Генератор Кокрофта -Уолтона ( CW ) , или умножитель , представляет собой электрическую цепь , которая генерирует высокое постоянное напряжение из низковольтного переменного или импульсного 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 частиц , осуществив первый в истории искусственный ядерный распад. [1] Они использовали этот каскад умножителя напряжения для большей части своих исследований, которые в 1951 году принесли им Нобелевскую премию по физике за « Трансмутацию атомных ядер искусственно ускоренными атомными частицами».
Схема была разработана в 1919 году Генрихом Грейнахером , швейцарским физиком . 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 повседневных электронных устройствах, требующих высокого напряжения, таких как рентгеновские аппараты и копировальные аппараты .
Генератор непрерывного напряжения представляет собой умножитель напряжения , который преобразует переменную или пульсирующую электрическую мощность постоянного тока из низкого уровня напряжения в более высокий уровень напряжения постоянного тока. Он состоит из цепочки умножителей напряжения, состоящей из конденсаторов и диодов для генерации высокого напряжения. В отличие от трансформаторов , этот метод устраняет необходимость в тяжелом сердечнике и большом объеме изоляции/герметизации. Используя только конденсаторы и диоды, эти умножители напряжения могут повышать относительно низкое напряжение до чрезвычайно высоких значений, и в то же время они намного легче и дешевле, чем трансформаторы. Самым большим преимуществом таких схем является то, что напряжение на каждой ступени каскада всего лишь в два раза превышает пиковое входное напряжение полуволнового выпрямителя. В двухполупериодном выпрямителе оно в три раза превышает входное напряжение. Преимущество этого метода заключается в том, что он требует относительно недорогих компонентов и его легко изолировать. Также можно подключить выход любого каскада, как в многоотводном трансформаторе.
Чтобы понять работу схемы, см. схему двухкаскадной версии справа. Предположим, что все конденсаторы изначально незаряжены, и схема питается переменным напряжением V i таким, что V i = V p sin( t + π) , т.е. с пиковым значением V p , которое после включения питания составляет 0 вольт и начинается с отрицательного полупериода. После включения входного напряжения
В любой момент времени проводящими являются либо диоды с нечетными номерами, либо диоды с четными номерами, но не оба одновременно. При каждом изменении производной входного напряжения (т.е.д В я/д т), ток течет на следующий уровень в «стопке» конденсаторов через диоды. В конце концов, после достаточного количества циклов подачи переменного тока, все конденсаторы зарядятся. (Точнее, следует сказать, что их реальные напряжения будут сходиться достаточно близко к идеальным ‒ на входе переменного тока всегда будут какие-то пульсации). Все конденсаторы заряжаются до напряжения 2 Вп , кроме С1 , который заряжается до Вп . Ключом к увеличению напряжения является то, что, хотя конденсаторы заряжаются параллельно, они подключаются к нагрузке последовательно. Поскольку C2 и C4 включены последовательно между выходом и землей, общее выходное напряжение (в условиях холостого хода) составляет V o = 4 В p .
Эту схему можно расширить до любого количества этапов. Выходное напряжение холостого хода в два раза превышает пиковое входное напряжение, умноженное на количество ступеней N , или, что эквивалентно, размах входного напряжения ( В pp ), умноженный на количество ступеней.
Количество каскадов равно количеству конденсаторов, включенных последовательно между выходом и землей.
Один из способов взглянуть на схему состоит в том, что она действует как «насос» заряда, перекачивая электрический заряд в одном направлении, вверх по стопке конденсаторов. Цепь непрерывного тока, наряду с другими подобными конденсаторными схемами, часто называют накачкой заряда . При значительных нагрузках заряд конденсаторов частично разряжается, а выходное напряжение падает пропорционально выходному току, деленному на емкость.
На практике КС имеет ряд недостатков. По мере увеличения количества ступеней напряжения высших ступеней начинают «проседать», в первую очередь из-за электрического сопротивления конденсаторов нижних ступеней. А при подаче выходного тока пульсации напряжения быстро увеличиваются по мере увеличения количества каскадов (это можно исправить с помощью выходного фильтра, но для того, чтобы выдерживать высокие напряжения, требуется набор конденсаторов). По этим причинам непрерывные умножители с большим количеством каскадов используются только там, где требуется относительно низкий выходной ток. Провал можно уменьшить, увеличив емкость на нижних каскадах, а пульсации можно уменьшить, увеличив частоту входного сигнала и используя прямоугольную форму сигнала. За счет подачи сигнала CW от высокочастотного источника, такого как инвертор , или комбинации инвертора и трансформатора высокого напряжения, общий физический размер и вес источника питания CW можно существенно уменьшить.
Умножители непрерывного напряжения обычно используются для создания более высоких напряжений для приложений с относительно низкими токами, таких как напряжения смещения в диапазоне от десятков или сотен вольт до миллионов вольт для экспериментов по физике высоких энергий или испытаний на безопасность от молний . Умножители непрерывного излучения также встречаются, с большим количеством каскадов, в лазерных системах, высоковольтных источниках питания, рентгеновских системах, CCFL- подсветке ЖК-дисплеев , усилителях на лампах бегущей волны , ионных насосах , электростатических системах, ионизаторах воздуха , ускорителях частиц , копировальные машины , научные приборы, осциллографы , телевизоры и электронно-лучевые трубки , электрошоковое оружие , устройства для уничтожения насекомых и многие другие устройства, использующие постоянный ток высокого напряжения.
Динамитрон похож на генератор Кокрофта-Уолтона . Однако вместо питания с одного конца, как в модели Кокрофта-Уолтона, емкостная лестница заряжается параллельно электростатически высокочастотным колебательным напряжением, приложенным между двумя длинными полуцилиндрическими электродами по обе стороны колонны лестницы, которые индуцируют напряжение в полукруглых коронирующие кольца, прикрепленные к каждому концу диодных выпрямительных трубок. [2]
