Generador Cockcroft-Walton
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el Cockcroft - Walton ( cw ) generador , o multiplicador , es un circuito eléctrico que genera un Voltaje de CC alto de una entrada de CA de bajo voltaje o entrada de CC pulsante. Fue nombrado después de los físicos británicos e irlandeses John Douglas Cockcroft y Ernest Thomas Sinton Walton, quienes en 1932 usó este diseño de circuito para alimentar su acelerador de partículas, realizando la primera desintegración nuclear artificial en la historia. Utilizaron esta cascada multiplicador de voltaje para la mayor parte de su investigación, que en 1951 les ganó el Premio Nobel de Física por " Transmutación de núcleos atómicos mediante partículas atómicas aceleradas artificialmente ".
El circuito fue desarrollado en 1919 por Heinrich Greinacher, un físico suizo. Por este motivo, a esta cascada de duplicadores también se la denomina multiplicador de Greinacher. Los circuitos Cockcroft-Walton todavía se utilizan en aceleradores de partículas. También se utilizan en dispositivos electrónicos cotidianos que requieren altos voltajes, como máquinas de rayos X y fotocopiadoras.
Operación
El generador CW es un multiplicador de voltaje que convierte la potencia eléctrica de CC o CC pulsante de un nivel de bajo voltaje a un nivel de voltaje de CC más alto. Está compuesto por una red de condensadores y diodos multiplicador de voltaje para generar altos voltajes. A diferencia de los transformadores, este método elimina el requisito del núcleo pesado y la mayor parte del aislamiento/maceta requerida. Usando solo condensadores y diodos, estos multiplicadores de voltaje pueden aumentar voltajes relativamente bajos a valores extremadamente altos, mientras que al mismo tiempo es mucho más ligero y más barato que los transformadores. La mayor ventaja de tales circuitos es que el voltaje en cada etapa de la cascada es igual a solo el doble del voltaje de entrada máxima en un rectificador de media onda. En un rectificador de onda completa es tres veces el voltaje de entrada. Tiene la ventaja de requerir componentes de costo relativamente bajo y ser fácil de aislar. También se puede aprovechar la salida de cualquier etapa, como en un transformador de múltiples tocados.
Para comprender la operación del circuito, consulte el diagrama de la versión de dos etapas a la derecha. Suponga que todos los condensadores no se cargan inicialmente, y el circuito está alimentado por un voltaje alterno v i tal que < v i = v p sen ( t + π) , es decir, con un valor máximo de v p , que después de la potencia es 0 voltios y comienza con un medio ciclo negativo. Después de encender el voltaje de entrada
- Cuando el voltaje de entrada Vi está disminuyendo y acercando su pico negativo -Vp, flujos corrientes desde el terminal inferior de la fuente, a través del diodo D1 y luego a través de condensador C1- La carga. Vi finalmente alcanza el pico negativo -Vp, en ese momento C1 se carga a un voltaje de Vp. Vi entonces comienza a aumentar - su derivado dVi/dt invierte el signo de negativo a positivo. Cuando esto sucede, la corriente revierte su dirección, ya que la carga colocada en la fuente es casi puramente capacitiva y por lo tanto la corriente conduce tensión en casi 90°.
- Cuando Vi está aumentando y acercando su pico positivo +Vp, flujos corrientes desde el terminal superior de la fuente, a través C1 (que lo descarga), a través del diodo D2, y finalmente a través del condensador C2 (Cargando). Eventualmente, Vi Alcance +Vp, y cuando le agregamos el voltaje de C1 (que ahora está ligeramente por debajo +Vp), tenemos el voltaje resultante de casi 2Vp - este es el voltaje al cual C2 es acusado. En esta fase, diodo D1 es imparcial, así que ninguna corriente fluye a través de ella.
- Cuando Vi comienza a disminuir de nuevo (dVi/dt es negativo), flujos corrientes desde el terminal inferior de la fuente, a través C2 (que lo descarga), a través del diodo D3, a través C3 (cargándolo a un voltaje de casi 2Vp), y finalmente a través de C1 (recargarlo a Vp, después de que fue descargado parcialmente en la fase anterior). Puesto que se baja algo de tensión también en C1 y no sólo en C3, C3 no se cobrará a 2Vp inmediatamente, pero sólo en iteraciones posteriores. Lo mismo se aplica a C1 y Vp respectivamente. También, en esta fase, C2 descargas a un voltaje inferior a 2Vp, similarmente a C1 en la fase anterior. Se recargará en la siguiente fase.
