DE1763763A1

DE1763763A1 - Spannungsvervielfacher

Info

Publication number: DE1763763A1
Application number: DE19681763763
Authority: DE
Inventors: Wilson Donald J
Original assignee: Erie Technological Products Inc
Current assignee: Erie Technological Products Inc
Priority date: 1967-08-03
Filing date: 1968-08-03
Publication date: 1971-09-30
Also published as: GB1203502A; US3467849A

Description

ERIE TECHNOLOGICALPRODUCTS, INC₄ 644 West 12th Street, Erle, Pennsylvania / V.St.A.

Spannungsvervielfacher

Die Erfindung betrifft einen Spannungsvervielfacher mit mehreren Ausgängen, welcher in einer bevorzugten Ausführungsform Ausgänge mit niedriger und hoher Gleichspannung besitzt. Der Hochspannungsausgang ist auf den Niederspannungsausgang bezogen und eine Rückkopplungsschleife erzeugt eine innere Regelung. Bei einer Ausführungsform 1st der Hochspannungsausgang ohne wesent-

Bu/Gr.

liehe

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liehe Änderung des Niederspannungsausgangs einstellbar.

Anhand der Figuren wird die Erfindung beispielsweise »} näher erläutert. Es zeigt q

Figur 1 eine Schaltskizze eines parallelgeschalteten Spannungsvervielfachers mit zwei Ausgängen,

Figur 2 eine Schaltskizze eines in Reihe geschalteten Spannungsvervielfaches mit zwei Ausgängenj

Figur 3 eine Abwandlung der Figur 1, bei welcher der Hochspannungsausgang einstellbar ist und

Figur *i eine Abwandlung der Figur 2, bei welcher der Hochspannungsausgang einstellbar ist.

Bei dem in Figur 1 dargestellten Spannungsvervielfacher wird die Eingangsleistung von der Sekundärwicklung 1 eines Transformators mit einer bei 2 angedeuteten Wechselspannung erhalten, bei welcher die Spitze jedes Halbzyklus gleich V₁ ist. Der Spannungsvervielfacher weist mehrere Stufen oder Abschnitte auf, deren jede aus einem Gleichrichter und einem zugehörigen Kondensator besteht. Die erste Stufe enthält einen Kondensator 3a, welcher an seiner Klemme ¹Ia

während 109840/0463

während jedes positiven Halbzyklus über einen Gleichrichter 5a auf eine positive Spannung geladen wird. Die Spannung an der Klemme ¹Ja ist dementsprechend die Spitzenspannung V. der Eingangsspannung und ist bezüglich Erde positiv. Die zweite Stufe des Spannungsvervielfacher weist einen Kondensator 3b auf, dessen Klemme 4b über den Gleichrichter 5b während jedes negativen Halbzyklus der Eingangsspannung positiv geladen wird. Da der Gleichrichter 5b zwischen die Klemmen 4a und 4b geschaltet ist, ist die Gleichspannung am Kondensator 3b gleich der Spannung des Kondensators 3a plus der Spitzenspannung V· vom Transformator 1. Die dritte Stufe des Spannungsvervielfachers weist einen Kondensator 3c auf, dessen Klemme 4c über den Gleichrichter 5c während jedes positiven Halbzyklus auf eine Spannung gleich V^ plus der Spannung des Kondensators 3b geladen wird. Die vierte, fünfte, sechste und siebte Stufe des Spannungsvervielfachers sind durch die gleichen Bezugszahlen mit den Indices d, e, f und g bezeichnet. Die Kondensatoren 3a, 3c, 3e und 3g werden während jedes positiven HaIbzyklus der Eingangsspannung bezüglich Erde positiv geladen, während die Kondensatoren 3b, 3d und 3f während Jedes negativen Halbzyklus der Eingangespannung bezüglich Erde negativ geladen werden. In Jedem Fall ist die Spannung eines Kondensators gleich V, plus der Spannung

des 109840/04 8-3

_ If _

des vorhergehenden Kondensators, so daß der Kondensator 3a (der ersten Stufe) auf die Spannung V₁ + 0, der Kondensator 3b (der zweiten Stufe) ,auf die Spannung V₁ + V₁, der Kondensator 3c (der dritten Stufe) auf die Spannung 2V₁ + V₁ geladen wird usw., bis der Kondensator 3g in der siebten Stufe des Vervielfachers auf das Siebenfache der Spannung V₁ des Kondensators 3a in der ersten Stufe geladen wird. Der bis hierher beschriebene Spannungsvervielfacher ist als Parallelvervielfacher bekannt, da die Kondensatoren Jeweils eine gemeinsame Elektrode aufweisen und daher in Reihe geschaltet zu sein scheinen. Bei den Kondensatoren 3a, 3c, 3e und 3g ist die gemeinsame Elektrode mit Erde verbunden und bei den Kondensatoren 3b, 3d und 3f ist die gemeinsame Elektrode mit der Hochspannungsseite verbunden. Der Vervielfacher wird zwar Parallelvervielfacher genannt, die Anschlüsse sind jedoch so, daß die Spannungen in den aufeinanderfolgenden Stufen summiert werden, so daß die Spannung der Stufe 3_n gleich dem n-fachen der Spannung einer einzigen Stufe ist.

