INGENIERÍA ELECTRICA

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Villard multiplicador de voltaje en cascada.

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 usando una red de condensadores y diodos .

Los multiplicadores de voltaje se pueden usar para generar unos pocos voltios para aparatos electrónicos, hasta millones de voltios para fines tales 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 Villard (pero en realidad inventado por Heinrich Greinacher ).

Operación [ editar ]

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 está cargada, que una corriente fluya sin un cambio significativo en el voltaje, entonces el funcionamiento (simplificado) de la cascada es como sigue:

Ilustración de la operación descrita, con + U _s = 100 V

1. pico negativo (−U _s ): el condensador C ₁ se carga a través del diodo D ₁ a U _s  V ( la diferencia de potencial entre la placa izquierda y derecha del condensador es U _s )
2. pico positivo (+ U _s ): el potencial de C _{1 se} suma al de la fuente, cargando C ₂ a 2U _{s a} través de D ₂
3. pico negativo: el potencial de C _{1 se} ha reducido a 0 V, lo que permite cargar C ₃ a través de D ₃ a 2U _s .
4. pico positivo: el potencial de C ₂ aumenta a 2U _s (análogamente al paso 2), cargando también C ₄ a 2U _s . El voltaje de salida (la suma de los voltajes bajo C ₂ y C ₄ ) aumenta hasta alcanzar 4U _s .

En realidad, se requieren más ciclos para que C ₄ alcance el voltaje completo. Cada etapa adicional de dos diodos y dos condensadores aumenta el voltaje de salida en dos veces el voltaje de alimentación de CA pico.

Doblador y triplicador de voltaje [ editar ]

Ver también: duplicador de voltaje

Un circuito duplicador de voltaje Cockcroft-Walton . Genera un voltaje de salida de CC V _o del doble del voltaje de entrada de CA pico a pico V _i

Un duplicador de voltaje usa dos etapas para duplicar aproximadamente el voltaje de CC que se habría obtenido de un rectificador de una sola etapa . Un ejemplo de un duplicador de voltaje se encuentra en la etapa de entrada de las fuentes de alimentación en modo interruptor que contienen un interruptor SPDT para seleccionar una fuente de 120 V o 240 V. En la posición de 120 V, la entrada se configura típicamente como un duplicador de voltaje de onda completa abriendo un punto de conexión de CA de un puente rectificador y conectando la entrada a la unión de dos condensadores de filtro conectados en serie. Para la operación de 240 V, el interruptor configura el sistema como un puente de onda completa, reconectando el cable de derivación central del capacitor al terminal abierto de CA de un sistema de puente rectificador. Esto permite la operación de 120 o 240 V con la adición de un simple interruptor SPDT.

Un disparador de voltaje es un multiplicador de voltaje de tres etapas. Un triplicador es un tipo popular de multiplicador de voltaje. El voltaje de salida de un triplicador es en la práctica inferior a tres veces el voltaje de entrada pico debido a su alta impedancia , causada en parte por el hecho de que cada capacitor de la cadena suministra energía al siguiente, se descarga parcialmente, perdiendo voltaje al hacerlo.

Los triples se usaban comúnmente en receptores de televisión en color para proporcionar el alto voltaje para el tubo de rayos catódicos (CRT, tubo de imagen).

Los triples todavía se usan en suministros de alto voltaje , como copiadoras , impresoras láser , eliminadores de errores y armas de electrochoque .

Tensión de ruptura [ editar ]

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 solo debe ocuparse de las diferencias de voltaje relativas directamente a través de sus propios terminales y de los componentes inmediatamente adyacentes a él.

Por lo general, un multiplicador de voltaje se organizará físicamente como una escalera, de modo que el potencial de voltaje progresivamente creciente no tenga la oportunidad de atravesar las secciones de potencial mucho más bajas del circuito.

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

Otras topologías de circuito [ editar ]

Dos cascadas accionadas por un solo transformador de derivación central. Esta configuración proporciona rectificación de onda completa que conduce a una menor ondulación y ante cualquier colapso del arco eléctrico, la energía capacitiva puede cancelarse.

Apilado

Una segunda cascada apilada sobre la primera impulsada por un segundo devanado secundario aislado de alto voltaje. El segundo devanado está conectado con un cambio de fase de 180 ° para obtener la rectificación de onda completa. Los dos devanados deben aislarse contra la gran tensión entre ellos.

Un solo devanado secundario de un transformador que impulsa dos cascadas de polaridades opuestas al mismo tiempo. El apilamiento de las dos cascadas proporciona una salida del doble del voltaje pero con mejores características de ondulación y carga del condensador que las que se obtendrían con una sola cascada larga del mismo voltaje.

Se utiliza un número par de celdas de diodo-condensador en cualquier columna para que la cascada termine en una celda de suavizado. Si fuera extraño 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 el aumento de la corriente del diodo.

