Устройство для умножения напряжения Советский патент 1989 года по МПК H02M7/10 

Изобретение относится к электро- TexHTiKc и может быть использовано в качестве источника питания с повышенным выходным напряжением

Цель изобретения - увеличение кратности умножения при одновременном упрощении устройства.

На фиг,1 - 4 представлены варианвывод которого соединен с другим выводом коммутирующего элемента 15 и с общей точкой соединения конденсаторов 13, 14, свободными выводами соединенными соответственно с анодом диода 9 и с катодом диода 10, Свободные выводы силовых электродов диодов 9, 10 образуют выход второго каскада.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве источника питания с повышенным выходным напряжением. Цель изобретения - увеличение кратности умножения при одновременном упрощении. Устройство состоит из первого каскада умножения напряжения, к которому последовательно подключены дополнительные каскады умножения напряжения. Каждый дополнительный каскад состоит из двух пар последовательно соединенных диодов 7,9 (17,19) и 8,10 (18,20) и двух цепочек емкостных накопителей из последовательно соединенных конденсаторов 11,12 (21,22) и 13,14 (23,24). С помощью коммутирующих элементов 15,16,25,26 осуществляется последовательное или параллельное соединение соответствующих конденсаторов для обеспечения увеличения выходного напряжения по закону геометрической прогрессии с кратностью, равной трем. Это приводит к возможности получения высокого выходного напряжения при меньшем числе используемых элементов устройства. 2 з.п. ф-лы, 8 ил.

ты предлагаемого устройства для умно- jg Последний каскад умножения напряжежения напряжения; на фиг«5 - вариант выполнения емкостного накопителя энергии; на фиг.6 и 7 - варианты предлагаемого устройства, где в качестве коммутаторов использованы фо- 5 то тиристоры (фиг.6) или тиристоры (фиго 7); на фиг.8 - эпюры изменения напряжения во времени на выходе источника знакопеременного напряжения по фиг г 2,20

Устройство (фиг.1) состоит из вход- Htijx выводов для подключения фаз А, В, € питающей сети, к которому подключен первый каскад умножения напряжения, состоящий из основных диодов 1, f5 2 дополнительных диодов 3, 4 и емкостных накопителей в виде конденсаторов 5 и 6.

Анод диода 1 и катод диода 2 соединены с входным выводом для подклю- О чения фазы С питающей сети. Катод диода 1 соединен с анодом диода 3 и через конденсатор 5 - с входным вьто- дом для подключения фазы А питающей сетис Анод диода 2 соединен с катодом 55 диода 4 и через конденсатор 6 - с входным выводом для подключения фазы В питающей сетио Катод диода 3 и.анод диода 4 образуют выход первого каскада, к которому последовательно 40 подключены п каскадов (в данном случае п - 2) умножения напряжения. Первый дополнительный каскад включает диоды 7, 8 и 9, 10, две цепочки иэ накопительных элементов (конденсате- 45 ров) 11 - 14 по два последовательно соединенных в каждой и два коммутирующих элемента 15, 1бо Диоды 7, 9 соединены последовательно. Анод диода 7 является одним из входов второго кас- д када, соединенного с катодом диода 3, со свободной обкладкой конденсатора 11 и с одним из выводов коммутируюния включает те же элементы, что и второй умножения напряжения, а именно диоды 17-20, конденсаторы 21-24 и коммутирующие элементы 25, 26, сое диненные аналогичным образом, причем выход последнего каскада умножения напряжения образует выходные выводы для подключения нагрузки 27„ Между выходными вьшодами включена цепочка из последовательно соединенных выход ных конденсаторов 28, 29. Общие точки соединения конденсаторов первых цепочек каскадов умножения, а именно конденсаторов II, 12, 21, 22 и вы ходных конденсаторов 28, 29 объединены, образуя общий вывод, который заземлен о

Устройство по фиГо2 отличается от устройства па, фиго тем, что в ка честве источника питания использован источник 30 знакопеременного напряжения с заземленным полюсом

