напряжению источника и пульсирующей составляющей с амплитудой, равной амплитуде напряжения источника и удвоенной частотой.

В следующем каскаде формирование напряжения осуществляется следующим образом. В момент разряда конденсаторов С2 происходит заряд конденсаторов С3, С4 до двойного напряжения сети. В следующие полупериоды происходит заряд конденсаторов С7, С8. Разряд на нагрузку осуществляется по цепи С1, С7, С8, Д11, нагрузка второго каскада, Д1, источник. Так как конденсаторы С7, С8 заряжены до двойного напряжения, то на нагрузке формируется напряжение, имеющее постоянную составляющую, которая складывается из напряжений конденсаторов С7, С8, С1, равное трехкратному амплитудному напряжению источника, и пульсирующей составляющей с амплитудой, равной амплитуде напряжения источника и удвоенной частотой. Аналогично работают в другие полупериоды другая схема этого каскада: Д9, Д10, С9, С 10. На выходе следующего каскада аналогичным образом формируется напряжение, имеющее пятикратную постоянную составляющую и пульсирующую составляющую.

Предложенное изобретение может найти применение в электроэнергетике, в промышленных технологиях бестрансформаторного способа повышения напряжения, в каскадных генераторах, в радиоэлектронных промышленных технологиях, в медицинском приборостроении. Технический результат заключается в повышении кпд умножителя с возможностью получения нескольких различных уровней напряжения на выходе. Каскадный умножитель напряжения содержит две мостовые схемы, каждая из которых содержит два вентиля и два конденсатора. Мостовые схемы по входам соединены противофазно. Каждый выходной вывод каждой мостовой схемы соединен с выходным вентилем. Объединенные выводы выходных вентилей образуют выход первого каскада. Каждый выходной вывод мостовой схемы соединен с одним выходным выводом одной аналогичной дополнительной мостовой схемы, второй выходной вывод которой соединен с выводом дополнительного выходного вентиля. Дополнительные выходные вентили другими выводами соединены с соответствующими дополнительными выходными вентилями другой дополнительной мостовой схемы и сглаживающим конденсатором, образуя выход следующего каскада. Вход каждой дополнительной мостовой схемы, образованный соединением двух вентилей, подключен через конденсатор к соответствующему входу соответствующей мостовой схемы. К выходному выводу каждой дополнительной мостовой схемы, соединенному с дополнительным выходным вентилем, подсоединена выходным выводом следующая аналогичная первой дополнительная мостовая схема, включенная аналогично первой дополнительной мостовой схеме с образованием выхода следующего каскада. По второму варианту к первому выходному выводу первой мостовой схемы и второму выходному выводу второй мостовой схемы и ко второму выходному выводу первой мостовой схемы и первому выходному выводу второй мостовой схемы диагональю подсоединены по одной дополнительной мостовой схеме. Каждая дополнительная мостовая схема содержит два вентиля, которые включены в противоположные плечи дополнительной мостовой схемы, в два другие противоположные плеча которой включены конденсаторы, причем одноименные вентили мостовой схемы и дополнительной мостовой схемы включены согласно. Каждый выходной вывод второй диагонали дополнительной мостовой схемы соединен с дополнительным выходным вентилем, при этом дополнительные выходные вентили соответственно попарно объединены другими выводами. Объединенные выводы дополнительных выходных вентилей образуют выходные выводы следующего каскада, которые соединены с сглаживающим конденсатором. К выходному выводу каждой дополнительной мостовой схемы, соединенному с дополнительным выходным вентилем, подсоединена выходным выводом следующая аналогичная первой дополнительная мостовая схема, включенная аналогично первой дополнительной мостовой схеме. При этом образуется выход следующего каскада. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Каскадный умножитель напряжения, содержащий две мостовые схемы, каждая из которых содержит два вентиля и два конденсатора, причем точка соединения вентилей и точка соединения конденсаторов образуют вход мостовой схемы, а точки соединения вентиля с конденсатором образуют соответственно выход мостовой схемы, причем мостовые схемы по входам соединены противофазно, а каждый выходной вывод мостовых схем соединен с одним из выводов соответствующего выходного вентиля, другие выводы выходных вентилей попарно объединены и соединены со сглаживающим конденсатором, отличающийся тем, что объединенные выводы выходных вентилей образуют выход первого каскада, один из выходных выводов каждой мостовой схемы соединен с одним выходным выводом соответствующей дополнительной мостовой схемы, второй выходной вывод которой соединен с выводом дополнительного выходного вентиля, другие выводы дополнительных выходных вентилей объединены и соединены с соответствующим каждому каскаду сглаживающим конденсатором, образуя выход следующего каскада, вход каждой дополнительной мостовой схемы, образованный соединением двух вентилей, соединен через конденсатор с соответствующим входом мостовой схемы, причем вентили одноименных плеч мостовых и дополнительных мостовых схем включены согласно, к выходному выводу, соединенному с дополнительным выходным вентилем, каждой дополнительной мостовой схемы выходным выводом подсоединена следующая дополнительная мостовая схема, аналогичная первой, включенная аналогично первой дополнительной мостовой схеме с образованием выхода следующего каскада.2. Каскадный умножитель напряжения, содержащий мостовую схему, которая содержит три вентиля и конденсатор, причем точка соединения двух первых вентилей и точка соединения конденсатора с третьим вентилем образуют вход мостовой схемы, точка соединения второго и третьего вентилей образует первый выходной вывод мостовой схемы, точка соединения первого вентиля с конденсатором образует второй выходной вывод мостовой схемы, который соединен с одним выводом первого выходного вентиля, отличающийся тем, что между входными выводами мостовой схемы включена цепь из второго конденсатора и четвертого вентиля, причем точка соединения второго конденсатора и четвертого вентиля образует третий выходной вывод мостовой схемы, который соединен с выводом второго выходного вентиля, другой вывод которого объединен с соответствующим выводом первого выходного вентиля и вместе с первым выходным выводом мостовой схемы образует выход первого каскада, который соединен со сглаживающим конденсатором, второй и третий выходные выводы мостовой схемы соединены с одним выходным выводом соответствующей дополнительной мостовой схемы, которая содержит два диода и два конденсатора в смежных плечах, а выходные выводы образованы соединением вентиля и конденсатора, второй выходной вывод дополнительной мостовой схемы соединен с выводом дополнительного выходного вентиля, другой вывод которого соединен с выводом другого дополнительного выходного вентиля, и соответствующим каждому каскаду сглаживающим конденсатором, образуя выход следующего каскада, вход каждой дополнительной мостовой схемы, образованный соединением двух вентилей, соединен через конденсатор с соответствующим входом мостовой схемы, причем вентили одноименных плеч мостовой и дополнительных мостовых схем включены согласно, к выходному выводу, соединенному с дополнительным выходным вентилем, каждой дополнительной мостовой схемы выходным выводом подсоединена следующая дополнительная мостовая схема, аналогичная первой, включенная аналогично первой дополнительной мостовой схеме с образованием выхода следующего каскада.