Bomba de carga Dickson [ editar ]

Bomba de carga Dickson estándar (4 etapas: multiplicador 5 ×)

La bomba de carga Dickson , o multiplicador Dickson , es una modificación del multiplicador Greinacher / Cockcroft-Walton . Sin embargo, a diferencia de ese circuito, el multiplicador Dickson toma un suministro de CC como entrada, por lo que es una forma de convertidor de CC a CC . Además, a diferencia de Greinacher / Cockcroft – Walton, que se utiliza en aplicaciones de alto voltaje, el multiplicador Dickson está diseñado para fines de bajo voltaje. Además de la entrada de CC, el circuito requiere una alimentación de dos trenes de impulsos de reloj con una amplitud oscilante entre los rieles de suministro de CC. Estos trenes de pulso están en antifase. ^[1]

Para describir el funcionamiento ideal del circuito, numere los diodos D1, D2, etc. de izquierda a derecha y los condensadores C1, C2, etc. Cuando el reloj $${\ displaystyle \ phi _ {1}}es baja, D1 cargará C1 a V _in . Cuando$${\ displaystyle \ phi _ {1}}va alto, la placa superior de C1 se empuja hasta 2 V _adentro . D1 se apaga y D2 se enciende y C2 comienza a cargar a 2 V _in . En el siguiente ciclo de reloj$${\ displaystyle \ phi _ {1}} de nuevo baja y ahora $${\ displaystyle \ phi _ {2}}va alto empujando la placa superior de C2 a 3 V _adentro . D2 se apaga y D3 se enciende, la carga de C3 a 3 V _en y así sucesivamente con carga que pasa por la cadena, de ahí el nombre de la bomba de carga . La celda final de diodo-condensador 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 pico que simplemente proporciona suavizado . ^[2]

Hay una serie de factores que reducen la salida 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 en al menos nV _T debido a la caída de voltios a través de los interruptores. Los diodos Schottky se usan comúnmente en los multiplicadores Dickson por su baja caída de voltaje directo, entre otras razones. Otra dificultad es que hay capacidades parásitas a tierra en cada nodo. Estas capacitancias parásitas actúan como divisores de voltaje con los condensadores de almacenamiento del circuito reduciendo aún más el voltaje de salida. ^[3] 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. También se reduce el tamaño de los condensadores necesarios ya que se necesita almacenar menos carga por ciclo. Sin embargo, las pérdidas por capacitancia parásita aumentan con el aumento de la frecuencia de reloj y un límite práctico es de unos cientos de kilohercios. ^[4]

Bomba de carga Dickson utilizando MOSFET cableados con diodos (4 etapas: multiplicador 5 ×)

Los multiplicadores de Dickson se encuentran con frecuencia en circuitos integrados (IC) donde se usan para aumentar el suministro de batería de bajo voltaje al voltaje que necesita el IC. Es ventajoso para el diseñador y fabricante de circuitos integrados poder utilizar la misma tecnología y el mismo dispositivo básico en todo el circuito integrado. Por esta razón, en los circuitos integrados de tecnología CMOS populares , el transistor que forma el bloque de construcción básico de los circuitos es el MOSFET . En consecuencia, los diodos en el multiplicador Dickson a menudo se reemplazan con MOSFET conectados para comportarse como diodos. ^[5]

Bomba de carga Dickson con MOSFET lineal en paralelo con MOSFET cableado por diodo (4 etapas: multiplicador 5 ×)

La versión MOSFET con cable de diodo del multiplicador Dickson no funciona muy bien con voltajes muy bajos debido a las grandes caídas de voltaje de fuente de drenaje de los MOSFET. Con frecuencia, se utiliza un circuito más complejo para superar este problema. Una solución es conectarse en paralelo con el MOSFET de conmutación y otro MOSFET sesgado en su región lineal. Este segundo MOSFET tiene un voltaje de fuente de drenaje más bajo que el MOSFET de conmutación por sí solo (porque el MOSFET de conmutación se activa con fuerza) y, en consecuencia, el voltaje de salida aumenta. La compuerta del MOSFET polarizado 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. ^[6]

Un ideal de 4 etapas Dickson multiplicador (5 × multiplicador) con una entrada de 1,5 V tendría una potencia de 7,5 V . Sin embargo, un MOSFET multiplicador de 4 etapas diodo-cableado podría tener sólo una salida de 2 V . Adición de MOSFETs en paralelo en la región lineal mejora este a alrededor de 4 V . Los circuitos más complejos aún pueden lograr una salida mucho más cercana al caso ideal. ^[7]

Existen muchas otras variaciones y mejoras en el circuito básico de Dickson. Algunos intentan reducir el voltaje de umbral de conmutación, como el multiplicador Mandal-Sarpeshkar ^[8] o el multiplicador Wu. ^[9] Otros circuitos cancelan el voltaje umbral: el multiplicador Umeda lo hace con un voltaje provisto externamente ^[10] y el multiplicador Nakamoto lo hace con voltaje generado internamente. ^[11] El multiplicador de Bergeret se concentra en maximizar la eficiencia energética. ^[12]

Modificación de potencia de RF [ editar ]

Bomba de carga Dickson modificada (2 etapas: 3 × multiplicador)

En los circuitos integrados CMOS, las señales de reloj están fácilmente disponibles, o bien se generan fácilmente. Este no es siempre el caso en los circuitos integrados de RF , pero a menudo estará 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 de 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 otro nodo, el circuito solo logra una etapa de multiplicación por cada segunda celda de diodo-condensador. Las otras celdas de condensadores de diodos simplemente actúan como detectores de picos y suavizan la ondulación sin aumentar la multiplicación. ^[13]