Устройство по фиГоЗ отличается от устройства по фиго2 тем, что в качестве источника питания использованы фазы А и В трехфазного источника питания, а в качестве коммутирующих элементов использованы двухпозицион- ные коммутаторы 31, 32 и введены свя занные с землей дополнительные дио ды 33-36, наличие которых не обязательно для обеспечения работоспособности устройства о В случае необходимости нагрузка 27 может быть включена и на половину выходного напряжения последнего каскада, как это пока зано на фигоЗо

Устройство по фиг.4 отличается от устройства по тем, что первые цепочки накопительных элементов каждого дополнительного каскада умножения напряжения выполнена в виде одно го конденсатора 37 (38). Выходная це почка также выполнена в виде одного

Устройство по фиг.4 отличается от устройства по тем, что первые цепочки накопительных элементов каждого дополнительного каскада умножения напряжения выполнена в виде одного конденсатора 37 (38). Выходная це почка также выполнена в виде одного

щего элемента 15. Диоды 8, 10 соединены последовательно., Катод диода 8 яв- {5«конденсатора 39„ В качестве источни- ляется другим входом каскада и соеди- ка питания использована однофазная ней с анодом 4, свободной обкладкойсеть.

конденсатора 12 и с одним из выводов На фиг«5 представлен вариант выкоммутирующего элемента 16, другойполнения емкостного элемента, состония включает те же элементы, что и второй умножения напряжения, а именно диоды 17-20, конденсаторы 21-24 и коммутирующие элементы 25, 26, соединенные аналогичным образом, причем выход последнего каскада умножения напряжения образует выходные выводы для подключения нагрузки 27„ Между выходными вьшодами включена цепочка из последовательно соединенных выходных конденсаторов 28, 29. Общие точки соединения конденсаторов первых цепочек каскадов умножения, а именно конденсаторов II, 12, 21, 22 и выходных конденсаторов 28, 29 объединены, образуя общий вывод, который заземлен о

Устройство по фиГо2 отличается от устройства па, фиго тем, что в качестве источника питания использован источник 30 знакопеременного напряжения с заземленным полюсом

Устройство по фиГоЗ отличается от устройства по фиго2 тем, что в качестве источника питания использованы фазы А и В трехфазного источника питания, а в качестве коммутирующих элементов использованы двухпозицион- ные коммутаторы 31, 32 и введены связанные с землей дополнительные диоды 33-36, наличие которых не обязательно для обеспечения работоспособности устройства о В случае необходимости нагрузка 27 может быть включена и на половину выходного напряжения последнего каскада, как это показано на фигоЗо

Устройство по фиг.4 отличается от устройства по тем, что первые цепочки накопительных элементов каждого дополнительного каскада умножения напряжения выполнена в виде одного конденсатора 37 (38). Выходная цепочка также выполнена в виде одного

«конденсатора 39„ В качестве источни- ка питания использована однофазная сеть.

515

ящего из обкладок АО, 41 и проводящих сулоев 42, 43 о

Случай использования в качестве коммутирующих элементов, в варианте на фиг.2, фототиристоров 44 и 45 поясняет фиг.6, где управление фототиристорами 44 и 45 осуществляется соответственно посредством источников излучения 46 и 47 (в качестве источников излучения 46 и 47 могут быть использованы, например, светоизлу- чающие диоды), которые через диоды 48 и 49 подключены к делителю напряжения, состоящего ия сопротивлений 50, 51, включенных под напряжение источника ЗОо Причем источник излучения 46 оптически связан с фототиристором 45, а источник излучения 47 оптически связан с фототиристором 44,

Случай использования в качестве коммутирующих элементов (фиг.2) тиристоров 51 и 52 поясняет фиг.7,где управление отпиранием тиристоров осуществляется посредством блока 53, в качестве которого, в частности,можно использовать дополнительный источник электрической энергии знакопеременного напряжения, совпадающий по частоте и фазе с источником знакопеременного напряжения 30 и связанный с цепью управления тиристора 51 через диод, анод которого подключен к выводу упомянутого источника знакопеременного напряжения, а также связанный с цепью управления тиристора 52 через диод, катод которого подключен к выводу источншса знакопеременного напряжения.

