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コッククロフト・ウォルトン（CW）発生器、または増倍器は、低電圧交流から高直流電圧を生成する電気回路です。[ 1 ] これは、1932年にこの回路設計を使用して粒子加速器を駆動し、史上初の加速器による核崩壊を行ったイギリスとアイルランドの物理学者ジョン・ダグラス・コッククロフトとアーネスト・トーマス・シントン・ウォルトンにちなんで名付けられました。 [ 2 ] 彼らは研究のほとんどでこの電圧増倍器カスケードを使用し、1951年に「人工的に加速された原子粒子による原子核の変換」でノーベル物理学賞を受賞しました。
この回路は、1919年にスイスの物理学者ハインリヒ・グライナッハーによって開発されました。そのため、この倍増回路はグライナッハー乗算器とも呼ばれます。コッククロフト・ウォルトン回路は現在でも粒子加速器で使用されています。また、歯科用X線装置や空気イオン化装置など、高電圧を必要とする日常的な電子機器にも使用されています。
CWジェネレータは、交流電力を低電圧レベルから高電圧レベルの直流電力に変換する電圧逓倍器です。コンデンサとダイオードの電圧逓倍ラダーネットワークで構成され、高電圧を生成します。変圧器とは異なり、この方式では、重いコアや大量の絶縁/ポッティングが不要になります。コンデンサとダイオードのみを使用するこれらの電圧逓倍器は、比較的低い電圧を非常に高い値に昇圧でき、同時に変圧器よりもはるかに軽量で安価です。このような回路の最大の利点は、カスケードの各ステージにかかる電圧が、半波整流器ではピーク入力電圧のわずか2倍であることです。全波整流器では、入力電圧の3倍になります。比較的低コストの部品で済み、絶縁が容易であるという利点があります。また、マルチタップ変圧器のように、任意のステージから出力を取り出すこともできます。
回路の動作を理解するには、右側の2段バージョンの図を参照してください。すべてのコンデンサは初期状態では充電されておらず、回路は交流電圧V iによって駆動されると仮定します。V i = V p sin ( t + π)、つまりピーク値がV pであり、電源投入後は 0 ボルトで、負の半サイクルから始まります。入力電圧がオンになると、
任意の瞬間において、奇数番目のダイオードが導通しているか、偶数番目のダイオードが導通しているかのどちらかであり、両方が導通することはありません。入力電圧の微分（つまり d V i / d t ）が変化するたびに、電流はダイオードを介してコンデンサの「スタック」の次のレベルに流れます。最終的に、AC 入力の十分なサイクル数の後、すべてのコンデンサが充電されます。（より正確には、実際の電圧が理想的な電圧に十分に近づくと言うべきです。AC 入力からのリップルは常に存在します）。C1を除くすべてのコンデンサは 2 V pの電圧まで充電され、C1 はV pまで充電されます。電圧逓倍の鍵は、コンデンサが並列に充電されている間、負荷には直列に接続されていることです。C2とC4 は出力と接地の間に直列に接続されているため、合計出力電圧（無負荷条件下）はV o = 4 V pです。
この回路は任意の段数に拡張できます。無負荷出力電圧は、ピーク入力電圧の2倍に段数Nを乗じた値、または等価的にピークツーピーク入力電圧振幅（Vpp）に段数を乗じた値となります。
段数は、出力とグランド間に直列に接続されたコンデンサの数に等しい。
この回路は、電荷を一方向に、つまりコンデンサのスタックを上方向に送り出す「電荷ポンプ」として機能すると考えることができます。CW回路は、他の同様のコンデンサ回路と同様に、しばしば電荷ポンプと呼ばれます。大きな負荷がかかると、コンデンサの電荷は部分的に減少し、出力電圧は出力電流を静電容量で割った値に応じて低下します。
実際には、CWにはいくつかの欠点があります。段数を増やすと、主に下段のコンデンサの電気インピーダンスが原因で、上段の電圧が「サグ」し始めます。また、出力電流を供給する際、段数を増やすと電圧リップルが急速に増加します（これは出力フィルタで補正できますが、高電圧に耐えるためにはコンデンサのスタックが必要です）。これらの理由から、多数の段を持つCW乗算器は、比較的低い出力電流が必要な場合にのみ使用されます。サグは下段の容量を増やすことで低減でき、リップルは入力周波数を上げるか方形波を使用することで低減できます。インバータなどの高周波源、またはインバータと高電圧トランスの組み合わせからCWを駆動することで、CW電源の全体的な物理的なサイズと重量を大幅に削減できます。
CWマルチプライヤーは、一般的に、数十ボルトから数百ボルトのバイアス電圧、あるいは高エネルギー物理実験や雷安全試験用の数百万ボルトといった、比較的低電流の用途向けに高電圧を生成するために使用されます。CWマルチプライヤーは、より多くの段数を持つものとして、レーザーシステム、高電圧電源、X線システム、CCFL LCDバックライト、進行波管増幅器、イオンポンプ、静電システム、空気イオン化装置、粒子加速器、コピー機、科学計測機器、オシロスコープ、テレビや陰極線管、電気ショック兵器、虫除け器など、高電圧DCを使用するその他多くの用途にも使用されています。
ダイナミトロンはコッククロフト・ウォルトン発生器に似ています。ただし、コッククロフト・ウォルトンのように片端から電源を取るのではなく、容量性ラダーは、ラダー列の両側にある2つの長い半円筒形電極間に印加される高周波振動電圧によって静電的に並列に充電され、ダイオード整流管の両端に取り付けられた半円形コロナリングに電圧を誘導します。[ 3 ]