Der Spannungsvervielfacher gemäß Figur 1 weist zwei Qleichspannungsausgänge auf, und zwar einen an der Klemme oder an der letzten Stufe des Vervielfachers auftretenden Hochspannungsausgang und den an der Klemme 6, eltieir der Klemmen einer früheren Stufe, auftretenden Niederspannungs-

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ausgang. Bei der dargestellten Ausführungsform des Vervielfachers wird der Niederspannungsausgang an der Klemme 4a der ersten Stufe erhalten, er könnte jedoch offensichtlich auch von einer späteren Stufe, beispielsweise von der Klemme 4b usw., abgenommen werden. Der Niederspannungsausgang tritt zwischen der Klemme und Erde auf. Der Hochspannungsausgang tritt zwischen der Klemme 6 und der Klemme 7 auf und die mit dem Hochspannungsausgang verbundene Belastung ist durch den Widerstand 8 und den Schalter 9 angedeutet. Bei Belastung wird der Schalter 9 geschlossen und die Spannung Vg an der Klemme 6 sucht auf die Spannung V₇ an der Klemme 7 mit einer Geschwindigkeit zu steigen, welche gleich

(V₇ - V₆)(I - e™),

wobei t die Zeit, r der Belastungswiderstand 8 und c die .Kapazität der in Reihe liegenden Kondensatoren 3a und 3g Ist. Diese Ladung findet während des ersten positiven Halbzyklus nach dem Schließen des Schalters statt. Dies bedeutet, daß während des ersten Halbzyklus nach dem Schließen des Schalters 9 der Kondensator 3a auf die Spannung V. plus Δν geladen wird oder in anderen Worten, daß die normale Ladung V₁ des Kondensators 3a Infolge des Vorhandenseins des Belastungswiderstands 8

vergrößert 109840/0483

vergrößert wird. Bei nachfolgenden Halbzyklen wird dieser Spannungsschritt ΔV zu den Ladungen der Kondensatoren 3b, 3c, 3d, 3e, 3f und 3g addiert. Die Spannung an der Klemme 7 steigt daher um einen Betrag gleichtV und der Spannungsschritt AV tritt an dem kleinen Widerstand 8 auf. Dadurch werden die Spannungen an den Klemmen 6 und 7 auf ihren belastungsfreien Werten gehalten. Das Ergebnis ist eine selbstregelnde Steuerschleife, welche die Spannungen an den Klemmen 6 und 7 unter veränderlichen Belastungsbedingungen konstant zu halten sucht.

In Figur 2 ist ein Vervielfacher dargestellt, welcher gleich dem in Figur 1 dargestellten ist, mit Ausnahme der Verbindungsart der Vervielfacherstufen. Die einzelnen Vervielfacherstufen 3a-g, *la-g und 5a-g sind gleich. Die Vervielfacherstufen sind jedoch insofern in Reihe geschaltet, als die Kondensatoren 3a, 3c, 3e, 3g an der Erdseite des Vervielfachers in Reihe geschaltet zu sein scheinen und die Kondensatoren 3b, 3d, 3f an der Hochspannungsseite des Vervielfachers in Reihe geschaltet zu sein scheinen. Die Art der Spannungsvervielfachung ist die gleiche wie bei der Ausführungsform nach Figur Der Kondensator 3a wird während des ersten positiven Halbzyklus auf die Spannung V₁ geladen und während des

nächsten 109840/0463

nächsten negativen Halbzyklus wird die Spannung Vj des Kondensators 3a zu der negativen Ladung V^ am Kondensator 3b addiert. Dies wird während der folgenden Halbzyklen fortgesetzt, so daß die Spannung an irgendeinem Kondensator 3 in der n~ten Stufe gleich dem η-fachen der Spannung V. ist. Um den Vergleich zwischen den Figuren 1 und 2 zu vereinfachen, ist die Niederspannungs-Ausgangsklemme 6 an die Klemme ¹Ja der- ersten Stufe des Vervielfachers angeschlossen und die Hochspannungs-Ausgangsklemme 7 ist mit der Klemme 4g der letzten Stufe des Vervielfachers verbunden und die Belastung 8 ist über den Schalter 9 an die Klemmen 6 und 7 angeschlossen. Ohne Belastung ist die Spannung Vr an der Klemme 6 gleich V. und die Spannung V₇ an der Klemme 7 ist gleich dem siebenfachen von V., da sieben Stufen im Vervielfacher vorhanden sind. Wenn der Schalter 9 geschlossen wird, wird der Kondensator 3a während des ersten Halbzyklus mit einer Geschwindigkeit gleich