Очевидно, что каждьш из конденса- торрв накопительных элементов может быть вьшолнен в Bi-me секций (блока) конденсаторов, включенных параллельно В случае, когда коммутируемое напряжение окажется больше номинального напряжения фототиристора (фигоб) или тиристора (фиго7), можно два и более фототиристоров или тиристоров включать последовательное

Включение дополнительных диодов 33-36 в варианте, представленном на фиГоЗ, осуществлено с целью уменьшения токов, протекающих через диоды предшествующих каскадов.

Рассмотрим работу предложенного устройства на примере варианта на фиг о 2 (принцип повьщ1ения напряжения во всех вариантах один и тот же)„

15290

После включения в момент t,, (см ,

фиг.8) источника электрическо энергии 30 (смзфиг 5) конденсатор 5 заряжается (диод 1 открыт, диод 2 заперт), а к точке Е в интервале времени to - t, прикладывается от источника 30 отрицательный потенциал. После момента t к точке Е при„ кладывается положительный потенциал, диод 2 отпирается (диод 1 заперт) и конденсатор 6 заряжается о С момента t количество отрицательных зарядов на обкладке конденсатора 5, подклю5 чещюго к точке Е, уменьшается, а

это приводит к увеличению потенциала другой обкладки конденсатора 5 и вследствие этого положительные заряды с обкладки конденсатора 5 нере0 ходят на обкладку конденсатора 11,заряжая конденсатор 11 до напряжения, превышающего напряжение источника 30, После момента t к точке Е пршчла- дывается отрицательный потенциал,кон5 денсатор 5 заряжается (диод 1 открыт) восполняя при этом прежнее максимальное количество положительных зарядов на обкладке. С момента tа количество положительных зарядов на обкладке .

Q конденсатора 6, подключенного к точке Е, ут -1еньшается, а это приводит к увеличснгао потенциала другой обкладки конденсатора 6 и вследстгзие этого отрицате;тьнь е заряды с обкладки конденсатора 6 переходят на обкладку ко 1денсатора 12, заря/кая конденсатор 12 до напряжения, превышающего напряжение источника 30.

После момента tj к точке Е прнклап дьшается положительньш потенциал, конденсатор 6 заряжается (диод 2 открыт) , восполняя при этом прежнее максимальное кол1тчество отрииатель- HbDi зарядов на обкладке , С момента

с t количество отрицательных зарядов на обкладке конденсатора 5, подключенного к точке Е, уменьшается, а это приводит к увеличение гютенциа- ла другой обкладки конденсатора 5 и

Q вследствие этого положительные заряды с обкладок конденсатора 5 переходят на обкла,г;ку конденсатора i 1 , заряжая конден. :.атор 11 до напряжения, нревьщ ающего напряжение источника 30

После момента t 4 BbnneonHcaFiHbnJ процесс повторяется о При замыкании коммутирующего элемента (коммутатора) 16 (коммутатор 15 разомкнут) конденсатор 11 подключается параллельно

5

5

15

конденсатору 13, заряжая конденсатор 13, а при замыкании коммутатора 15 (коммутатор 16 разомкнут) конденсатор 12 подключается па раллельно конденсатору 14 заряжая конденсатор 14. При этом в процессе замыкания коммутатора 15 (коммутатор 16 разомкнут) конденсаторы 11, 13, 21 соединяются последовательно заряжая конденсатор 21. В процессе замыкания коммутатора 16 (коммутатор 15 разомкнут) конденсаторы 12, 14 и 22 соединяются последовательно, заряжая конденсатор 22.

При замыкании коммутатора 26 (коммутатор 25 разомкнут) конденсатор 21 подключается параллельно конденсатору 23, заряжая конденсатор- 23, а при замыкании коммутатора 25 (коммутатор 26 разомкнут) конденсатор 22 подключается параллельно конденсатору 24, заряжая конденсатор 24. При этом в процессе замыкания коммутатора 25 (коммутатор 26 разомкнут) конденсаторы 21, 23 и 28 соединяются последова Т12льно, заряжая конденсатор 28; в процессе замыкания коммутатора 26 (коммутатор 25 разомкнут) конденсаторы 22, 24 и 29 соединяются последовательно, заряжая конденсатор 29„

Аналогичным образом происходит повышение напряжения при трех, четырех,...,п каскадах.

