Multiplicador de voltaje

Un multiplicador de voltaje es un circuito eléctrico que convierte la energía eléctrica de CA de un voltaje más bajo a un voltaje de CC más alto, generalmente utilizando una red de capacitores y diodos.

Los multiplicadores de voltaje se pueden utilizar para generar desde unos pocos voltios para aparatos electrónicos hasta millones de voltios para fines como experimentos de física de alta energía y pruebas de seguridad contra rayos. El tipo más común de multiplicador de voltaje es el multiplicador en serie de media onda, también llamado cascada de Villard (pero en realidad fue inventado por Heinrich Greinacher).

Operación

Suponiendo que el voltaje máximo de la fuente de CA es +U_s, y que los valores de C son lo suficientemente altos como para permitir, cuando se carga, que fluya una corriente sin cambios significativos en el voltaje, entonces El funcionamiento (simplificado) de la cascada es el siguiente:

1. ir desde el pico positivo (+U_s) a pico negativo (U_s): La C₁ condensador se carga a través del diodo D₁ a U_sV (potencial diferencia entre la placa izquierda y la derecha del condensador es U_s).
2. pasar del pico negativo al pico positivo: El voltaje de C₁ añade con el de la fuente, cargando C₂ a 2U_s D₂ y descarga C₁ en el proceso.
3. positivo al pico negativo: Voltaje de C₁ ha bajado a 0 V al final del paso anterior, permitiendo así C₃ que se imputarán a través de D₃ a 2U_s.
4. negativo a pico positivo: Voltaje de C₂ ascender a 2U_s (análogamente al paso 2), también carga C₄ a 2U_s. El voltaje de salida (la suma de voltajes de C₂ y C₄) se levanta hasta 4U_s es alcanzado.

Agregar una etapa adicional aumentará el voltaje de salida al doble del voltaje máximo de la fuente de CA (menos las pérdidas debidas a los diodos; consulte el siguiente párrafo).

En realidad, se requieren más ciclos para que C₄ alcance el voltaje total, y el voltaje de cada capacitor se reduce por la caída de voltaje directo (U< sub>f) de cada diodo en el camino hacia ese capacitor. Por ejemplo, el voltaje de C₄ en el ejemplo sería como máximo 2U_s - 4U_f< /span> ya que hay 4 diodos entre su terminal positivo y la fuente. El voltaje de salida total sería U(C₂) + U(C₄) = (2U_s - 2U_f) + (2U_s - 4U_f) = 4U_s - 6U_{f< /sub>}. En una cascada con n etapas de dos diodos y dos condensadores, el voltaje de salida es igual a 2n U_s - n(n+1) U_f. El término n(n+1) U_f representa la suma de las pérdidas de voltaje causadas por los diodos, en todos los capacitores en el lado de salida (es decir, en el lado derecho en el ejemplo: C₂ y C₄). Por ejemplo, si tenemos 2 etapas como en el ejemplo, la pérdida total es 2+4 = 2*(2+1) = 6 veces U_f. Una etapa adicional aumentará el voltaje de salida al doble del voltaje de fuente, menos la caída de voltaje directo sobre 2n+2 diodos: 2U_s - (2n+2)U_f.

Duplicador y triplicador de voltaje

Un duplicación de voltaje utiliza dos etapas para duplicar aproximadamente el voltaje de CC que se habría obtenido de un rectificador de una sola etapa. Se encuentra un ejemplo de un doble de voltaje en la etapa de entrada de las alimentaciones del modo de interruptor que contiene un interruptor SPDT para seleccionar suministro de 120 V o 240 V. En la posición de 120 V, la entrada se configura típicamente como un duplicación de voltaje de onda completa abriendo un punto de conexión de CA de un rectificador de puente, y conecta la entrada a la unión de dos condensadores de filtro conectados a series. Para la operación de 240 V, el conmutador configura el sistema como un puente de onda completa, volviendo a conectar el cable de toque central del condensador al terminal de CA abierto de un sistema de rectificador de puente. Esto permite una operación de 120 o 240 V con la adición de un interruptor SPDT simple.

