Cockcroft–Walton generator

This Cockcroft–Walton particle accelerator was used during the development of the atomic bomb. Built in 1937 by Philips of Eindhoven it is now in the National Science Museum in London, England.

750 kV Cockcroft-Walton accelerator used as the initial particle injector of the Japanese KEK accelerator, Tsukuba, Japan. The CW generator is on the right, the particle source is on the left.

The Cockcroft–Walton (CW) generator, or multiplier, is an electric circuit that generates a high DCvoltage from a low-voltage AC.^[1] It was named after the British and Irish physicists John Douglas Cockcroft and Ernest Thomas Sinton Walton, who in 1932 used this circuit design to power their particle accelerator, performing the first accelerator-induced nuclear disintegration in history.^[2] They used this voltage multiplier cascade for most of their research, which in 1951 won them the Nobel Prize in Physics for "Transmutation of atomic nuclei by artificially accelerated atomic particles".

The circuit was developed in 1919, by Heinrich Greinacher, a Swiss physicist. For this reason, this doubler cascade is sometimes also referred to as the Greinacher multiplier. Cockcroft–Walton circuits are still used in particle accelerators. They also are used in everyday electronic devices that require high voltages, such as dental X-ray machines and air ionizers.

مولد التيار المستمر هو مضاعف جهد يحول الطاقة الكهربائية المترددة من مستوى جهد منخفض إلى مستوى جهد مستمر أعلى. يتكون من شبكة متدرجة من المكثفات والثنائيات لتوليد جهود عالية. على عكس المحولات ، تُغني هذه الطريقة عن الحاجة إلى قلب حديدي سميك وكمية كبيرة من العزل/التغليف. باستخدام المكثفات والثنائيات فقط، يمكن لمضاعفات الجهد هذه رفع الجهود المنخفضة نسبيًا إلى قيم عالية للغاية، مع كونها في الوقت نفسه أخف وزنًا وأقل تكلفة بكثير من المحولات. تتمثل الميزة الأكبر لهذه الدوائر في أن الجهد عبر كل مرحلة من مراحل التتابع يساوي ضعف جهد الدخل الأقصى في مقوم نصف الموجة، بينما يساوي ثلاثة أضعاف جهد الدخل في مقوم الموجة الكاملة. كما تتميز هذه الدوائر بانخفاض تكلفة مكوناتها وسهولة عزلها. ويمكن أيضًا الحصول على خرج من أي مرحلة، كما هو الحال في المحول متعدد المنافذ.

لفهم آلية عمل الدائرة، انظر إلى مخطط النسخة ثنائية المراحل على اليمين. افترض أن جميع المكثفات غير مشحونة في البداية، وأن الدائرة تعمل بجهد متناوب V _{_i} بحيث يكون V _{_i} = V _{_p} sin( t + π) ، أي بقيمة قصوى V_{_p}، والتي تكون صفر فولت بعد التشغيل وتبدأ بنصف دورة سالبة. بعد تشغيل جهد الدخل

• عندما ينخفض ​​جهد الدخل (V _{_i}) ويقترب من ذروته السالبة ( -V_{_p)} ، يتدفق التيار من الطرف السفلي للمصدر، عبر الصمام الثنائي D1 ثم عبر المكثف C1 ، مما يؤدي إلى شحنه. يصل جهد الدخل ( V _i ) في النهاية إلى ذروته السالبة ( -V_{_p)} ، وعندها يُشحن المكثف C1 إلى جهد ( V _{_p} ). بعد ذلك، يبدأ جهد الدخل (V_i) بالارتفاع، وتنعكس _{إشارة مشتقته (dV_i} / dt ) من السالب إلى الموجب. عند حدوث ذلك، ينعكس اتجاه التيار، لأن الحمل الموصول بالمصدر سعوي بالكامل تقريبًا، وبالتالي يتقدم التيار على الجهد بزاوية 90 درجة تقريبًا.
• عندما يزداد جهد التيار (V _i) ويقترب من ذروته الموجبة (+ V_{_p}) ، يتدفق التيار من الطرف العلوي للمصدر، عبر المكثف C1 (مفرغًا إياه)، ثم عبر الصمام الثنائي D2 ، وأخيرًا عبر المكثف C2 (مشحونًا إياه). في النهاية، يصل جهد التيار ( V _{_i}) إلى + V_{_p} ، وعند إضافة جهد المكثف C1 (الذي أصبح الآن أقل بقليل من + V_{_p})، نحصل على جهد إجمالي يقارب 2V _{_p}، وهو الجهد الذي يُشحن به المكثف C2 . في هذه المرحلة، يكون الصمام الثنائي D1 منحازًا عكسيًا، فلا يمر به أي تيار.
• عندما يبدأ الجهد V _{_i} بالانخفاض مجددًا ( حيث تكون قيمة dV _i / dt سالبة )، يتدفق التيار من الطرف السفلي للمصدر، عبر المكثف C2 (مُفرغًا شحنته)، ثم عبر الصمام الثنائي D3 ، ثم عبر المكثف C3 (مُشحنًا إياه إلى جهد يقارب 2V _{_p} )، وأخيرًا عبر المكثف C1 (مُعيدًا شحنه إلى V_{_p} ، بعد أن فُرِغ جزئيًا في المرحلة السابقة). ولأن جزءًا من الجهد يسقط أيضًا على C1 وليس فقط على C3 ، فلن يُشحن C3 إلى 2V _{_p} فورًا، بل في دورات لاحقة. وينطبق الأمر نفسه على C1 و V_{_p} على التوالي. كذلك، في هذه المرحلة، يُفرغ C2 شحنته إلى جهد أقل من 2V _{_p} ، على غرار C1 في المرحلة السابقة. وسيُعاد شحنه في المرحلة التالية.
• عندما يبدأ جهد V _i بالارتفاع مجددًا، يتدفق التيار من الطرف العلوي للمصدر، عبر المكثفين C1 و C3 (مُفرغًا شحنتهما)، ثم عبر الصمام الثنائي D4 ، ثم عبر المكثف C4 (مُشحنًا إياه إلى جهد يقارب 2 فولت _ذروة )، وأخيرًا عبر المكثف C2 (مُعيدًا شحنه). خلال هذه المرحلة، يُفرغ المكثفان C1 و C3 شحنتهما إلى أقل من V _p و2 فولت _ذروة على التوالي، وسيُعاد شحنهما في المرحلة التالية.