Condensador conmutado de acoplamiento cruzado [ editar ]

Cascada de duplicadores de voltaje MOSFET de acoplamiento cruzado (3 etapas: multiplicador 4 ×)

Un multiplicador de voltaje puede estar formado por una cascada de duplicadores de voltaje del tipo de condensador conmutado de acoplamiento cruzado . Este tipo de circuito se usa típicamente en lugar de un multiplicador Dickson cuando el voltaje de la fuente es de 1.2 V o menos. Los multiplicadores de Dickson tienen una eficiencia de conversión de energía cada vez más pobre a medida que cae el voltaje de entrada porque la caída de voltaje en los transistores 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 conectados por diodos, el problema de caída de voltaje no es tan grave. ^[14]

El circuito funciona alternando alternativamente la salida de cada etapa entre un duplicador de voltaje accionado por $${\ displaystyle \ phi _ {1}} y uno conducido por $${\ displaystyle \ phi _ {2}}. Este comportamiento lleva a otra ventaja sobre el multiplicador de Dickson: voltaje de ondulación reducido al doble de la frecuencia. El aumento en la frecuencia de ondulación es ventajoso porque es más fácil de eliminar mediante filtrado. Cada etapa (en un circuito ideal) aumenta el voltaje de salida por el voltaje pico del reloj. Suponiendo que este es el mismo nivel que el voltaje de entrada de CC, un multiplicador de n etapas (idealmente) generará nV _en . La causa principal de las pérdidas en el circuito de acoplamiento cruzado es la capacitancia parásita en lugar del voltaje de umbral de conmutación. Las pérdidas se producen porque parte de la energía tiene que ir a cargar las capacidades parásitas en cada ciclo. ^[15]

Aplicaciones [ editar ]

Cascada de TV (verde) y transformador flyback (azul).

Los suministros de alto voltaje para los CRT a menudo usan multiplicadores de voltaje con el condensador de suavizado de la etapa final formado por los revestimientos interiores y exteriores del acuario en el propio CRT.

Un tipo común de multiplicador de voltaje utilizado en 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 investigaciones que les valió el Premio Nobel de Física en 1951) .

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Un generador de inversión de vector de componente discreto de 3 etapas.

Un generador de inversión de vectores ( VIG ) es un dispositivo eléctrico de compresión de pulso y multiplicación de voltaje, que permite conformar un pulso más lento y de menor voltaje a uno más estrecho y de mayor voltaje. Los VIG se usan en tecnología militar, por ejemplo, algunas armas de energía dirigida , como una etapa secundaria de otra fuente de energía pulsada, comúnmente un generador ferroeléctrico impulsado por explosivos .

Construcción [ editar ]

Las VIG de componentes discretos (en la imagen) consisten en una pila de choques de modo común bien acoplados interconectados con una pila de condensadores. Los inductores presentan una alta inductancia a las corrientes que están en fase en los dos devanados, y una inductancia mucho menor cuando las corrientes de los devanados fluyen en direcciones opuestas. Los condensadores se cargan con polaridad alterna y cuando se cierra el interruptor (por lo general, en la práctica, una chispa disparada o de funcionamiento libre), el voltaje en cada segundo condensador se invierte rápidamente como medio ciclo de oscilación a una frecuencia establecida por la capacitancia que resuena con el diferencial inductancia de modo de los choques. Al mismo tiempo, los otros condensadores se descargan muy lentamente debido a que no fluye una corriente diferencial para cancelar la reactancia. Entonces, después de medio período, todos los condensadores están en serie y los voltajes se suman. Esta disposición tiene una equivalencia conceptual con la VIG en espiral, con los condensadores alternos equivalentes a la capacitancia entre los devanados y los choques de modo común equivalentes a la inductancia de un devanado. Los componentes discretos permiten el uso de condensadores agrupados grandes, almacenando así mucha más energía, pero tienen dificultades para replicar las relaciones de multiplicación de alto voltaje y los tiempos de subida extremadamente cortos de los tipos de línea de transmisión en espiral.

Una VIG en espiral consta de cuatro láminas alternantes conductor-aislante-conductor-aislante, enrolladas en un cilindro, formando un condensador que también actúa como una línea de transmisión de un solo extremo , conectada a un interruptor de chispa . El condensador se carga desde una fuente de energía, por ejemplo, un EDFEG , luego la chispa se dispara después de que se alcanza su voltaje de ruptura . La onda electromagnética creada por la chispa eléctrica de descarga viaja a lo largo de la línea de transmisión, la conversión de campo electrostático a campo electromagnético, luego, después de reflexionar desde el extremo abierto, se convierte nuevamente en campo electrostático. Un pulso de amplitud de salida 2nU (donde n es el número de vueltas del condensador y U es el voltaje inicial al que se cargó) y un tiempo de subida igual al doble de la longitud eléctrica de la línea de transmisión. ^{[1] [2] [3]} El dispositivo actúa como una red distribuida de formación de pulso .