Необходимо также отметить, что:

-частота переключения коммутаторов может быть взята равной (фиг.6) или меньше частоты источника,электрической энергии знакопеременного напряжения 30;

-чем больше частота источника знакопеременного напряжения, тем болшую мощность может обеспечить предложенное техническое решение на нагрузке 27 при тех же габаритах;

-коммутаторы каждого предыдущего или последующего каскадов могут включаться и отключаться одновременно - синхронно (см.фиг.1,3) или в противофазе (см.фиг.2);

-поскольку передача электрической энергии в предложенном техническом решении происходит слева направо то целесообразно переключение коммутаторов каждого последующего каскада осуществлять с частотой равной или меньше частоты переключения коммутаторов предыдущего каскада.

52908

В с.чучае выполнения коммутаторов в виде фотоуправляем 11х элементов синхронное переключение 1соммутаторов может быть осушествлено аналогично переключению коммутаторов по варианту на фиг о 6. В этом варианте в периоды положительной полярности напряжения источника 30 фототиристор 45 на

ходится в проводящем состоянии (так

как источник излуче ия 46 оптически связан с фототиристором 45), а фототиристор 44 находится к непроводящем состоянии. В периоды отрицательной полярности напряжения источника 30 фототиристор 44 находится в проводящем состоянии (так как источник излучения 47 оптически связан с фототиристором 44), а фототиристор 45

находится в непроводящем состоянии

Очевидно, что меняя оптическую связь дополнительных светоизлучающих элементов (подключенных параллельно светоизлучающим элементам 46 и 47 на фигоб дополнительные светоизлу- чающие элементы не показаны) с коммутаторами 25 и 26, выполненными в виде фототиристоров, можно осуществлять как синхронное переключение

коммутаторов первого и второго каскадов, так и их переключение в противофазе (коммутатор 13 замыкается и размыкается одновременно с коммутатором 26, а коммутатор 16 замыкается и размыкается одновременно с комму- татором 25).

В качестве коммутаторов 15, 16, 25 и 26 могут быть использованы и другие коммутаторы, например тиратроны „

Формула изобретения

баночного диода и через второй накопительный элемент - с третьим входным выводом, а свободные выводы силовых электродов добавочных диодов образуют выход первого каскада, о т - личающее. ся тем, что, с целью увеличения кратности умножения при одновременном упрощении, дополнительно введены п каскадов умножения напряжения и цепочка иэ двух последовательно соединенных выходных конденсаторов, включенная между выходными выводами, дополнительные каскады умножения напряжения включены последовательно с первым каскадом и- каждьй из них включает первый и второй коммутирующие элементы, две цепочки, каждая из двух последовательно соединенных накопительных элементов, а также первый и второй основные и первый и второй дополнительные диоды, причем в каждом из дополнительных каскадов умножения напряжения первая цепочка накопительных элементов включена между анодом и катодом первого и второго основных диодов, образующих вход данного каскада, вторая цепочка накопительных элементов включена соответственно

0 О

между катодам и анодом этих же диодов, соединенных соответственно с анодом первого и катодом второго дополнительных диодов, свободные вы- воды силовых электродов которых образуют выход данного каскада, первый коммутирующий элемент включен между анодом первого основного диода и общей точкой соединения накопительных элементов второй цепочки, второй коммутирующий элемент включен между катодом второго основного диода и общей точкой соединения тех же указанных„накопительных элементов, общие точки соединения накопительных элементов первых цепочек всех дополнительных каскадов объединены, образуя общий вывод, а свободные выводы электродов дополнительных диодов последнего каскада соединены с соответствующими выходными вьшодами.

3,Устройство по ПП.1 и 2, о т- личающееся тем, что второй и третий входные выводы подключены друг к другу.

(pUP.3

(риг.

сригВ