(V₇ - V₆)(I - e^rc),

d.h. er wird mit der gleichen Geschwindigkeit geladen wie der Kondensator 3a bei der Schaltung gemäß Figur 1. Dadurch wird die Spannung am Kondensator 3a um den Betrag Δν erhöht und während nachfolgender Halbzyklen wird diese Spannung ΔV zu der Ladung der Kondensatoren 3b, 3c, 3d, 3e, 3f und 3g addiert, so daß zuletzt die Spannung AV am Be-

109840/0463 lastungswiderstand

lastungswiderstand 8 auftritt und die Neigung der Spannung Vy ausgleicht, unter Belastung abzufallen, und auch die Neigung der Spannung Vg an der Klemme 6 ausgleicht, auf die Spannung Vy an der Klemme 7 zu steigen. Dadurch werden die.Spannungen an den Klemmen 6 und 7 unter veränderlicher Belastung im wesentlichen konstant gehalten.

Die in Figur 3 dargestellte Schaltung verwendet die gleichen einzelnen Abschnitte des Spannungsvervielfachers wie die Schaltungen gemäß Figuren 1 und 2, wobei die Abschnitte wie in Figur 1 unter folgenden Abänderungen parallelgeschaltet sind: Zuerst ist ein veränderlicher Kondensator 3b¹ zwischen den Wechselspannungseingang und einen Teil der Vervielfacherstufen geschaltet. Der Zweck des veränderlichen Kondensators besteht darin, mit der Eingangskapazitanz dieser Stufen zusammenzuwirken und einen Spannungsteiler zur Veränderung des Wechselspannungseinganges zu bilden. Wie bei Spannungsteilern ist die Wechselspannung am Kondensator 3b* und der in Reihe liegenden Eingangskapazitanz gleich der Wechselspannung an der Eingangskapazitanz gemäß Figur 1 und dementsprechend tritt in Figur 3 eine geringere Wechselspannung am Vervielfachereingang auf, welche entsprechend der Einstellung des Kondensators 3b* veränderlich let. Ein zweiter Unterschied in den Schaltungsverbindungen besteht darin, daß die gemeinsamen Elektroden der Kondensatoren 3c, 3e und 3g

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mit der Klemme 4a des ersten Vervielfacherabschnittes verbunden sind. Dies bedeutet, daß die Vervielfacherabschnitte nach der Klemme 4a einen veränderlichen Spannungsvervielfacher darstellen, dessen Wechselspannungseirigang ein Bruchteil des Wechselspannungseinganges in den Niederspannungsabschnitt 3a, 4a, 5a ist. Der Kondensator 3b¹ ändert sich gewöhnlich im wesentlichen von der Größe der Eingangskapazitanz bis zum Mehrfachen dieses Werts. Beispielsweise betrug bei einem bestimmten Vervielfacher mit einem Wechselspannungseingang von 400 V bei einer Frequenz von 15 kHz die Eingangskapazitanz 7 pF und der Kondensator 3b' war von 7 pF bis 45 pF veränderlich. Dies ermöglicht im wesentlichen eine Veränderung des Ausgangs des veränderliehen Spannungsvervielfachers um 2:1. Unter Belastung wird jede Änderung der Spannung Vg infolge einer Ladung des Kondensators 3a von V~ unmittelbar (während des nächsten Halbzyklus) zum veränderlichen Spannungsvervielfacher übertragen und die Änderung oder der Spannungsschritt wird während nachfolgenden Halbzyklen rings um die Schleife gepumpt, $o daß Veränderungen in der Spannung Vg an der Klemme 6 minimal gtmacht werden. Bei dem bestimmten Bei spiel betrug die Veränderung der Spannung Vg weniger als 10 V von

Normalspannung von 400 V.