Las ferritas se pueden unir a la construcción VIG para modificar sus características. ^[4]

Aplicaciones [ editar ]

Las VIG son ventajosas debido a su simplicidad y a los tiempos de aumento de pulso muy cortos en un rango de nanosegundos. Algunas VIG se pueden configurar como parte de un circuito sintonizado , actuando como osciladores con un límite superior práctico de aproximadamente 700 MHz, generando energía que se puede irradiar desde una antena adecuada , lo que permite la construcción de generadores de impulsos electromagnéticos generados por explosiones muy simples . ^[5] [6]

El uso de VIG incluye armas de energía dirigida , fuentes de alimentación de pulso de rayos X , generadores de plasma , etc.

Las VIG son lo suficientemente simples como para ser construidas por aficionados de alto voltaje.

Para otras aplicaciones, vea Vibrador (desambiguación) .

Un par de vibradores de marca Heathkit fabricados por James Electronics, con bases octales . El de la derecha ha sido despojado de la tapa de aluminio para que se puedan ver los componentes internos.

Un vibrador electromecánico de Grass Instrument Co. Se utiliza como parte de un amplificador chopper en un amplificador de entrada de polígrafo.

En electrónica antes del desarrollo de fuentes de alimentación en modo conmutado y la introducción de dispositivos semiconductores que funcionan con bajo voltaje, se requería generar voltajes de aproximadamente 50 a 250 V CC a partir de las baterías del vehículo . Los componentes electromecánicos conocidos como vibradores se usaron en un circuito similar a los circuitos inversores de estado sólido modernos para proporcionar una CC pulsante que podría convertirse a un voltaje más alto con un transformador , rectificarse y filtrarse para crear CC de voltaje más alto. Este "vibrador" es esencialmente un relé que utiliza normalmente cerradocontactos para suministrar energía a la bobina del relé, rompiendo así inmediatamente la conexión, solo para volver a conectarse muy rápidamente a través de los contactos normalmente cerrados. Sucede tan rápido que vibra y suena como un timbre. Este mismo contacto de pulsación rápida aplica el voltaje de CC ascendente y descendente al transformador que puede elevarlo a un voltaje más alto. ^[1]

El uso principal para este tipo de circuito era operar radios de tubo de vacío en vehículos , pero también se usó con otros dispositivos electrónicos móviles con un acumulador de 6 o 12 V , especialmente en lugares sin suministro de electricidad , como granjas. Estas fuentes de alimentación de vibrador se hicieron populares en la década de 1940, reemplazando sistemas de motor-generador más voluminosos para la generación de voltajes de CA para tales aplicaciones. ^[2] [3] Los tubos de vacío requieren voltajes de placa que van desde aproximadamente 45 voltios hasta 250 voltios en dispositivos electrónicos como radios. Para radios portátiles, audífonos y equipos similares, baterías Bfueron fabricados con varias clasificaciones de voltaje. Para proporcionar el voltaje necesario para una radio del suministro típico de CC de 6 o 12 voltios disponible en un automóvil o de una batería de iluminación de la granja, fue necesario convertir el suministro de CC estable en un CC pulsante y usar un transformador para aumentar la voltaje.

Los vibradores a menudo experimentaron fallas mecánicas, estando constantemente en movimiento, como la pérdida de tensión de los resortes y el desgaste de los puntos de contacto. ^[3] A medida que los tubos comenzaron a ser reemplazados por sistemas eléctricos basados ​​en transistores , la necesidad de generar voltajes tan altos comenzó a disminuir. Los vibradores mecánicos dejaron de producirse cerca de fines del siglo XX, pero los vibradores electrónicos de estado sólido todavía se fabrican para ser compatibles con las unidades más antiguas. ^[4]

Usar [ editar ]

Diagrama esquemático de un circuito típico para convertir CC de baja tensión a CC de alta tensión

El vibrador era un dispositivo con contactos de interruptor montados en los extremos de tiras metálicas flexibles. En funcionamiento, estas tiras son vibradas por un electroimán , haciendo que los contactos se abran y cierren rápidamente. Los contactos interrumpen la corriente continua de 6 o 12V de la batería para formar una corriente de pulsos que cambian de 0 voltios al voltaje de la batería, generando efectivamente una onda cuadrada . A diferencia de una corriente continua constante, cuando dicha corriente pulsante se aplica al devanado primario de un transformador , inducirá una corriente alterna en el devanado secundario, a un voltaje predeterminado basado en la relación de giro de los devanados. Esta corriente puede ser rectificada por un diodo termoiónico oRectificador de óxido de cobre o selenio , o mediante un conjunto adicional de contactos mecánicos (en cuyo caso el vibrador actúa como un tipo de rectificador síncrono ). Luego se filtra la salida rectificada, produciendo finalmente un voltaje de CC típicamente mucho más alto que el voltaje de la batería, con algunas pérdidas disipadas como calor. Esta disposición es esencialmente un circuito inversor electromecánico.

Los contactos primarios del vibrador hacen y rompen alternativamente el suministro de corriente al transformador primario. Como es imposible que los contactos del vibrador cambien instantáneamente, el colapso del campo magnético en el núcleo inducirá un alto voltaje en los devanados y provocará chispas en los contactos del vibrador. Esto erosionaría los contactos muy rápidamente, por lo que se agrega un condensador amortiguador con una clasificación de alto voltaje (C8 en el diagrama) a través del secundario del transformador para amortiguar los "picos" de alto voltaje no deseados.