Un triplador de voltaje es un multiplicador de voltaje de tres etapas. Un tripler es un tipo popular de multiplicador de voltaje. El voltaje de salida de un triplador está en práctica por debajo de tres veces el voltaje de entrada máxima debido a su alta impedancia, causada en parte por el hecho de que, como cada condensador en la cadena, suministra energía a la siguiente, se descarga parcialmente, perdiendo voltaje.

Los triplicadores se utilizaban habitualmente en los receptores de televisión en color para proporcionar alto voltaje al tubo de rayos catódicos (CRT, tubo de imagen).

Los triplers todavía se utilizan en suministros de alto voltaje como fotocopiadoras, impresoras láser, eliminadores de insectos y armas de electrochoque.

Tensión de ruptura

Si bien el multiplicador se puede utilizar para producir miles de voltios de salida, no es necesario que los componentes individuales estén clasificados para soportar todo el rango de voltaje. Cada componente sólo necesita preocuparse por las diferencias de voltaje relativas directamente entre sus propios terminales y los componentes inmediatamente adyacentes.

Por lo general, un multiplicador de voltaje estará dispuesto físicamente como una escalera, de modo que el potencial de voltaje que aumenta progresivamente no tenga la oportunidad de formar un arco hacia las secciones de potencial mucho más bajas del circuito.

Tenga en cuenta que se necesita cierto margen de seguridad en todo el rango relativo de diferencias de voltaje en el multiplicador, para que la escalera pueda sobrevivir a la falla en cortocircuito de al menos un componente de diodo o capacitor. De lo contrario, una falla de cortocircuito en un solo punto podría sobrevoltar sucesivamente y destruir cada componente siguiente en el multiplicador, destruyendo potencialmente toda la cadena del multiplicador.

Otras topologías de circuito

Stacking

En cualquier columna se utiliza un número par de celdas de diodo-condensador para que la cascada termine en una celda de alisado. Si fuera impar y terminara en una celda de sujeción, el voltaje de ondulación sería muy grande. Los condensadores más grandes en la columna de conexión también reducen la ondulación, pero a expensas del tiempo de carga y del aumento de la corriente del diodo.

Bomba de carga Dickson

La bomba de carga Dickson, o multiplicador Dickson, es una modificación del multiplicador Greinacher/Cockcroft-Walton. Sin embargo, existen varias diferencias importantes:

• El multiplicador de Dickson toma un Suministro DC como su entrada es una forma de convertidor DC-to-DC. Además de la entrada DC, el circuito requiere una alimentación de dos trenes de pulso de reloj con una amplitud oscilando entre los carriles de suministro DC. Estos trenes de pulso están en antifase.
• El multiplicador de Dickson está destinado a Aplicaciones de baja tensión, a diferencia de Greinacher/Cockcroft-Walton que se utiliza comúnmente en aplicaciones de alta tensión. Esto se debe a que el condensador final tiene que mantener todo el voltaje de salida, mientras que en el multiplicador Greinacher/Cockcroft–Walton, cada condensador tiene al máximo dos veces el voltaje de entrada (que permite fácilmente multiplicación por un factor de 10 o más).

Para describir el funcionamiento ideal del circuito, numera los diodos D1, D2 etc. de izquierda a derecha y los condensadores C1, C2 etc. Cuando el reloj ${displaystyle phi _{1}$ es bajo, D1 cobrará C1 a V_dentro. Cuando ${displaystyle phi _{1}$ va alto la placa superior de C1 es empujado hasta 2V_dentro. D1 es apagado y D2 encendido y C2 comienza a cargar a 2V_dentro. En el próximo ciclo del reloj ${displaystyle phi _{1}$ una vez más baja y ahora ${displaystyle phi _{2}$ va alta empujando la placa superior de C2 a 3V_dentro. D2 se apaga y D3 se activa, carga C3 a 3V_dentro y así sucesivamente con cargo pasando la cadena, por lo tanto la bomba de carga de nombre. La célula final de capacidad de diodo en la cascada está conectada a tierra en lugar de una fase de reloj y por lo tanto no es un multiplicador; es un detector de picos que simplemente proporciona suavizado.

