전압 배가기 설명: 배압기, 3배압, 4배압, 콕크로프트-월튼 설계

전압 배가기는 AC 피크 입력의 정수 배가 되는 DC 출력을 생성하는 특수 정류기입니다—일반적으로 2×, 3×, 또는 4×. 실제로는 100V 피크 AC 소스로 배압기로 약 200V DC, 4배압기로 약 400V DC를 생성할 수 있지만, 실제 부하 시 이 수치는 감소합니다.

전압 배가기 유형

전압 배압기

대부분의 실험실 전원 공급 장치는 120V 또는 240V AC 소스를 약 300V DC로 올리기 위해 배압기를 사용합니다. 배압기로 구성된 전파 브리지는 120V 또는 240V 메인즈 중 어느 쪽에서든 같은 DC 전압을 전달하며, 이는 스위칭 레귤레이터로 저전압을 구동합니다.

반파 전압 배압기

반파 배압기는 클램퍼와 반파 정류기를 결합합니다. 클램퍼가 커패시터 C2를 입력의 음의 피크(≈5V 다이오드 강하 빼기)로 충전하면, 정류기가 양의 반주기 동안 C2가 발생기 전압에 더해지도록 합니다. 결과 출력은 약 10V(현실적 다이오드 강하 시 ≈8.6V)에서 안정화됩니다.

*SPICE 03255.eps
C1 2 0 1000p
D1 1 2 diode
C2 4 1 1000p
D2 0 1 diode
V1 4 0 SIN(0 5 1k)
.model diode d
.tran 0.01m 5m
.end

설명: v(4) 입력, v(1) 클램퍼 단계, v(2) 반파 정류기 단계, v(3) 최종 출력.

전파 전압 배압기

두 반파 정류기를 직렬로 적층하면, 전파 배압기는 한 커패시터를 음의 반주기에, 다른 커패시터를 양의 반주기에 충전합니다. 두 커패시터가 함께 배가된 전압을 제공하며 리플 내성이 더 높습니다.

*SPICE 03273.eps
*R1 3 0 100k
*R2 5 3 100k
D1 0 2 diode
D2 2 5 diode
C1 3 0 1000p
C2 5 3 1000p
V1 2 3 SIN(0 5 1k)
.model diode d
.tran 0.01m 5m
.end

결과: v(5)가 단일 입력 주기 내에 전체 출력에 도달.

반파 정류기에서 전파 배압기 유도

반대 극성 두 반파 정류기를 결합하고 그라운드를 재참조하면 ±5V 전원(다이오드 강하 시 ≈±4.3V)을 얻습니다. 두 출력 간 전압은 10V가 됩니다.

전압 3배압기

3배압기는 본질적으로 반파 정류기에 적층된 배압기입니다. 반파 단계가 ~5V 추가, 배압기가 ~10V 추가, 그라운드 대비 총 ~15V(다이오드 강하 시 ≈12.9V) 생성.

*SPICE 03283.eps
C3 3 0 1000p
D3 0 4 diode
C1 2 3 1000p
D1 1 2 diode
C2 4 1 1000p
D2 3 1 diode
V1 4 3 SIN(0 5 1k)
.model diode d
.tran 0.01m 5m
.end

전압 4배압기

두 배압기 단계를 적층하면 4배압기 생성. 각 배압기가 ~10V(≈8.6V 현실적) 기여, 결합 출력은 ~20V(≈17.2V). 두 DC 출력 사용 가능: 중간 배압기와 최종 단계.

*SPICE 03441.eps
*C22 4 5 1000p
*C11 3 0 1000p
D11 0 5 diode
D22 5 3 diode
C1 2 3 1000p
D1 1 2 diode
C2 4 1 1000p
D2 3 1 diode
V1 4 3 SIN(0 5 1k)
.model diode d
.tran 0.01m 5m
.end

파형은 연속적인 더 높은 레벨에서의 클램핑 보여줌: v(5), v(4), v(1).

안전 및 실용 고려사항

• 일반적 시뮬레이션 파라미터(5V, 1kHz, 1nF)는 마이크로암페어 수준 전류 생성; 밀리암페어 부하 전류용으로 kHz 회로에서 0.1-1.0µF 커패시터 사용.
• 50/60Hz 메인즈 동작용으로는 수백에서 수천 µF 커패시터 필요, 수백 밀리암페어 공급 위해.
• 전해 커패시터의 올바른 극성과 전압 정격 항상 준수—역극성은 폭발 유발 가능.
• 직결 회로(트랜스포머 없음)는 위험; 차폐 인클로저에 보관하고 안전 가드 없이 브레드보드하지 말 것.

콕크로프트-월튼 배가기

콕크로프트-월튼은 반파 배압기의 캐스케이드입니다. 8단계(x8)로 5V 피크 입력에서 다이오드 강하 고려 시 ~30V 전달 가능. 각 추가 단계가 더 적은 증분 전압을 산출하지만, 이 토폴로지는 고전압 트랜스포머 필요성 회피.

D1 7 8 diode
C1 8 6 1000p
D2 6 7 diode
C2 5 7 1000p
D3 5 6 diode
C3 4 6 1000p
D4 4 5 diode
C4 3 5 1000p
D5 3 4 diode
C5 2 4 1000p
D6 2 3 diode
D7 1 2 diode
C6 1 3 1000p
C7 2 0 1000p
C8 99 1 1000p
D8 0 1 diode
V1 99 0 SIN(0 5 1k)
.model diode d
.tran 0.01m 50m
.end

실제 응용: 광전자 증배관(최대 2000V), 공기 정화용 이온 발생기. 탭 시리즈가 저항 분배기 대체, 발열 감소 및 효율 향상.

핵심 요약

• 전압 배가기는 AC 피크 전압을 더 높은 DC 레벨로 스케일링.
• 가장 단순한 것은 반파 배압기; 전파 배압기가 리플 성능 개선.
• 3배압기는 배압기와 피크 검출기 결합; 4배압기는 두 배압기 적층.
• 콕크로프트-월튼 배가기는 비용 비싼 트랜스포머 없이 확장 가능한 고전압 제공.

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• 합산 및 차동 연산증폭기 회로 워크시트