Dado que los vibradores se desgastaron con el tiempo, generalmente estaban encerrados en una caja de "lata" de acero o aluminio con un enchufe de clavijas múltiples en la parte inferior (similar a los pasadores de contacto en los tubos de vacío), por lo que podrían desenchufarse y reemplazarse rápidamente sin utilizando herramientas

Los vibradores generan una cierta cantidad de ruido audible (un zumbido constante) durante el funcionamiento, que los pasajeros del automóvil podrían escuchar mientras la radio está encendida. Para ayudar a contener este sonido dentro del recinto del vibrador, la superficie interior de la lata a menudo estaba revestida con un material grueso que amortigua el sonido , como el caucho de espuma . Dado que los vibradores generalmente se enchufan en enchufes montados directamente en el chasis de la radio, la vibración podría acoplarse mecánicamente al chasis, haciendo que actúe como una caja de resonancia.por el ruido Para evitar esto, el revestimiento insonorizante dentro de la lata a veces se hizo lo suficientemente grueso como para soportar los componentes del vibrador solo por fricción. Los componentes se conectaron a las clavijas del enchufe mediante cables flexibles, para aislar aún más la vibración del enchufe.

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Fig. 1: Esquema de un rectificador de Viena.

El rectificador de Viena es un rectificador de modulación de ancho de pulso , inventado en 1993 por Johann W. Kolar. 

Características [ editar ]

Vienna Rectifier ofrece las siguientes características:

• Rectificador PWM trifásico de tres niveles y tres interruptores con voltaje de salida controlado. ^[2]
• Entrada de tres hilos, sin conexión a neutro.
• Comportamiento de la red óhmica ^{[ cita requerida ]}
• Sistema de refuerzo (corriente de entrada continua).
• Flujo de potencia unidireccional. ^[3]
• Alta densidad de potencia.
• Bajas emisiones de EMI de modo común conducidas.
• Control simple para estabilizar el potencial del punto neutral. ^[4]
• Baja complejidad, bajo esfuerzo de realización ^[3]
• Bajas pérdidas de conmutación. ^[5]
• Comportamiento confiable (que garantiza el comportamiento de la red óhmica) bajo tensiones de red muy desequilibradas y en caso de falla de la red. ^[6]

Topología [ editar ]

El Vienna Rectifier es un rectificador unidireccional trifásico de tres interruptores y tres niveles de modulación de ancho de pulso (PWM). Se puede ver como un puente de diodos trifásico con un convertidor de refuerzo integrado.

Aplicaciones [ editar ]

Fig. 2: Vistas superior e inferior de un rectificador de Viena refrigerado por aire de 10kW (PWM de 400kHz).

El Rectificador de Viena es útil donde se utilizan convertidores de seis interruptores para lograr una corriente de red sinusoidal y un voltaje de salida controlado, cuando no hay retroalimentación de energía de la carga en la red eléctrica. En la práctica, el uso del Rectificador de Viena es ventajoso cuando el espacio es lo suficientemente alto como para justificar el costo de hardware adicional. Éstas incluyen:

• Suministros de energía de telecomunicaciones.
• Fuentes de alimentación ininterrumpidas .
• Etapas de entrada de los sistemas convertidores de accionamiento de CA.

La Figura 2 muestra las vistas superior e inferior de un Rectificador Vienna de 10 kW refrigerado por aire (PWM de 400 kHz), con corriente de entrada sinusoidal sy voltaje de salida controlado. Las dimensiones son 250 mm x 120 mm x 40 mm, lo que da como resultado una densidad de potencia de 8,5 kW / dm ³ . El peso total del convertidor es de 2,1 kg ^[7]

Formas de onda de corriente y voltaje [ editar ]

Fig. 3: Variación temporal de las fases de tensión ua, ub, uc de las fases de corriente ia, ib, ic. De arriba a abajo: 1) tensiones de red ua, ub, uc. 2) corrientes principales ia, ib, ic. 3) voltaje del rectificador a uDaM (ver Fig. 1), que forma la corriente de entrada. 4. Corriente del punto medio de los condensadores de salida (i0 en la Fig. 1). 5. Voltaje entre el punto medio de red M y el punto medio de voltaje de salida 0. Nota: no se considera la inductancia de la red interna y, por lo tanto, el voltaje en los condensadores del filtro es igual al voltaje de la red.

La Figura 3 muestra el comportamiento del sistema, calculado utilizando el simulador de circuito de electrónica de potencia. ^[8] Entre el punto medio de voltaje de salida (0) y el punto medio de red (M) aparece el voltaje de modo común u0M, como es característico en los sistemas de convertidores trifásicos.

Control actual y balance del punto neutral en el lado DC [ editar ]

Es posible controlar por separado la forma de la corriente de entrada en cada rama del puente de diodos insertando un interruptor bidireccional en el nodo, como se muestra en la Figura 3. El interruptor Ta controla la corriente controlando la magnetización del inductor. Encendido carga el inductor que conduce la corriente a través del interruptor bidireccional. La desactivación del interruptor aumenta hace que la corriente pase por alto el interruptor y fluya a través de los diodos libres Da + y Da-. Esto da como resultado un voltaje negativo a través del inductor y lo drena. Esto demuestra la capacidad de la topología para controlar la corriente en fase con el voltaje de la red ( capacidad de corrección del factor de potencia ).