Existe una serie de factores que reducen la producción del caso ideal de nV_in. Uno de ellos es el voltaje umbral, V_T del dispositivo de conmutación, es decir, el voltaje requerido para encenderlo. La salida se reducirá al menos en nV_T debido a las caídas de voltaje en los interruptores. Los diodos Schottky se utilizan comúnmente en los multiplicadores Dickson por su baja caída de tensión directa, entre otras razones. Otra dificultad es que existen capacidades parásitas a tierra en cada nodo. Estas capacitancias parásitas actúan como divisores de voltaje y los capacitores de almacenamiento del circuito reducen aún más el voltaje de salida. Hasta cierto punto, una frecuencia de reloj más alta es beneficiosa: la ondulación se reduce y la alta frecuencia hace que la ondulación restante sea más fácil de filtrar. Además, se reduce el tamaño de los condensadores necesarios, ya que es necesario almacenar menos carga por ciclo. Sin embargo, las pérdidas por capacitancia parásita aumentan al aumentar la frecuencia del reloj y un límite práctico es de unos pocos cientos de kilohercios.

Los multiplicadores de Dickson se encuentran con frecuencia en circuitos integrados (ICS) donde se utilizan para aumentar un suministro de batería de bajo voltaje al voltaje que necesita el IC. Es ventajoso para el diseñador y el fabricante de IC poder usar la misma tecnología y el mismo dispositivo básico en todo el IC. Por esta razón, en la popular tecnología CMOS ICS, el transistor que forma el bloque de construcción básico de los circuitos es el MOSFET. En consecuencia, los diodos en el multiplicador de Dickson a menudo se reemplazan con mosfets conectados para comportarse como diodos.

La versión MOSFET con cable de diodo del multiplicador Dickson no funciona muy bien a voltajes muy bajos debido a las grandes caídas de voltaje de la fuente de drenaje de los MOSFET. Con frecuencia, se utiliza un circuito más complejo para superar este problema. Una solución es conectar en paralelo con el MOSFET de conmutación otro MOSFET polarizado en su región lineal. Este segundo MOSFET tiene un voltaje de fuente de drenaje más bajo que el que tendría el MOSFET de conmutación por sí solo (porque el MOSFET de conmutación se activa con fuerza) y, en consecuencia, aumenta el voltaje de salida. La puerta del MOSFET con polarización lineal está conectada a la salida de la siguiente etapa para que se apague mientras la siguiente etapa se carga desde el condensador de la etapa anterior. Es decir, el transistor de polarización lineal se apaga al mismo tiempo que el transistor de conmutación.

Un multiplicador ideal de 4 etapas de Dickson (5× multiplicador) con una entrada de 1,5 V tendría un producto 7.5 V. Sin embargo, un multiplicador de 4 etapas con cable de diodo sólo puede tener una salida de 2 V. Agregar MOSFETs paralelos en la región lineal mejora esto a todo 4 V. Los circuitos más complejos todavía pueden lograr una salida mucho más cercana al caso ideal.

Existen muchas otras variaciones y mejoras en el circuito básico de Dickson. Algunos intentan reducir el voltaje del umbral de conmutación, como el multiplicador Mandal-Sarpeshkar o el multiplicador WU. Otros circuitos cancelan el voltaje umbral: el multiplicador UMEDA lo hace con un voltaje proporcionado externamente y el multiplicador de Nakamoto lo hace con voltaje generado internamente. El multiplicador Bergeret se concentra en maximizar la eficiencia de la energía.

