Генератор Кокрофта -Уолтона ( CW ) , или умножитель , представляет собой электрическую схему , которая генерирует высокое постоянное напряжение из переменного тока низкого напряжения . [1] Он был назван в честь британского и ирландского физиков Джона Дугласа Кокрофта и Эрнеста Томаса Синтона Уолтона , которые в 1932 году использовали эту схему для питания своего ускорителя частиц , выполнив первый в истории искусственный ядерный распад. [2] Они использовали этот каскад умножителей напряжения для большинства 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 швейцарским физиком Генрихом Грайнахером . По этой причине этот каскад удвоителей иногда также называют умножителем Грайнахера . 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 CW представляет собой умножитель напряжения , который преобразует электрическую мощность переменного тока с низкого уровня напряжения в более высокий уровень постоянного напряжения. Он состоит из лестничной сети умножителя напряжения из конденсаторов и диодов для генерации высокого напряжения. В отличие от трансформаторов , этот метод устраняет необходимость в тяжелом сердечнике и большой части необходимой изоляции/заливки. Используя только конденсаторы и диоды, эти умножители напряжения могут повышать относительно низкие напряжения до чрезвычайно высоких значений, будучи в то же время намного легче и дешевле трансформаторов. Самым большим преимуществом таких схем является то, что напряжение на каждой ступени каскада равно всего лишь удвоенному пиковому входному напряжению в однополупериодном выпрямителе. В двухполупериодном выпрямителе оно в три раза больше входного напряжения. Он имеет преимущество в том, что требует относительно дешевых компонентов и его легко изолировать. Также можно отводить выход от любой ступени, как в многоотводном трансформаторе.
Чтобы понять работу схемы, см. схему двухступенчатой версии справа. Предположим, что все конденсаторы изначально не заряжены, а 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 равно 0 вольт и начинается с отрицательного полупериода. После включения входного напряжения
В любой момент времени либо нечетные диоды проводят ток, либо четные, но никогда оба одновременно. С каждым изменением 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 входного переменного тока, все конденсаторы будут заряжены. (Точнее, мы должны сказать, что их фактические напряжения будут сходиться достаточно близко к идеальным ‒ всегда будет некоторая пульсация от входного переменного тока). Все конденсаторы заряжены до напряжения 2 В p , за исключением C1 , который заряжен до V p . Ключ к умножению напряжения заключается в том, что хотя конденсаторы заряжаются параллельно, они подключены к нагрузке последовательно. Поскольку C2 и C4 включены последовательно между выходом и землей, общее выходное напряжение (в условиях отсутствия нагрузки) равно V o = 4 В p .
Эта схема может быть расширена до любого количества каскадов. Выходное напряжение без нагрузки равно удвоенному пиковому входному напряжению, умноженному на количество каскадов N или, что эквивалентно, размаху входного напряжения от пика до пика ( V pp ), умноженному на количество каскадов.
Число каскадов равно числу конденсаторов, включенных последовательно между выходом и землей.
Один из способов взглянуть на схему — это то, что она функционирует как «насос» заряда, перекачивая электрический заряд в одном направлении вверх по стеку конденсаторов. Схему CW, наряду с другими подобными схемами конденсаторов, часто называют « насосом заряда» . При значительных нагрузках заряд на конденсаторах частично истощается, и выходное напряжение падает в соответствии с выходным током, деленным на емкость.
На практике CW имеет ряд недостатков. По мере увеличения числа каскадов напряжения более высоких каскадов начинают «провисать», в первую очередь из-за электрического сопротивления конденсаторов в нижних каскадах. И при подаче выходного тока пульсация напряжения быстро увеличивается по мере увеличения числа каскадов (это можно исправить с помощью выходного фильтра, но для этого требуется набор конденсаторов, чтобы выдерживать высокие напряжения). По этим причинам умножители CW с большим числом каскадов используются только там, где требуется относительно низкий выходной ток. Провал можно уменьшить, увеличив емкость в нижних каскадах, а пульсацию можно уменьшить, увеличив частоту входного сигнала и используя прямоугольную форму сигнала. При управлении 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 создания 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 на молниезащиту . Умножители CW также встречаются с большим количеством каскадов в лазерных системах, высоковольтных источниках питания, рентгеновских системах, подсветке ЖК-дисплеев CCFL , усилителях на лампах бегущей волны , ионных насосах , электростатических системах, ионизаторах воздуха , ускорителях частиц , копировальных аппаратах , научных приборах, осциллографах , телевизорах и электронно-лучевых трубках , электрошоковом оружии , мухобойках и многих других приложениях, в которых используется постоянный ток высокого напряжения.
Динамитрон похож на генератор Кокрофта-Уолтона. Однако вместо того, чтобы питаться с одного конца, как в Кокрофте-Уолтоне, емкостная лестница заряжается параллельно электростатически высокочастотным колебательным напряжением, приложенным между двумя длинными полуцилиндрическими электродами по обе стороны колонны лестницы, которые индуцируют напряжение в полукруглых коронных кольцах, прикрепленных к каждому концу диодных выпрямительных трубок. [ 3]