Bei der In Figur 4 gezeigten Schaltung wird der gleiche Wechselstromelngang und die gleichen Vervielfacherab-

109840/0463 schnitte

schnitte 3a-g, ^a-g, 5a-g verwendet, welche wie In Figur 2 In Reihe geschaltet sind, wobei der veränderliche Kondensator 3b¹ den Kondensator 3b ersetzt, so daß die Eingangsspannung für die nachfolgenden Stufen des Vervielfachers verringert wird. Die Arbeitswelse ist die gleiche wie bei Figur 3· Schrittweise Änderungen der Spannung Vg infolge der Last 8 werden auf die Stufe 3b', ¹Jb, 5b gegeben und rings um die Schleife einschließlich der nachfolgenden Stufen 3c-g, ^c-g» 5c-g gepumpt, wobei der Schalter 9 und der Widerstand 8 ein Schwanken der Spannung Vg infolge von Belastungsveränderungen verhindern. Wie bei Figur 3 bilden die Abschnitte 3b'-g, 4b-g, 5b-g einen unabhängigen Spannungsvervielfacher, dessen Qlelchspannungsausgang durch Veränderung des Kondensators 3b* einstellbar 1st.

Die Spannungsregelung hängt von der Pump- oder Rückkopplungs- wirkung ab, durch welche während aufeinanderfolgender Halbzyklen jeder Spannungsschritt im Niederspannungsausgang rings um die Rückkopplungsschleife gepumpt oder übertragen wird. Wenn der Wechselspannungseingang abgeschaltet wird, hört die Rückkopplung auf und die Kondensatoren entladen sich, wodurch die Spannung Vg auf die Spannung V~ ansteigt. Der Anstieg der Spannung Vg kann durch eine Überspannungs-Schutzeinrichtung, wie eine Funkenstrecke, eine Lawinendlode, einen gesteuerten Siliciumgleichrichter und dergleichen,

welche 109840/04 6 3

welche parallel zu V> geschaltet ist, verhindert werden. Solche Einrichtungen ergeben einen Kurzschluß mit geringer Impedanz parallel zu Vg, wenn die Spannung den zulässigen Wert übersteigt.

Patentansprüche

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Claims

Patentansprüche

1.) Spannungsvervielfacher, gekennzeichnet durch einen Wechselspannungseingang mit einer Reihe von mehreren Kondensator-ßleichrichterabschnitten, wobei abwechselnde Abschnitte der Reihe mit dem Eingang verbunden sind, so daß die Kondensatoren während positiven Halbzyklen geladen werden, und Zwischenabschnitte der Reihe so angeschlossen sind, daß die Kondensatoren während negativen Halbzyklen geladen werden, und wobei die Abschnitte der Reihe so verbunden sind, daß ctie Ladungen der Kondensatoren kumulativ addiert werden_j um einen Gleichspannungsausgang oder Gleichspannungsausgänge gleich der Summe der Ladungen der Kondensatoren zu erhalten, durch einen Niederspannungs-Ausgangsabgriff.aus einem ersten Kondensator nahe dem Eingang, einen Hochspannungs-Ausgang3abgriff aus einem zweiten Kondensator entfernt vom Eingang und durch eine Rückkopplungsschlelfe vom Hochspannungsausgang zum Niederspannungsausgang zum Laden des ersten Kondensators proportional zu der am Hochspannungsausgang liegenden Belastung.

2. Vervielfacher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß 109840/0463

daß die Abschnitte der Reihe derart parallelgeschaltet sind, daß die Kondensatoren der abwechselnden Abschnitte der Reihe mit gemeinsamen Elektroden mit einer Seite des Wechselspannungseinganges verbunden sind und die Kondensatoren der Zwisohenabschnitte der Reihe mit gemeinsamen Elektroden mit der entgegengesetzten Seite des Wechselspannungseinganges verbunden sind.

3. Vervielfacher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschnitte der Reihe derart in Reihe geschaltet sind, daß die Kondensatoren der abwechselnden Abschnitte mit einer Seite des Wechselspannungseinganges in Reihe geschaltet sind und die Kondensatoren der Zwischenabschnitte mit der anderen Seite des Wechselspannungseinganges in Reihe geschaltet sind.

¹J. Vervielfacher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein veränderlicher Kondensator in Reihe mit einem Kondensator eines Abschnittes nach dem Niederspannungsaus-

gang geschaltet ist, so daß ein Spannungsteller zur einstellbaren Verminderung der Ladung dieses Kondensators

ι
und dad ireh zur Verminderung des Hochspannungsausganges

gebilde; wird*

5· Vervielfacher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,

daß

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daß die RUckkopplungsschleife für den Hochspannungsausgang mit dem Nlederspannungs-Ausgangsabgrlff verbunden ist.

6. Vervielfacher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein veränderlicher Kondensator in Reihe mit einem Kondensator eines Abschnittes nach dem Niederspannungsausgang geschaltet 1st, so daß ein Spannungsteller zur einstellbaren Verminderung der Ladung dieses Kondensators und dadurch zur Verminderung des Hochspannungsausganges gebildet wird.

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