Modificación para RF Power

En los circuitos integrados CMOS, las señales de reloj están fácilmente disponibles o se generan fácilmente. Este no siempre es el caso en los circuitos integrados de RF, pero a menudo habrá disponible una fuente de energía de RF. El circuito multiplicador Dickson estándar se puede modificar para cumplir con este requisito simplemente conectando a tierra la entrada normal y una de las entradas del reloj. La potencia de RF se inyecta en la otra entrada del reloj, que luego se convierte en la entrada del circuito. La señal de RF es efectivamente el reloj y la fuente de energía. Sin embargo, dado que el reloj se inyecta solo en cada dos nodos, el circuito solo logra una etapa de multiplicación por cada segunda celda de diodo-condensador. Las otras celdas de diodo-condensador simplemente actúan como detectores de picos y suavizan la ondulación sin aumentar la multiplicación.

Condensador conmutado de acoplamiento cruzado

Se puede formar un multiplicador de voltaje a partir de una cascada de duplicadores de voltaje del tipo capacitor conmutado de acoplamiento cruzado. Este tipo de circuito se utiliza normalmente en lugar de un multiplicador Dickson cuando el voltaje de la fuente es 1,2 V o menos. Los multiplicadores Dickson tienen una eficiencia de conversión de energía cada vez más pobre a medida que el voltaje de entrada cae porque la caída de voltaje a través de los transistores cableados con diodos se vuelve mucho más significativa en comparación con el voltaje de salida. Dado que los transistores en el circuito de acoplamiento cruzado no están cableados con diodos, el problema de la caída de voltaje no es tan grave.

El circuito funciona cambiando alternativamente la salida de cada etapa entre un doble voltaje impulsado por ${displaystyle phi _{1}$ y uno impulsado por ${displaystyle phi _{2}$. Este comportamiento conduce a otra ventaja sobre el multiplicador de Dickson: reducción del voltaje ondulado al doble de la frecuencia. El aumento de la frecuencia de onda es ventajoso porque es más fácil de eliminar filtrando. Cada etapa (en un circuito ideal) eleva el voltaje de salida por la tensión máxima del reloj. Suponiendo que este sea el mismo nivel que el voltaje de entrada DC entonces un n multiplicador de fase (idealmente) NV_dentro. La causa principal de las pérdidas en el circuito cruzado es la capacitancia parasitaria en lugar de cambiar el voltaje del umbral. Las pérdidas ocurren porque parte de la energía tiene que ir a cargar las capacitaciones parasitarias en cada ciclo.

Aplicaciones

Los suministros de alto voltaje para los tubos de rayos catódicos (CRT) en los televisores a menudo usan multiplicadores de voltaje con el condensador de suavizado de etapa final formado por los recubrimientos interiores y exteriores de Aquadag en la propia CRT. Los CRT eran anteriormente un componente común en los televisores. Los multiplicadores de voltaje todavía se pueden encontrar en televisores modernos, fotocopiadores y bugspapers.

Los multiplicadores de alto voltaje se utilizan en equipos de pintura en aerosol, más comúnmente que se encuentran en las instalaciones de fabricación de automóviles. Se usa un multiplicador de voltaje con una salida de aproximadamente 100kV en la boquilla del rociador de pintura para cargar eléctricamente las partículas de pintura atomizadas que luego se atraen por las superficies metálicas cargadas de oposición para pintar. Esto ayuda a reducir el volumen de pintura utilizada y ayuda a extender una capa uniforme de pintura.

Un tipo común de multiplicador de voltaje utilizado en la física de alta energía es el generador Cockcroft-Walton (que fue diseñado por John Douglas Cockcroft y Ernest Thomas Sinton Walton para un acelerador de partículas para su uso en la investigación que les valió el Premio Nobel de Física en 1951).