콕크로프트-월튼 발전기

Cockcroft–Walton generator
이 Cockcroft-Walton 입자 가속기는 원자폭탄을 개발할 때 사용되었습니다. 1937년에 아인트호벤의 필립스에 의해 지어진 이 박물관은 현재 영국 런던의 국립과학박물관에 있습니다.
750 kV Cockcroft-Walton 가속기 일본 츠쿠바 가속기의 초기 입자 분사기로 사용되었습니다. CW 발생기는 오른쪽에 있고 입자 소스는 왼쪽에 있습니다.

Cockcroft-Walton(CW) 발전기 또는 곱셈기는 저전압 교류 또는 펄스 직류 입력으로부터 높은 직류 전압을 생성하는 전기 회로입니다. 영국과 아일랜드의 물리학자 존 더글라스 콕크로프트(John Douglas Cockcroft)와 어니스트 토마스 신튼 월튼(Ernest Thomas Sinton Walton)의 이름을 따서 지어졌습니다. 1932년 이 회로 설계를 사용하여 입자 가속기에 동력을 공급하여 역사상 최초의 인공 핵 분해를 수행했습니다.[1] 그들은 대부분의 연구에 이 전압 승수 캐스케이드를 사용하여 1951년 "인공적으로 가속된 원자 입자에 의한 원자핵의 변환"으로 노벨 물리학상을 수상했습니다.

이 회로는 1919년 스위스 물리학자 하인리히 그라이나허에 의해 개발되었습니다. 이러한 이유로 이 더블러 캐스케이드를 그라이너처 승수라고도 합니다. Cockcroft-Walton 회로는 여전히 입자 가속기에 사용됩니다. 또한 X선 기계 및 복사기와 같이 고전압이 필요한 일상적인 전자 장치에 사용됩니다.

작동

2단계 Cockcroft-Walton 승수
3단 전파 CW 승수

CW 발전기는 교류 또는 펄스 직류 전력을 낮은 전압 레벨에서 높은 DC 전압 레벨로 변환하는 전압 곱셈기입니다. 커패시터와 다이오드의 전압 승수 사다리 네트워크로 구성되어 높은 전압을 생성합니다. 변압기와 달리 이 방법은 무거운 코어와 필요한 많은 절연/포팅의 필요성을 제거합니다. 커패시터와 다이오드만을 사용하여 이 전압 곱셈기는 비교적 낮은 전압을 극도로 높은 값으로 끌어올릴 수 있으며 동시에 변압기보다 훨씬 가볍고 저렴합니다. 그러한 회로의 가장 큰 장점은 캐스케이드의 각 단계에 걸친 전압이 반파 정류기의 피크 입력 전압의 두 배에 불과하다는 것입니다. 전파 정류기에서는 입력 전압의 3배입니다. 상대적으로 저렴한 부품이 필요하고 절연이 용이하다는 장점이 있습니다. 멀티탭 변압기와 같이 모든 단계의 출력을 탭할 수도 있습니다.

회로 작동을 이해하려면 오른쪽에 있는 2단계 버전의 다이어그램을 참조하십시오. 모든 커패시터가 처음에 충전되지 않은 상태이고 회로가 V = V sin(t + π)과 같은 교류 전압 V로 전원이 공급된다고 가정합니다. 즉, 전원을 켠 후 0V이고 음의 반주기로 시작합니다. 입력 전압이 켜진 후

  • 입력 전압 V가i 감소하여 음의 피크 -V에p 가까워지면 소스의 하단 단자에서 다이오드 D1을 거쳐 커패시터 C1을 통해 전류가 흘러 충전됩니다. V는 결국 음의 피크 -V에 도달하고, 이때 C1은 V의 전압으로 충전됩니다. 그런 다음 V는 도함수를 ‒ 증가시키기 시작합니다. dVi/dt는 부호를 음수에서 양수로 되돌립니다. 이 경우 소스에 가해지는 부하는 거의 순수하게 정전 용량이므로 전류가 거의 90°까지 전압을 유도하기 때문에 전류가 방향을 반대로 전환합니다.
  • V가i 증가하여 양의 피크 +V에p 가까워지면 소스의 상단 단자에서 C1(방전), 다이오드 D2, 마지막으로 커패시터 C2(충전)를 통해 전류가 흐릅니다. 결국 V는 +V에 도달하고 여기에 C1의 전압을 더하면 거의 2V ‒의 전압을 얻게 됩니다. 이것이 바로 C2가 충전되는 전압입니다. 이 단계에서 다이오드 D1은 역 바이어스이므로 전류가 흐르지 않습니다.
  • V가i 다시 감소하기 시작하면(dVi/dt는 음), 소스의 하단 단자에서 전류가 흐르며, C2(방전), 다이오드 D3, C3(거의 2V의p 전압으로 충전), 마지막으로 C1(이전p 단계에서 부분 방전된 후 V로 충전)으로 흐릅니다. C3뿐만 아니라 C1에서도 일부 전압이 강하되기 때문에 C3는 즉시 2V로p 충전되지 않고 이후의 반복에서만 충전됩니다. C1과 V도p 각각 동일하게 적용됩니다. 또한 이 단계에서 C2는 이전 단계의 C1과 마찬가지로 2Vp 미만의 전압으로 방전됩니다. 다음 단계에서 충전됩니다.
  • V가i 다시 증가하기 시작하면 소스의 상단 단자에서 C1 및 C3(방전), 다이오드 D4, C4(거의 2Vp 전압으로 충전), 마지막으로 C2(충전)를 통해 전류가 흐릅니다. 이 단계에서 C1 및 C3는 각각 Vp 및 2Vp 미만으로 방전되며, 다음 단계에서 재충전됩니다.

