Изготовление трансформаторов на высокое напряжение и последующее выпрямление последнего представляет определенные трудности. Поэтому иногда для получения высокого постоянного напряжения применяют схемы удвоения, утроения и вообще умножения напряжения трансформатора с помощью конденсаторов и вентилей.
На зажимах вентиля (выход схемы) получается напряжение, изменяющееся от нуля до почти удвоенного напряжения трансформатора. Рядом приведена форма кривой напряжения, которая получается при включении нагрузки, не вызывающей большого падения напряжения.
Рис. 3-13. Простейшая схема выпрямления и удвоения напряжения.
Простейшая схема выпрямления и удвоения напряжения представлена на рис. 3-13. За один полупериод емкость С через кенотрон К заряжается до амплитудного значения напряжения Uа, даваемого трансформатором. В продолжение второго полупериода получается сложение напряжения на заряженном конденсаторе и трансформаторе. Результирующее напряжение на выходе схемы пульсирует от нуля до почти удвоенной амплитуды напряжения трансформатора с частотой первичного тока, сохраняя все время одну полярность. Чем меньше потребляемая мощность и чем больше зарядный ток, тем ближе к удвоенному Ua будет максимальное напряжение на выходе схемы.
Заметим, что кенотрон в схеме оказывается под максимальным напряжением, равным 2Ua.
Рис. 3-14. Сдвоенная схема удвоения с пульсирующим напряжением.
Применяется сдвоенная схема удвоения с пульсирующим напряжением, как это указано на рис. 3-14. Схема представляет собой две последовательно включенные схемы удвоения напряжения, представленные на рис. 3-13. Средняя точка обмотки трансформатора заземлена, а выпрямление производится двумя последовательно включенными кенотронами.
На рис. 3-15 изображена схема удвоения другого типа.
В первую половину периода переменного тока емкость С1 через кенотрон зарядится до напряжения К1 от трансформатора.
На рис. 3-16 приведена схема удвоения и стабилизации напряжения Грейнахера. Во время действия одной полуволны напряжения емкость С1 заряжается через кенотрон K1 до напряжения Uа, а во время другой полуволны через кенотрон К2 заряжается емкость С2.
Напряжение на выходе схемы равно сумме напряжений на обеих емкостях, т.е. приблизительно 2Uп. Схема симметрична и ее средняя точка может быть заземлена, в результате чего облегчаются изоляция установки относительно земли.
При отсутствии нагрузки на выходных зажимах схемы получается практически постоянное напряжение, равное удвоенному напряжению трансформатора.
Рис. 3-16. Схема удвоения напряжения при отсутствии нагрузки на выходных зажимах схемы.
Рис. 3-17. Изменение напряжений и токов в схеме рис. 3-16.
При включении нагрузки в продолжение каждого полупериода конденсаторы несколько разряжаются, напряжение на выходе уменьшается. На зажимах нагрузки наблюдается пульсация напряжения с частотой, равной удвоенной частоте первичного напряжения, как это представлено на рис. 3-17 (кривая 4).
При включении нагрузки с высоким сопротивлением (например, рентгеновской трубки) заряд конденсаторов и напряжение на их зажимах в продолжение времени между двумя максимумами переменного напряжения на трансформаторе уменьшаются, следуя линейному закону. Когда напряжение на зажимах конденсаторов становится меньше, чем напряжение на зажимах трансформатора, происходит подзаряд конденсаторов. На рис. 3-17 изменение напряжения на конденсаторах представлено кривыми 2 и 3, кривая 4 показывает слабо пульсирующее напряжение на зажимах нагрузки. Кривые 8-7 показывают изменение тока трансформатора, кривая 6-8-6-8-6— ток через один конденсатор, прямая 5 показывает ток через нагрузку. Напряжение на нагрузке в схеме изменяется от нуля до удвоенного максимального, даваемого трансформатором.
С увеличением тока через нагрузку конденсаторы разряжаются быстрее, вследствие чего напряжение на выходе схемы согласно изложенному выше пульсирует глубже. Соответственно выбирая параметры схемы, можно получить малую пульсацию напряжения, поэтому схема рис. 3-16 получила название стабилизирующей — «стабиловольт».
На рис. 3-18 приведена схема утроения напряжения. Когда нижний на схеме конец обмотки трансформатора b имеет максимальный положительный потенциал, оба кенотрона К1 и К2 заряжают емкости С1 и С2 до максимального значения напряжения, даваемого трансформатором.
Рис. 3-18. Схема утроения напряжения и кривая напряжения.
Так как падение напряжения на кенотронах невелико, то выходные зажимы схемы а' и b' оказываются присоединенными соответственно к выводам b и а трансформатора, и напряжение на выходе будет в этот момент равно максимальному значению напряжения вторичной обмотки трансформатора Uа. Когда же полярность напряжения изменится на противоположную, то кенотроны К1 и К2 не будут проводить ток. В этом случае напряжение на выходе схемы будет суммироваться из напряжений на обеих емкостях и трансформаторе и достигнет значения, приблизительно равного 3Ua.
Таким образом, на выходе схемы получается выпрямленное напряжение, пульсирующее от Uа до 3Uа. Аналитически кривая напряжений при малой нагрузке показана в правой части рис. 3-18 и выражается функцией
При последовательном соединении двух схем утроения возможны два случая.
Схема утроения напряжения была предложена в 1926 г. в Московском рентгеновском институте. Достоинством этой схемы является то обстоятельство, что трансформатор и конденсаторы работают при напряжении, равном 1/3 напряжения, даваемого установкой, а кенотроны должны
выдерживать обратное напряжение, равное 2/3 максимального напряжения на выходе схемы.