Para generar una entrada de potencia sinusoidal que está en fase con el voltaje $${\ displaystyle {\ underline {i}} _ {D} = G \ star {\ underline {u}} _ {C} \ approx G \ star {\ underline {u}} _ {1}} el vector espacial de voltaje promedio durante un período de pulso debe satisfacer: $${\ displaystyle {\ underline {u}} _ {D} \ star = {\ underline {u}} - j \ omega _ {1} L_ {1} {\ underline {1}} _ {D}} Para altas frecuencias de conmutación o bajas inductividades requerimos ($${\ displaystyle L1}) $${\ displaystyle {\ underline {u}} _ {D} \ star \ approx {\ underline {u}} _ {1}}. Los vectores de espacio de voltaje disponibles requeridos para el voltaje de entrada están definidos por los estados de conmutación (sa, sb, sc) y la dirección de las corrientes de fase. Por ejemplo, para{\ displaystyle iDa> 0, iDb, iDc <0 font="">, es decir, para el rango de fase$${\ displaystyle \ phi _ {1} = - 30 ^ {\ circ} ... + 30 ^ {\ circ}} del período($${\ displaystyle \ phi _ {1}}) la fase del vector espacial actual de entrada es $${\ displaystyle i_ {D} \ aprox i_ {1}}) La Fig. 4 muestra los estados de conducción del sistema, y ​​de esto obtenemos los vectores de espacio de entrada que se muestran en la Fig. 5

Fig. 5: Estados de conducción del Rectificador de Viena, para ia> 0, ib, ic <0 en="" font="" lido="" nbsp="" un="" v="">$${\ displaystyle 60 ^ {o}}El sector del período T1 sa, sb y sc caracteriza el estado de conmutación del sistema. Las flechas representan la dirección física y el valor del punto medio actual i0.

duplicador de voltaje es un circuito electrónico que carga condensadores desde el voltaje de entrada y conmuta estas cargas de tal manera que, en el caso ideal, se produce exactamente el doble del voltaje en la salida que en su entrada.

El más simple de estos circuitos es una forma de rectificador que toma un voltaje de CA como entrada y genera un voltaje de CC duplicado. Los elementos de conmutación son diodos simples y son conducidos al estado de conmutación simplemente por el voltaje alterno de la entrada. Los duplicadores de voltaje CC a CC no pueden conmutar de esta manera y requieren un circuito de activación para controlar la conmutación. Con frecuencia también requieren un elemento de conmutación que se pueda controlar directamente, como un transistor , en lugar de depender del voltaje a través del interruptor como en el caso simple de CA a CC.

Los duplicadores de voltaje son una variedad de circuitos multiplicadores de voltaje . Muchos, pero no todos, los circuitos duplicadores de voltaje se pueden ver como una sola etapa de un multiplicador de orden superior: la combinación de etapas idénticas en cascada logra una mayor multiplicación de voltaje.

Rectificadores de duplicación de voltaje [ editar ]

Circuito de Villard [ editar ]

Figura 1 . Circuito de Villard

El circuito de Villard , concebido por Paul Ulrich Villard , ^{[p 1]} consiste simplemente en un condensador y un diodo. Si bien tiene el gran beneficio de la simplicidad, su salida tiene características de ondulación muy pobres . Esencialmente, el circuito es un circuito de abrazadera de diodo . El condensador se carga en los semiciclos negativos al voltaje de CA máximo ( V _pk ). La salida es la superposición de la forma de onda de CA de entrada y la CC constante del condensador. El efecto del circuito es cambiar el valor de CC de la forma de onda. Los picos negativos de la forma de onda de CA están "sujetos" a 0 V (en realidad - V _F, el pequeño voltaje de polarización directa del diodo) por el diodo, por lo tanto, los picos positivos de la forma de onda de salida son 2 V _pk . La onda de pico a pico es un enorme _{paquete de} 2 V y no se puede suavizar a menos que el circuito se convierta efectivamente en una de las formas más sofisticadas. ^[1] Este es el circuito (con diodo invertido) utilizado para suministrar el alto voltaje negativo para el magnetrón en un horno de microondas.

Circuito Greinacher [ editar ]

La Figura 2 . Circuito de Greinacher

El duplicador de voltaje de Greinacher es una mejora significativa sobre el circuito de Villard por un pequeño costo en componentes adicionales. La ondulación es muy reducida, nominalmente cero en condiciones de carga de circuito abierto, pero cuando se extrae corriente depende de la resistencia de la carga y del valor de los condensadores utilizados. El circuito funciona siguiendo una etapa de celda Villard con lo que es esencialmente una etapa de detector de pico o detector de envolvente . La celda del detector de pico tiene el efecto de eliminar la mayor parte de la ondulación mientras se preserva el voltaje máximo en la salida. El circuito de Greinacher también se conoce comúnmente como el duplicador de voltaje de media onda . ^[2]

Figura 3 . Cuádruple de voltaje: dos celdas de Greinacher de polaridades opuestas

