Násobiče napätia sa používajú na získanie vyšších jednosmerných napätí rádovo stovky voltov až jednotky kilovoltov z nižšieho striedavého napätia. Sú vhodné pre malé zaťažovacie prúdy, jenotky až desiatky miliampér.
Zapojenie najjednoduchšieho kaskádového násobiča napätia je znázornené na obrázku vpravo. Kvôli jednoduchšiemu pochopeniu jeho činnosti budeme predpokladať, že všetky deje, ktoré sa v obvode uskutočňujú, nastávajú postupne. Zároveň budeme predpokladať, že pred pripojením násobiča na elektrorozvodnú sieť sú všetky kondenzátory vybité. Proces vysvetľovania dejov v obvode si rozdelíme podľa polperiód výstupného striedavého napätia u2 transformátora TR. Budeme si všímať, ktorý z bodov a alebo b na výstupe transformátora bude mať v danej polperióde kladnejší potenciál a v závislosti od toho budeme sledovať procesy v obvode násobiča. Celá situácia je zakreslená do tabuľky na obrázku vpravo. (záporný pól, mínus [-], som do tabuľky nezakresľoval, kvôli jej prehľadnosti.)
Nech v polperióde I je na výstupe transformátora napätie u2 so svojou maximálnou hodnotou U2max. Ako z tabuľky na obrázku vidno, kladný pól výstupného napätia u2 je v bode a. Keďže kondenzátor C1 je vybitý, dióda D1 sa otvorí a začne ňou pretekať prúd i1. Keďže dióda D1 predstavuje skrat, prúd sa do ostatných častí obvodu násobiča nedostane. Prúdom i1 sa kondenzátor C1 nabíja na hodnotu U2max. Teda :
Teraz si všimnime polperiódu II, keď na výstupe transformátora je napätie u2' so svojou maximálnou hodnotou U2max'. Ako z tabuľky na obrázku vidno, kladný pól výstupného napätia u2' je v bode b. Dióda D1 je v tomto prípade polarizovaná v závernom smere, preto sa neotvorí. Keďže kondenzátor C2 je vybitý, dióda D2 je polarizovaná v priamom smere (na anóde je kladnejší potenciál ako na katóde), teda sa otvorí a spojí body 1 a 2 v obvode a začne ňou pretekať prúd i2. Týmto prúdom sa začne nabíjať kondenzátor C2. Keďže kondenzátor C2 je pripojený vďaka otvorenej dióde D2 medzi body 1 a a násobiča, jeho napätie bude mať veľkosť :
V polperióde III je kladný pól na výstupe transformátora v bode a. Dióda D1 sa neotvorí, lebo na anóde aj katóde, teda v bode a aj v bode 1 je rovnaké napätie a to U0. Dióda D2 sa neotvorí lebo je polarizovaná v závernom smer. Keďže kondenzátor C3 je vybitý, dióda D3 je polarizovaná v priamom smere, otvorí sa a začína ňou pretekať prúd i3. Týmto prúdom sa kondenzátor C3 začne nabíjať. V slučke a ® 2 ® 3 ® b ® a musí byť súčet napätí rovný 0 a preto :
V polperióde IV je kladný pól na výstupe transformátora v bode b. Diódy D1 a D3 sa neotvoria, lebo sú polarizované v závernom smere, dióda D2 sa neotvorí, lebo na anóde aj katóde, teda v bode 1 aj v bode 2 je rovnaké napätie a to 2×U0. Keďže kondenzátor C4 je vybitý, dióda D4 je polarizovaná v priamom smere, otvorí sa a začína ňou pretekať prúd i4. Týmto prúdom sa kondenzátor C4 začne nabíjať. V slučke b ® 3 ® 4 ® a ® b musí byť súčet napätí rovný 0 a preto :
Takto by sme mohli pokračovať v úvahe pri určovaní ďalších napätí násobiča. Na základe odvodených skutočností môžeme vysloviť tvrdenie, že všetky nasledujúce kondenzátory násobiča by sa nabili na napätie rovné 2×U 0.
Pri činosti násobiča napätia sa však uvedené procesy neuskutočňujú v postupnom časovom slede, ako sme to uviedli pri výklade. Musíme si uvedomiť, že v nepárnych polperiódach I, III, ..., prúdy označené nepárnymi indexami nabíjajú súčasne kondenzátory C1, C3, ... v čase, keď kladné napätie pôsobí v bode a. Podobne v párnych polperiódach II, IV, ..., prúdy označené párnymi indexami nabíjajú súčasne kondenzátory C2, C4, ... v čase, keď kladné napätie pôsobí v bode b.
Aby zvyšovanie napätia bolo lineárne úmerné počtu stupňov násobiča, bolo by potrebné, aby celková kapacita v obvode každého z prúdov i1, i2, ... bola veľká. Pretože kondenzátory sú zapojené do série, zvyšovanie počtu stupňov vedie k zmenšovaniu výslednej kapacity v obvode, takže výstupné napätie násobiča sa zväčšuje stále pomalšie a násobič ako zdroj napätia sa stáva mäkkým zdrojom. Preto musia mať použité kondenzátory tým väčšiu kapacitu, čím väčší je počet stupňov násobiča. Kondenzátory s veľkou kapacitou sú aj rozmerovo veľké. Naproti tomu, pri malom počte stupňov potrebujeme na sekundárnom vinutí sieťového transformátora veľké napätie. Na jeho maximálnu hodnotu U2max sa musí dimenzovať kondenzátor C1. Ostatné kondenzátory a všetky diódy v závernom smere musia zniesť dvojnásobok tohto napätia. Z tohto hľadiska by mal byť počet stupňov násobiča čo najväčší. Tieto protichodné požiadavky treba riešiť kompromisom.
Efektívna hodnota sekundárneho napätia sieťového tranzformátora pre n stupňový násobič s výsledným výstupným napätím U0t sa vypočíta z približného vzťahu :
| IFav ³ I0 |
| URM ³ 2 × U2max = 2 × U2ef × Ö2 |
Frekvencia zvlnenia výstupného napätia je totožná s frekvenciou siete.
Záťaž sa na výstup násobiča pripája podľa toho, či chceme párny alebo nepárny násobok maximálného sekundárneho napätia transformátora. Medzi bod a a niektorý párny bod násobiča, ak chceme párny násobok, alebo medzi bod b a niektorý nepárny bod násobiča, ak chceme nepárny násobok. Znázornené to je na obrázku hore.