Среди различных способов трансформации электрической энергии существует указанный еще Франклином метод, состоящий в переключении ряда заряженных конденсаторов из параллельного соединения в последовательное. Получение высокого напряжения путем последовательного соединения заряженных конденсаторов с помощью механического устройства разрабатывалось и исследовалось многократно.
Гольц и Мах описали устройство механического приспособления, которое позволило такое переключение производить с достаточной быстротой. В 1877—1878 гг. Планте опубликовал результаты опытов, которые он проделал с батареей из 800 аккумуляторов. Планте заряжал этой батареей конденсатор, составленный сначала из 30, а потом из 40 слюдяных пластинок по 3 дм2 площадью каждая. При вращении коммутатора, непрерывно производившего указанное переключение, т. е. соединявшего пластинки параллельно при заряде и последовательно— для разряда, прибор этот, питаемый аккумуляторной батареей, давал искры 4—5 см длиной. Такой аппарат еще больших размеров был построен Траубриджем, который пользовался батареей из 10 000 аккумуляторов; конденсаторная батарея состояла из 120 плоских конденсаторов. Разряды, которые происходили при напряжении 3 000 кВ в воздухе, имели вид искр длиной 198 см. Этим же способом интересовались де Кудр, который при помощи батареи получал искры длиной 100 см, Лфаундлер, описавший свою конструкцию прибора, и Ломан, пользовавшийся способом переключения для измерения разрядного напряжения при высоком напряжении.
В. И. Лихов и В. И. Павлов предложили схему установки постоянного тока высокого напряжения, основанную на трансформировании напряжения путем последовательного соединения заряженных конденсаторов. Зарядка конденсаторного ряда производится системой вспомогательных конденсаторов. Заряженный вспомогательный конденсатор представляет собой источник энергии, не связанный с питающей установкой. Получив заряд от выпрямителя, вспомогательный конденсатор затем перемещается вдоль заряжаемого ряда последовательно соединенных конденсаторов. На время перемещения от контакта заряжающего выпрямителя по всем контактам последовательного ряда заряжаемых конденсаторов и обратно вспомогательный конденсатор не нуждается в подзарядке. Он имеет необходимую изоляцию от земли и поэтому может принимать потенциал любой точки заряжаемого ряда последовательно соединенных конденсаторов.
Рис. 3-20. Схема установки постоянного тока высокого напряжения конструкции В. И. Лихова и В. И. Павлова.
Схема возможной конструкции такой установки представлена на рис. 3-20. Ряд конденсаторов b разметается внутри кожуха — ротора а. Отводы от секций ряда конденсаторов выводятся к контактам с, располагаемым по окружности на наружной поверхности ротора. При вращении ротора контакты касаются щеток, соединенных с вспомогательными конденсаторами d и f. Напряжение от зарядной выпрямительной установки подводится к контактам е, расположенным также на боковой поверхности ротора. Контакты е расположены на той же высоте, что и контакты от внутренних секций. При вращении ротора вспомогательные конденсаторы будут последовательно заряжаться. На рис. 3-21 видно расположение контактов в плане. Контакты, помеченные 1, соответствуют нижнему— первому конденсатору, а помеченные п— верхнему.
При вращении ротора полюсы некоторого заряжающего конденсатора коснутся зарядных щеток. Затем полюсы заряженного вспомогательного конденсатора коснутся полюсов нижней секции конденсаторного ряда, потом полюсов второй секции и т. д. Вспомогательный конденсатор отдает во всех случаях часть своего заряда. Через один оборот ротора вспомогательный конденсатор вновь заряжается от источника напряжения. Когда контакты вспомогательных конденсаторов касаются контактов заряженных секций, то вспомогательные конденсаторы принимают потенциал этих секций относительно земли.
Рис. 3-21. Схема расположения контактов установки (рис. 3-20).
Таким образом, при движении вспомогательного конденсатора от первого к последнему, n-му, контакту последовательно включенные конденсаторы установки заряжаются; сам вспомогательный конденсатор при этом разряжается. Его потенциал относительно земли возрастает. Ток, получаемый от такой установки при последовательном соединении заряженных конденсаторов, можно определить из формулы 
где Iсп —ток, а;
С—емкость последовательно соединенных конденсаторов, ф;
р—число оборотов диска в секунду;
п—число вспомогательных конденсаторов;
k—коэффициент, характеризующий степень разрядки рабочей емкости.
Авторы полагают, что таким путем, например, используя последовательно соединенные электролитические конденсаторы на рабочее напряжение 500—700 В, с помощью механического коммутатора можно строить мощные установки на рабочее напряжение в несколько миллионов вольт.
Схемы рис. 3-13 и 3-16 являются частным случаем схем выпрямления и умножения напряжения. Теоретически возможно таким путем получать и сверхвысокие напряжения. Практически первая установка на 700 кВ, работающая по этому принципу, была построена в 1932 г. для изучения атомного ядра.
Получение постоянного тока высокого напряжения с помощью выпрямителей, кроме включения по схеме умножения (накопления) напряжения, может быть также осуществлено и некоторыми другими способами. Укажем включение выпрямителей, распределенных по обмотке трансформатора, или последовательное включение выпрямителей на выходе источника тока высокого напряжения.
Каждая из этих схем имеет свои существенные недостатки. Для осуществления первой схемы включения необходимо иметь трансформаторы с обмоткой специальной конструкции. При работе второй схемы получается неравномерное распределение напряжения по последовательно включенным выпрямителям в нерабочий полупериод.
Установки с применением конденсаторно-выпрямительных схем, содержащие большое число ступеней называют каскадными генераторами. Они позволяют получать сверхвысокие постоянные напряжения порядка нескольких миллионов вольт.