Este circuito fue inventado por primera vez por Heinrich Greinacher en 1913 (publicado en 1914 ^{[p 2]} ) para proporcionar los 200–300 V que necesitaba para su ionómetro recién inventado , los 110 V CA suministrados por las centrales eléctricas de Zurich eran insuficientes. ^[3] Más tarde amplió esta idea en una cascada de multiplicadores en 1920. ^{[p 3] [4] [p 4]} Esta cascada de celdas de Greinacher a menudo se denomina incorrectamente como una cascada de Villard. También se llama multiplicador Cockcroft-Walton después de la máquina aceleradora de partículas construida por John Cockcroft y Ernest Walton, que descubrió independientemente el circuito en 1932. ^{[p 5] [5]} El concepto en esta topología puede extenderse a un circuito cuádruple de voltaje mediante el uso de dos celdas Greinacher de polaridades opuestas impulsadas desde la misma fuente de CA. La salida se toma a través de las dos salidas individuales. Al igual que con un circuito puente, es imposible conectar a tierra simultáneamente la entrada y la salida de este circuito. ^[6]

Circuito de Delon[ editar ]

La Figura 4 . Doblador de voltaje de puente (Delon)

El circuito de Delon utiliza una topología de puente para duplicar el voltaje; ^{[p 6] en} consecuencia también se le llama duplicador de voltaje de onda completa . ^[2] Esta forma de circuito, en un momento, se encontraba comúnmente en los televisores de tubo de rayos catódicos donde se usaba para proporcionar un suministro de tensión extra alta (EHT). Generando voltajes superiores a 5 kV con un transformadortiene problemas de seguridad en términos de equipos domésticos y, en cualquier caso, no es económico. Sin embargo, los televisores en blanco y negro requerían una potencia de 10 kV y los televisores en color aún más. Los duplicadores de voltaje se utilizaron para duplicar el voltaje en un devanado de tensión en el transformador de red o se aplicaron a la forma de onda en las bobinas de retorno de línea . ^[7]

El circuito consta de dos detectores de pico de media onda, que funcionan exactamente de la misma manera que la celda del detector de pico en el circuito de Greinacher. Cada una de las dos células detectoras de picos opera en semiciclos opuestos de la forma de onda entrante. Como sus salidas están en serie, la salida es el doble del voltaje de entrada pico.

Circuitos condensadores conmutados [ editar ]

Figura 5. Duplicador de voltaje de condensador conmutado logrado simplemente cambiando condensadores cargados de paralelo a serie

Es posible utilizar los circuitos simples de diodo-condensador descritos anteriormente para duplicar el voltaje de una fuente de CC al preceder el duplicador de voltaje con un circuito chopper . En efecto, esto convierte la CC en CA antes de la aplicación al duplicador de voltaje. ^[8] Se pueden construir circuitos más eficientes impulsando los dispositivos de conmutación desde un reloj externo para que ambas funciones, el corte y la multiplicación, se realicen simultáneamente. Dichos circuitos se conocen como condensadores conmutados.circuitos. Este enfoque es especialmente útil en aplicaciones alimentadas por batería de bajo voltaje donde los circuitos integrados requieren un suministro de voltaje mayor que el que puede suministrar la batería. Con frecuencia, una señal de reloj está fácilmente disponible a bordo del circuito integrado y se necesita poca o ninguna circuitería adicional para generarla. ^[9]

Conceptualmente, quizás la configuración de condensador conmutado más simple es la que se muestra esquemáticamente en la figura 5. Aquí, dos condensadores se cargan simultáneamente al mismo voltaje en paralelo. El suministro se apaga y los condensadores se conectan en serie. La salida se toma de los dos condensadores en serie, lo que da como resultado una salida que duplica el voltaje de alimentación. Hay muchos dispositivos de conmutación diferentes que podrían usarse en dicho circuito, pero en los circuitos integrados se utilizan con frecuencia dispositivos MOSFET . ^[10]

Figura 6. Esquema del duplicador de voltaje de la bomba de carga

Otro concepto básico es la bomba de carga , cuya versión se muestra esquemáticamente en la figura 6. El condensador de la bomba de carga, C _P , se carga primero al voltaje de entrada. Luego se cambia para cargar el condensador de salida, C _O , en serie con el voltaje de entrada que resulta en que C _O finalmente se cargue al doble del voltaje de entrada. Puede tomar varios ciclos antes de la bomba de carga tiene éxito en completamente la carga C _O pero después de estado estacionario se ha alcanzado sólo es necesario para C _P para bombear una pequeña cantidad de carga equivalente a la que se suministra a la carga de C _O . Mientras C _Ose desconecta de la bomba de carga y se descarga parcialmente en la carga, lo que produce ondulaciones en el voltaje de salida. Esta ondulación es más pequeña para frecuencias de reloj más altas ya que el tiempo de descarga es más corto y también es más fácil de filtrar. Alternativamente, los condensadores pueden hacerse más pequeños para una especificación de ondulación dada. La frecuencia de reloj máxima práctica en los circuitos integrados es típicamente de cientos de kilohercios. ^[11]

Bomba de carga Dickson [ editar ]

