Generator Cockcrofta-Waltona - Cockcroft–Walton generator

Ten akcelerator cząstek Cockcrofta-Waltona był używany podczas opracowywania bomby atomowej . Zbudowany w 1937 roku przez Philipsa w Eindhoven jest obecnie w Narodowym Muzeum Nauki w Londynie , w Anglii .
Akcelerator Cockcroft-Walton 750 kV używany jako początkowy wtryskiwacz cząstek w japońskim akceleratorze KEK , Tsukuba, Japonia. Generator CW znajduje się po prawej stronie, źródło cząstek po lewej.

Cockcrofta-Walton ( CW ) generatora lub mnożący , to obwód elektryczny , który generuje wysoki stałego napięcia od niskiego napięcia AC lub prądu stałego pulsującego wejście. Został nazwany na cześć brytyjskich i irlandzkich fizyków Johna Douglasa Cockcrofta i Ernesta Thomasa Sintona Waltona , którzy w 1932 roku wykorzystali ten projekt obwodu do zasilania akceleratora cząstek , dokonując pierwszego w historii sztucznego rozpadu jądrowego. Wykorzystali tę kaskadę mnożnika napięcia do większości swoich badań, które w 1951 roku przyniosły im Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za „Transmutację jąder atomowych przez sztucznie przyspieszane cząstki atomowe”. Układ został odkryty w 1919 roku przez Heinricha Greinachera , szwajcarskiego fizyka . Z tego powodu ta kaskada podwajaczy jest czasami nazywana mnożnikiem Greinachera . Obwody Cockcrofta-Waltona są nadal używane w akceleratorach cząstek. Stosowane są również w codziennych urządzeniach elektronicznych wymagających wysokiego napięcia, takich jak aparaty rentgenowskie , kuchenki mikrofalowe i kserokopiarki .

Operacja

Dwustopniowy mnożnik Cockcrofta-Waltona
Trójstopniowy pełnofalowy mnożnik CW

Generator CW to mnożnik napięcia, który przekształca prąd przemienny lub pulsujący prąd stały z niskiego poziomu napięcia na wyższy poziom napięcia stałego. Składa się z sieci kondensatorów i diod powielacza napięcia do generowania wysokich napięć. W przeciwieństwie do transformatorów , ta metoda eliminuje konieczność stosowania ciężkiego rdzenia i większości wymaganej izolacji/zalewania. Używając tylko kondensatorów i diod, te powielacze napięcia mogą podnosić stosunkowo niskie napięcia do bardzo wysokich wartości, a jednocześnie są znacznie lżejsze i tańsze niż transformatory. Największą zaletą takich obwodów jest to, że napięcie na każdym stopniu kaskady jest równe tylko dwukrotności szczytowego napięcia wejściowego w prostowniku półfalowym. W prostowniku pełnookresowym jest to trzykrotność napięcia wejściowego. Ma tę zaletę, że wymaga stosunkowo tanich komponentów i jest łatwy do zaizolowania. Można też odczepić wyjście z dowolnego stopnia, jak w wieloodczepowym transformatorze.

Aby zrozumieć działanie obwodu, patrz schemat wersji dwustopniowej po prawej stronie. Przyjmuje się, że obwód jest zasilany napięciem przemiennym V I o wartości szczytowej V p , i początkowo kondensatory są rozładowane. Po włączeniu napięcia wejściowego

  • Gdy napięcie wejściowe V i osiąga ujemny szczyt - V s , prąd płynie przez diodę D1 do naładowania kondensatora C1 do napięcia V p .
  • Gdy V i odwraca biegunowość i osiąga pik dodatni + V p , dodaje się do napięcia kondensatora, aby wytworzyć napięcie 2 V P na c1 s stroną płyty. Od D1 jest odwrotnie wymuszonym prąd przepływa z C1 przez diodę D2 , ładowanie kondensatora C2 z napięciem 2 V p .
  • Gdy V i ponownie odwraca polaryzację prądu z C2 płynie przez diodę D3 , ładowanie kondensatora C3 również napięcie 2 V p .
  • Gdy V i ponownie odwraca polaryzację prądu z C3 płynie przez diody D4 , ładowanie kondensatora C4 również napięcie 2 V p .

