Генератор Кокрофта-Уолтона - Cockcroft–Walton generator

Это Кокрофт-Уолтон умножитель напряжения был частью одного из первых ускорителей частиц, ответственных за развитие Атомная бомба. Построен в 1937 г. Philips из Эйндховен это сейчас в Национальный музей науки в Лондон, Англия.

В Кокрофт – Уолтон (CW) генератор, или же множитель, является электрическая цепь что порождает высокий ОКРУГ КОЛУМБИЯ Напряжение от низкого напряжения AC или импульсный вход постоянного тока. Он был назван в честь британских и ирландских физиков. Джон Дуглас Кокрофт и Эрнест Томас Синтон Уолтон, которые в 1932 году использовали эту схему для питания своих ускоритель частиц, осуществив первый в истории искусственный ядерный распад.^[1] Они использовали это умножитель напряжения каскад для большинства своих исследований, которые в 1951 году принесли им Нобелевская премия по физике за «Трансмутацию атомных ядер искусственно ускоренными атомными частицами». Схема была открыта в 1919 г. Генрих Грайнахер, швейцарец физик. По этой причине этот каскад удвоителей иногда также называют Множитель Грайнахера. Схемы Кокрофта – Уолтона до сих пор используются в ускорителях частиц. Они также используются в бытовых электронных устройствах, требующих высокого напряжения, таких как Рентгеновские аппараты, электронно-лучевая трубка телевизионные наборы, микроволновые печи и копировальные аппараты.

Операция

Двухступенчатый множитель Кокрофта – Уолтона

Трехступенчатый двухполупериодный умножитель CW

Генератор CW - это умножитель напряжения который преобразует электрическую мощность переменного или импульсного постоянного тока из низкого Напряжение уровень до более высокого уровня постоянного напряжения. Он состоит из лестничной сети с умножителем напряжения конденсаторы и диоды для создания высокого напряжения. В отличие от трансформаторы, этот метод устраняет необходимость в тяжелом сердечнике и необходимом объеме 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 Напряжение на каждой ступени каскада всего лишь удвоенное пиковое входное напряжение в полуволновом выпрямителе. В двухполупериодном выпрямителе оно в три раза превышает входное напряжение. Его преимущество заключается 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 принцип работы схемы, см. Схему двухступенчатой версии справа. Предположим, что схема питается от переменного напряжения. V_я с пиковым значением V_п, причем изначально конденсаторы не заряжены. После включения входного напряжения

Когда входное напряжение V_я достигает своего отрицательного пика -V_п, ток течет через диод D1 заряжать конденсатор C1 до напряжения V_п.
Когда V_я меняет полярность и достигает своего положительного пика +V_п, он добавляет к напряжению конденсатора, чтобы получить напряжение 2V_п на C1правая пластина. С D1 имеет обратное смещение, ток течет от C1 через диод D2, зарядный конденсатор C2 до напряжения 2V_п.
Когда V_я снова меняет полярность, ток от C2 протекает через диод D3, зарядный конденсатор C3 также до напряжения 2V_п.
Когда V_я снова меняет полярность, ток от C3 протекает через диод D4, зарядный конденсатор C4 также до напряжения 2V_п.

С каждым изменением входной полярности ток течет вверх по «стопке» конденсаторов через диоды, пока все они не будут заряжены. Все конденсаторы заряжены до напряжения 2V_п, кроме C1, который взимается с V_п. Ключ к умножению напряжения заключается в том, что, хотя конденсаторы заряжаются параллельно, они подключаются к нагрузке последовательно. С C2 и C4 включены последовательно между выходом и землей, общее выходное напряжение (в условиях холостого хода) равно V_о = 4V_п.

Эта схема может быть расширена до любого количества ступеней. Выходное напряжение без нагрузки в два раза превышает пиковое входное напряжение, умноженное на количество ступеней. N или, что то же самое, от пика до пика размах входного напряжения (V_pp) умноженное на количество стадий

{ displaystyle V_ {o} = 2NV_ {p} = NV _ { text {pp}},}

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, нагнетая электрический заряд в одном направлении вверх по стопке конденсаторов. Цепь CW, наряду с другими подобными цепями конденсатора, часто называется зарядный насос. При значительной нагрузке заряд конденсаторов частично истощается, и выходное напряжение падает в соответствии с выходным током, деленным на емкость.

Характеристики

На практике CW имеет ряд недостатков. По мере увеличения количества ступеней напряжения на более высоких ступенях начинают «проседать», в первую очередь из-за электрический импеданс 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 нижних каскадов, а пульсации можно уменьшить, увеличив частоту входного сигнала и используя прямоугольную форму волны. Управляя CW от высокочастотного источника, такого как инвертор, или комбинация инвертора и высоковольтного трансформатора, общий физический размер и вес источника непрерывного питания могут быть существенно уменьшены.

Умножители CW обычно используются для выработки более высоких напряжений для относительно слаботочных приложений, таких как напряжения смещения от десятков или сотен вольт до миллионов вольт для физика высоких энергий эксперименты или молния проверка безопасности. Множители CW также встречаются с большим количеством ступеней в лазер системы, высоковольтные источники питания, рентгеновский снимок системы, LCD подсветка, лампа бегущей волны усилители, ионные насосы, электростатический системы, ионизаторы воздуха, ускорители частиц, копировальные машины, научное оборудование, осциллографы, телевизоры и электронно-лучевые трубки, электрошоковое оружие, ошибка Zappers и многие другие приложения, использующие высоковольтный постоянный ток.

Галерея

6-ступенчатый ускоритель Кокрофта – Уолтона мощностью 1,2 МВ в лаборатории Кларендона, Оксфордский университет, 1948 г.

Ускоритель CW мощностью 3 МВ при Институт кайзера Вильгельма, Берлин в 1937 году, который считался самым мощным CW в то время (две 4-ступенчатые лестницы давали противоположную полярность). Обратите внимание на три человеческие фигуры вверху в центре для масштабирования.

Панель управления станка Кайзера Вильгельма

Трехступенчатый каскадный умножитель на полупроводниковых диодах (зеленый) в анодном питании электронно-лучевая трубка телевизор

Смотрите также

Похожая схема - это Генератор Маркса, который имеет аналогичную «лестничную» структуру, но состоит 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.

Примечания

^ Клеппнер, Даниэль; Коленков, Роберт Дж. (1973). Введение в механику (2-е изд.). Бостон: Макгроу-Хилл. п.498. ISBN 0-07-035048-5.

дальнейшее чтение

внешняя ссылка

[1] Клеппнер, Даниэль; Коленков, Роберт Дж. (1973). Введение в механику (2-е изд.). Бостон: Макгроу-Хилл. п.498. ISBN 0-07-035048-5.

[1]