- Cuando Vi comienza a aumentar de nuevo, flujos corrientes desde el terminal superior de la fuente, a través C1 y C3 (descargarlos), a través del diodo D4, a través C4 (cargándolo a un voltaje de casi 2Vp), y finalmente a través de C2 (recargarlo). Durante esta fase, C1 y C3 descarga abajo Vp y 2Vp respectivamente, y se recargará en la fase siguiente.
En un momento dado, o los diodos impares son conductores, o los pares, nunca ambos. Con cada cambio en la derivada del voltaje de entrada (es decir, dVi/dt ), la corriente fluye hasta el siguiente nivel en la "pila" de condensadores a través de los diodos. Finalmente, después de un número suficiente de ciclos de la entrada de CA, se cargarán todos los condensadores. (Más precisamente, deberíamos decir que sus voltajes reales convergerán lo suficientemente cerca de los ideales; siempre habrá alguna onda en la entrada de CA). Todos los condensadores se cargan a una tensión de 2Vp, excepto C1, que se carga a V. p. La clave para la multiplicación de voltaje es que mientras los capacitores se cargan en paralelo, están conectados a la carga en serie. Dado que C2 y C4 están en serie entre la salida y tierra, el voltaje de salida total (en condiciones sin carga) es V o = 4Vp.
Este circuito se puede ampliar a cualquier número de etapas. El voltaje de salida sin carga es el doble del voltaje de entrada máximo multiplicado por el número de etapas N o, de manera equivalente, la oscilación del voltaje de entrada de pico a pico (Vpp) multiplicado por el número de etapas
- Vo=2NVp=NVpp,{displaystyle V_{o}=2NV_{p}=NV_{text{pp}}
El número de etapas es igual al número de condensadores en serie entre la salida y tierra.
Una forma de ver el circuito es que funciona como una "bomba" de carga, que bombea carga eléctrica en una dirección hacia la pila de condensadores. El circuito CW, junto con otros circuitos de condensadores similares, a menudo se denomina bomba de carga. Para cargas sustanciales, la carga de los condensadores se agota parcialmente y el voltaje de salida cae de acuerdo con la corriente de salida dividida por la capacitancia.
Características
En la práctica, la CW tiene varios inconvenientes. A medida que aumenta el número de etapas, los voltajes de las etapas superiores comienzan a "bajar", principalmente debido a la impedancia eléctrica de los condensadores de las etapas inferiores. Y, cuando se suministra una corriente de salida, la ondulación del voltaje aumenta rápidamente a medida que aumenta el número de etapas (esto se puede corregir con un filtro de salida, pero requiere una pila de capacitores para soportar los altos voltajes involucrados). Por estas razones, los multiplicadores CW con un gran número de etapas se utilizan sólo cuando se requiere una corriente de salida relativamente baja. La caída se puede reducir aumentando la capacitancia en las etapas inferiores, y la ondulación se puede reducir aumentando la frecuencia de la entrada y usando una forma de onda cuadrada. Al activar el CW desde una fuente de alta frecuencia, como un inversor, o una combinación de un inversor y un transformador de alta tensión, el tamaño físico general y el peso de la fuente de alimentación de CW se pueden reducir sustancialmente.
Los multiplicadores CW se utilizan normalmente para desarrollar voltajes más altos para aplicaciones de corriente relativamente baja, como voltajes de polarización que van desde decenas o cientos de voltios hasta millones de voltios para experimentos de física de alta energía o pruebas de seguridad contra rayos. Los multiplicadores CW también se encuentran, con un mayor número de etapas, en sistemas láser, fuentes de alimentación de alto voltaje, sistemas de rayos X, retroiluminación LCD CCFL, amplificadores de válvulas de onda viajera, bombas de iones, sistemas electrostáticos, ionizadores de aire, aceleradores de partículas, fotocopiadoras, instrumentación científica, osciloscopios, televisores y tubos de rayos catódicos, armas de electrochoque, eliminadores de insectos y muchas otras aplicaciones que utilizan CC de alto voltaje.
El Dynamitron es similar al generador Cockcroft-Walton. Sin embargo, en lugar de ser alimentada por un extremo como en el Cockcroft-Walton, la escalera capacitiva se carga electrostáticamente en paralelo mediante un voltaje oscilante de alta frecuencia aplicado entre dos largos electrodos semicilíndricos a cada lado de la columna de la escalera, que inducen voltaje en forma semicircular. anillos de corona unidos a cada extremo de los tubos rectificadores de diodos.
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