Figura 7. Duplicador de voltaje de la bomba de carga Dickson

La bomba de carga Dickson, o multiplicador Dickson , consiste en una cascada de celdas de diodos / condensadores con la placa inferior de cada condensador accionada por un tren de pulsos de reloj . ^{[p 7]} El circuito es una modificación del multiplicador Cockcroft-Walton pero toma una entrada de CC con los trenes del reloj que proporcionan la señal de conmutación en lugar de la entrada de CA. El multiplicador de Dickson normalmente requiere que las celdas alternativas sean impulsadas por pulsos de reloj de fase opuesta. Sin embargo, dado que un duplicador de voltaje, que se muestra en la figura 7, requiere solo una etapa de multiplicación, solo se requiere una señal de reloj. ^[12]

El multiplicador Dickson se emplea con frecuencia en circuitos integrados donde el voltaje de suministro (de una batería, por ejemplo) es más bajo que el requerido por los circuitos. Es ventajoso en la fabricación de circuitos integrados que todos los componentes semiconductores sean básicamente del mismo tipo. Los MOSFET son comúnmente el bloque lógico estándar en muchos circuitos integrados. Por esta razón, los diodos a menudo se reemplazan por este tipo de transistor, pero están cableados para funcionar como un diodo, una disposición llamada MOSFET con cable de diodo. La Figura 8 muestra un duplicador de voltaje Dickson que utiliza MOSFET de mejora de canal n con cable de diodo. ^[13]

Figura 8. Duplicador de voltaje Dickson utilizando MOSFET cableados con diodos

Existen muchas variaciones y mejoras en la bomba de carga básica Dickson. Muchos de estos están relacionados con la reducción del efecto del voltaje de la fuente de drenaje del transistor. Esto puede ser muy significativo si el voltaje de entrada es pequeño, como una batería de bajo voltaje. Con elementos de conmutación ideales, la salida es un múltiplo integral de la entrada (dos para un duplicador) pero con una batería de celda única como fuente de entrada y conmutadores MOSFET, la salida será mucho menor que este valor ya que gran parte del voltaje se caerá a través de los transistores. Para un circuito que utiliza componentes discretos, el diodo Schottkysería una mejor opción de elemento de conmutación por su caída de voltaje extremadamente baja en el estado activado. Sin embargo, los diseñadores de circuitos integrados prefieren usar el MOSFET fácilmente disponible y compensar sus deficiencias con una mayor complejidad del circuito. ^[14]

Como un ejemplo, una batería alcalina de celda tiene una tensión nominal de 1,5 V . Un voltaje doblador utilizando elementos de conmutación ideales con la salida gota voluntad voltaje cero dobles Esta, a saber, 3,0 V . Sin embargo, la caída de tensión de drenaje-fuente de un MOSFET diodo-cableado cuando está en el estado encendido debe ser al menos el voltaje de umbral de la puerta que normalmente podría ser 0,9 V . ^[15] Este "duplicador" de voltaje solo logrará aumentar el voltaje de salida en aproximadamente 0.6 V a 2.1 V. Si la caída en el transistor de suavizado final también se tiene en cuenta, es posible que el circuito no pueda aumentar el voltaje sin usar múltiples etapas. Un diodo Schottky típico, por otro lado, podría tener un voltaje en estado de 0,3 V . ^[16] Un doblador de uso de este diodo Schottky se traducirá en una tensión de 2,7 V , o en la salida después de que el diodo de suavizado, 2,4 V . ^[17]

Condensadores conmutados de acoplamiento cruzado [ editar ]

Figura 9. Duplicador de voltaje de condensador conmutado de acoplamiento cruzado

Los circuitos de condensador conmutado de acoplamiento cruzado tienen sus propios voltajes de entrada muy bajos. Los equipos inalámbricos que funcionan con baterías, como buscapersonas, dispositivos bluetooth y similares, pueden requerir una batería de una sola celda para continuar suministrando energía cuando se ha descargado a menos de un voltio. ^[18]

Cuando el reloj $${\ displaystyle \ phi _ {1} \}está bajo el transistor Q ₂ está apagado. Al mismo tiempo reloj$${\ displaystyle \ phi _ {2} \}es alto al encender el transistor Q _{1, lo que} da como resultado que el condensador C ₁ se cargue a V _in . Cuando$${\ displaystyle \ phi _ {1} \}va alto, la placa superior de C ₁ se empuja hasta dos veces V _adentro . Al mismo tiempo, el interruptor S _{1 se} cierra para que este voltaje aparezca en la salida. Al mismo tiempo, Q ₂ se activa permitiendo que C _{2 se} cargue. En el próximo medio ciclo, los roles se revertirán:$${\ displaystyle \ phi _ {1} \} será bajo $${\ displaystyle \ phi _ {2} \}será alto, S ₁ se abrirá y S ₂ se cerrará. Por lo tanto, la salida se suministra con 2 V _en alternativamente de cada lado del circuito. ^[19]

La pérdida es baja en este circuito porque no hay MOSFET cableados con diodos y sus problemas de voltaje umbral asociados. El circuito también tiene la ventaja de que la frecuencia de ondulación se duplica porque efectivamente hay dos duplicadores de voltaje que suministran la salida de relojes fuera de fase. La desventaja principal de este circuito es que las capacidades parásitas son mucho más significativas que con el multiplicador Dickson y explican la mayor parte de las pérdidas en este circuito.