어떤 순간에도 홀수 다이오드가 도통하거나 짝수 다이오드가 도통하거나 둘 다 도통하지 않습니다. 입력 전압의 도함수(즉, dVi/dt)가 변화할 때마다 전류는 다이오드를 통해 커패시터의 "스택"에서 다음 레벨로 흐릅니다. 결국 충분한 수의 AC 입력 사이클 후에 모든 커패시터가 충전됩니다. (더 정확하게는 실제 전압이 이상적인 전압에 충분히 가깝게 수렴될 것이라고 말해야 합니다. ‒ AC 입력에서 항상 약간의 리플이 있을 것입니다.) V로p 충전되는 C1을 제외한 모든 커패시터는 2V의p 전압으로 충전됩니다. 전압 증가의 핵심은 커패시터가 병렬로 충전되는 동안 직렬로 부하에 연결된다는 것입니다. C2와 C4는 출력과 접지 사이에 직렬이므로 총 출력 전압(무부하 조건에서)은 V = 4V입니다.

이 회로는 모든 단계로 확장할 수 있습니다. 무부하 출력 전압은 피크 입력 전압에 스테이지 수 N을 곱한 2배 또는 이와 동등하게 피크 대 피크 입력 전압 스윙(Vpp)에 스테이지 수를 곱한 값입니다.

스테이지 수는 출력과 접지 사이의 직렬 커패시터 수와 동일합니다.

회로를 살펴보는 한 가지 방법은 전하 "펌프" 기능을 하여 전하를 한 방향으로 펌핑하여 커패시터 스택을 위로 끌어올린다는 것입니다. CW 회로는 다른 유사한 커패시터 회로와 함께 종종 전하 펌프라고 불립니다. 상당한 부하의 경우 커패시터의 전하가 부분적으로 고갈되고 출력 전류를 커패시턴스로 나눈 값에 따라 출력 전압이 떨어집니다.

특성.

실제로 CW에는 여러 가지 단점이 있습니다. 스테이지 수가 증가함에 따라 높은 스테이지의 전압이 "새그"되기 시작하는데, 이는 주로 낮은 스테이지에 있는 커패시터의 전기 임피던스 때문입니다. 그리고, 출력 전류를 공급할 때, 스테이지 수가 증가함에 따라 전압 리플이 급격히 증가합니다(이는 출력 필터로 보정할 수 있지만, 관련된 고전압을 견디기 위해서는 커패시터의 스택이 필요합니다). 이러한 이유로 스테이지 수가 많은 CW 승수는 비교적 낮은 출력 전류가 필요한 경우에만 사용됩니다. 저단의 정전용량을 증가시켜 처짐을 줄일 수 있으며 입력의 주파수를 증가시키고 사각 파형을 사용하여 리플을 줄일 수 있습니다. 인버터, 또는 인버터와 HV 트랜스포머의 조합과 같은 고주파 소스로부터 CW를 구동함으로써, CW 전원의 전체적인 물리적 크기 및 중량을 실질적으로 감소시킬 수 있습니다.

CW 승수는 일반적으로 고에너지 물리학 실험 또는 낙뢰 안전성 테스트를 위한 수십 또는 수백 볼트에서 수백만 볼트에 이르는 바이어스 전압과 같은 비교적 낮은 전류 응용을 위한 더 높은 전압을 개발하는 데 사용됩니다. 또한 레이저 시스템, 고전압 전원 공급 장치, X선 시스템, CCFL LCD 백라이트, 주행파 튜브 증폭기, 이온 펌프, 정전기 시스템, 공기 이온 주입기, 입자 가속기, 복사기, 과학 기기, 오실로스코프, 텔레비전 세트 및 브라운관에서 스테이지 수가 더 많은 CW 승수가 발견됩니다. 고압 직류를 사용하는 전기 충격 무기, 버그 재퍼 및 기타 많은 응용 프로그램.

Dynamitron은 Cockcroft-Walton 발전기와 유사합니다. 그러나 용량성 사다리는 Cockcroft-Walton처럼 한쪽 끝에서 전원을 공급받는 대신 사다리 기둥 양쪽에 있는 긴 반원통 전극 사이에 인가되는 고주파 발진 전압에 의해 정전적으로 병렬로 충전됩니다. 다이오드 정류기 튜브의 각 끝에 부착된 반원형 코로나 링에 전압을 유도합니다.[2]

이미지 갤러리

1948년 옥스퍼드 대학교 Clarendon Lab에서 1.2 MV 6단 Cockcroft–Walton 가속기
1937년 베를린 카이저 빌헬름 연구소의 3 MV CW 가속기는 당시 가장 강력한 CW라고 말했습니다(두 개의 4단 사다리는 반대 극성을 나타냈습니다). 축척을 위해 맨 위 중앙에 있는 세 개의 인간 형상을 기록합니다.
카이저 빌헬름 기계 제어판
음극선관 텔레비전 세트의 양극 공급에서 3단 반도체 다이오드 캐스케이드 승수(녹색)

참고 항목

메모들

  1. ^ Kleppner, Daniel; Kolenkow, Robert J. (1973). An Introduction to Mechanics (2nd ed.). Boston: McGraw-Hill. p. 498. ISBN 0-07-035048-5.
  2. ^ Nunan, Craig S. (26 May 1989). Present and Future Applications of Industrial Accelerators (PDF). Proceedings of the 9th Fermilab Industrial Affiliates Roundtable on Applications of Accelerators. Fermilab, Batavia, Illinois: Stanford Linear Accelerator Center. p. 64. Retrieved 30 July 2020.

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외부 링크

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