Z każdą zmianą polaryzacji wejściowej prąd płynie w górę „stosu” kondensatorów przez diody, aż wszystkie zostaną naładowane. Wszystkie kondensatory są pokrywane napięciu 2 V p , z wyjątkiem C1 , który jest obciążony V p . Kluczem do powielania napięcia jest to, że podczas gdy kondensatory są ładowane równolegle, są one połączone szeregowo z obciążeniem. Ponieważ C2 i C4 są szeregowo między wyjściem i ziemią, wyższym napięciem wyjściowym (w warunkach bez obciążenia) jest V o = 4 V s .

Obwód ten można rozszerzyć na dowolną liczbę etapów. Napięcie wyjściowe bez obciążenia jest dwukrotnością szczytowego napięcia wejściowego pomnożonego przez liczbę stopni N lub równoważnie wahania napięcia wejściowego ze szczytu do szczytu ( V pp ) razy liczba stopni

Liczba stopni jest równa liczbie kondensatorów połączonych szeregowo między wyjściem a masą.

Jednym ze sposobów patrzenia na obwód jest to, że działa on jako „pompa ładunkowa”, pompując ładunek elektryczny w jednym kierunku, w górę stosu kondensatorów. Obwód CW, wraz z innymi podobnymi obwodami kondensatorów, jest często nazywany pompą ładunkową . Przy dużych obciążeniach ładunek na kondensatorach jest częściowo rozładowany, a napięcie wyjściowe spada zgodnie z prądem wyjściowym podzielonym przez pojemność.

Charakterystyka

W praktyce CW ma szereg wad. Wraz ze wzrostem liczby stopni napięcia wyższych stopni zaczynają „zapadać się”, głównie z powodu elektrycznej impedancji kondensatorów w niższych stopniach. A przy dostarczaniu prądu wyjściowego tętnienie napięcia gwałtownie wzrasta wraz ze wzrostem liczby stopni (można to skorygować za pomocą filtra wyjściowego, ale wymaga to stosu kondensatorów, aby wytrzymać występujące wysokie napięcia). Z tych powodów powielacze CW z dużą liczbą stopni są używane tylko tam, gdzie wymagany jest stosunkowo niski prąd wyjściowy. Zwis można zmniejszyć, zwiększając pojemność w niższych stopniach, a tętnienie można zmniejszyć, zwiększając częstotliwość sygnału wejściowego i stosując przebieg prostokątny. Napędzając CW ze źródła o wysokiej częstotliwości, takiego jak falownik lub kombinację falownika i transformatora WN, całkowity fizyczny rozmiar i ciężar zasilacza CW można znacznie zmniejszyć.

Mnożniki CW są zwykle używane do opracowywania wyższych napięć w zastosowaniach stosunkowo niskoprądowych, takich jak napięcia polaryzacji w zakresie od dziesiątek lub setek woltów do milionów woltów w eksperymentach fizyki wysokoenergetycznej lub testach bezpieczeństwa odgromowego . Mnożniki CW występują również, o większej liczbie stopni, w systemach laserowych , zasilaczach wysokonapięciowych, systemach rentgenowskich , podświetleniu LCD , wzmacniaczach lampowych o fali bieżącej, pompach jonowych , systemach elektrostatycznych , jonizatorach powietrza , akceleratorach cząstek , kopiowaniu maszyny , oprzyrządowanie naukowe , oscyloskopy , telewizory i lampy elektronopromieniowe , broń elektrowstrząsowa , zappery i wiele innych zastosowań wykorzystujących prąd stały o wysokim napięciu.

Galeria obrazów

1.2 MV 6-stopniowy akcelerator Cockcrofta-Waltona w Clarendon Lab, Oxford University w 1948 r.
Akcelerator 3 MV CW w Kaiser Wilhelm Institute w Berlinie w 1937, uważany za najpotężniejszy CW w tamtych czasach (dwie czterostopniowe drabiny wytwarzały przeciwną biegunowość). Zwróć uwagę na trzy postacie ludzkie u góry pośrodku, aby uzyskać skalę.
Panel sterowania maszyny Kaiser Wilhelm
3-stopniowy powielacz kaskadowy diody półprzewodnikowej (zielony) w zasilaniu anodowym odbiornika telewizyjnego z kineskopem

Zobacz też

Podobnym układem jest generator Marxa , który ma podobną konstrukcję „drabinkową”, ale składa się z rezystorów, kondensatorów i iskierników. Generator Marksa wytwarza krótkie impulsy, podczas gdy generator CW wytwarza stały prąd stały. W przeciwieństwie do mnożnika Cockcrofta-Waltona (generatora), generator Marksa potrzebuje powietrza do iskierników i nie może być zanurzony w oleju jako izolator.

Uwagi

Dalsza lektura

Zewnętrzne linki