At any given moment, either the odd-numbered diodes are conducting, or the even-numbered ones, never both. With each change in the derivative of input voltage (i.e. ⁠dV_i/dt⁠), current flows up to the next level in the "stack" of capacitors through the diodes. Eventually, after a sufficient number of cycles of the AC input, all capacitors will be charged. (More precisely, we should say their actual voltages will converge sufficiently close to the ideal ones ‒ there will always be some ripple from the AC input). All the capacitors are charged to a voltage of 2V_p, except for C1, which is charged to V_p. The key to the voltage multiplication is that while the capacitors are charged in parallel, they are connected to the load in series. Since C2 and C4 are in series between the output and ground, the total output voltage (under no-load conditions) is V_o = 4V_p.

This circuit can be extended to any number of stages. The no-load output voltage is twice the peak input voltage multiplied by the number of stages N or equivalently the peak-to-peak input voltage swing (V_pp) times the number of stages

${\displaystyle V_{o}=2NV_{p}=NV_{\text{pp}},}$

The number of stages is equal to the number of capacitors in series between the output and ground.

One way to look at the circuit is that it functions as a charge "pump", pumping electric charge in one direction, up the stack of capacitors. The CW circuit, along with other similar capacitor circuits, is often called a charge pump. For substantial loads, the charge on the capacitors is partially depleted, and the output voltage drops according to the output current divided by the capacitance.

عمليًا، يعاني مُضاعف الموجة المستمرة (CW) من عدة عيوب. فمع زيادة عدد المراحل، تبدأ جهود المراحل العليا بالانخفاض، ويعود ذلك أساسًا إلى المعاوقة الكهربائية للمكثفات في المراحل الدنيا. وعند تزويد تيار خرج، يزداد تموج الجهد بسرعة مع زيادة عدد المراحل (يمكن تصحيح ذلك باستخدام مُرشِّح خرج، ولكنه يتطلب مجموعة مكثفات لتحمُّل الجهود العالية). لهذه الأسباب، لا تُستخدم مُضاعفات الموجة المستمرة ذات عدد المراحل الكبير إلا عند الحاجة إلى تيار خرج منخفض نسبيًا. يمكن تقليل الانخفاض بزيادة سعة المكثفات في المراحل الدنيا، ويمكن تقليل التموج بزيادة تردد الدخل واستخدام موجة مربعة. من خلال تشغيل مُضاعف الموجة المستمرة من مصدر عالي التردد، مثل العاكس ، أو مزيج من العاكس ومحول الجهد العالي، يمكن تقليل الحجم والوزن الإجماليين لمصدر طاقة الموجة المستمرة بشكل كبير.

تُستخدم مضاعفات الموجة المستمرة عادةً لتوليد فولتيات أعلى لتطبيقات ذات تيارات منخفضة نسبيًا، مثل فولتيات الانحياز التي تتراوح من عشرات أو مئات الفولتات إلى ملايين الفولتات لتجارب فيزياء الطاقة العالية أو اختبارات السلامة من الصواعق . كما توجد مضاعفات الموجة المستمرة، بعدد مراحل أكبر، في أنظمة الليزر ، ومصادر الطاقة عالية الجهد، وأنظمة الأشعة السينية ، والإضاءة الخلفية لشاشات LCD بتقنية CCFL ، ومضخمات أنابيب الموجة المتنقلة ، ومضخات الأيونات ، والأنظمة الكهروستاتيكية ، ومؤينات الهواء ، ومسرعات الجسيمات ، وآلات النسخ ، والأجهزة العلمية، وأجهزة راسم الإشارة ، وأجهزة التلفزيون، وأنابيب أشعة الكاثود ، وأسلحة الصعق الكهربائي ، وأجهزة صاعق الحشرات ، والعديد من التطبيقات الأخرى التي تستخدم تيارًا مستمرًا عالي الجهد.

يشبه جهاز الديناميترون مولد كوكروفت-والتون. إلا أنه بدلاً من تزويده بالطاقة من طرف واحد كما في مولد كوكروفت-والتون، يتم شحن السلم السعوي بالتوازي كهربائياً بواسطة جهد متذبذب عالي التردد مطبق بين قطبين كهربائيين نصف أسطوانيين طويلين على جانبي عمود السلم، مما يحث جهدًا في حلقات كورونا نصف دائرية متصلة بكل طرف من أنابيب مقوم الصمام الثنائي . ^{[ 3 ]}

• Marx generator
• Voltage multiplier

• J. D. Cockcroft and E. T. S. Walton, Experiments with High Velocity Positive Ions.(I) Further Developments in the Method of Obtaining High Velocity Positive Ions, Proceedings of the Royal Society A, vol. 136, pp. 619–630, 1932.
• J. D. Cockcroft and E. T. S. Walton, Experiments with High Velocity Positive Ions. II. The Disintegration of Elements by High Velocity Protons, Proceedings of the Royal Society A, vol. 137, pp. 229–242, 1932.

• Cockcroft–Walton Multipliers Tutorial – EEVBlog at YouTube
• Cockcroft Walton
• Cockcroft Walton used in particle accelerators
• US Department of Energy