bomba de carga es un tipo de convertidor de CC a CC que utiliza condensadores para el almacenamiento de carga energética para aumentar o disminuir el voltaje . Los circuitos de bomba de carga son capaces de obtener una alta eficiencia , a veces tan alta como 90-95%, mientras que son circuitos eléctricamente simples.
Bomba de carga de dos etapas con suministro de voltaje de CC y una señal de control de la bomba S 0
Descripción [ editar ]
Las bombas de carga utilizan algún tipo de dispositivo de conmutación para controlar la conexión de un voltaje de suministro a través de una carga a través de un condensador. En un ciclo de dos etapas, en la primera etapa se conecta un condensador a través del suministro, cargándolo a ese mismo voltaje. En la segunda etapa, el circuito se reconfigura para que el capacitor esté en serie con el suministro y la carga. Esto duplica el voltaje a través de la carga: la suma del suministro original y los voltajes del condensador. La naturaleza pulsante de la salida conmutada de mayor voltaje a menudo se suaviza mediante el uso de un condensador de salida.
Un circuito externo o secundario impulsa la conmutación, generalmente a decenas de kilohercios hasta varios megahercios. La alta frecuencia minimiza la cantidad de capacitancia requerida, ya que se necesita almacenar y descargar menos carga en un ciclo más corto.
Las bombas de carga pueden duplicar voltajes, triplicar voltajes, reducir a la mitad voltajes, invertir voltajes, multiplicar fraccionalmente o escalar voltajes (como × 3/2, × 4/3, × 2/3, etc.) y generar voltajes arbitrarios alternando rápidamente entre modos , dependiendo del controlador y la topología del circuito.
Se usan comúnmente en la electrónica de baja potencia (como los teléfonos móviles) para aumentar y disminuir los voltajes para diferentes partes de los circuitos, minimizando el consumo de energía al controlar los voltajes de suministro con cuidado.
Terminología para PLL [ editar ]
El término bomba de carga también se usa comúnmente en los circuitos de bucle de bloqueo de fase (PLL) aunque no haya ninguna acción de bombeo involucrada a diferencia del circuito discutido anteriormente. Una bomba de carga PLL es simplemente una fuente de corriente conmutada bipolar. Esto significa que puede emitir pulsos de corriente positivos y negativos en el filtro de bucle del PLL. No puede producir voltajes más altos o más bajos que sus niveles de suministro de energía y tierra.
Aplicaciones [ editar ]
- Una aplicación común para los circuitos de carga de la bomba está en RS-232 desplazadores de nivel , que se utilizan a positivo derivar y tensiones negativas (a menudo 10 V y -10 V) a partir de un solo 5 V o 3 V carril de la alimentación de potencia .
- Las bombas de carga también se pueden usar como controladores de LCD o LED blanco , generando altos voltajes de polarización a partir de un solo suministro de bajo voltaje, como una batería.
- Las bombas de carga se usan ampliamente en memorias NMOS y microprocesadores para generar un voltaje negativo "VBB" (aproximadamente −3 V), que está conectado al sustrato. Esto garantiza que todas las uniones de N + a sustrato estén polarizadas inversamente por 3 V o más, disminuyendo la capacitancia de la unión y aumentando la velocidad del circuito. [1]
- Se ha utilizado una bomba de carga que proporciona un pico de voltaje negativo en juegos compatibles con NES sin licencia de Nintendo para aturdir el chip de bloqueo del sistema de entretenimiento de Nintendo . [2]
- A partir de 2007, las bombas de carga están integradas en casi todos los circuitos integrados EEPROM y memoria flash . Estos dispositivos requieren un pulso de alto voltaje para "limpiar" cualquier dato existente en una celda de memoria particular antes de que pueda escribirse con un nuevo valor. Los primeros dispositivos EEPROM y de memoria flash requerían dos fuentes de alimentación: +5 V (para leer) y +12 V (para borrar). A partir de 2007 , la memoria flash y la memoria EEPROM disponibles comercialmente requieren solo una fuente de alimentación externa, generalmente 1.8 V o 3.3 V. Una bomba de carga en el chip genera internamente un voltaje más alto que se usa para borrar las células.
- Las bombas de carga se utilizan en puentes H en controladores de lado alto para MOSFET e IGBT de potencia de canal n de canal alto de conducción de compuerta. Cuando el centro de un medio puente baja, el condensador se carga a través de un diodo, y esta carga se usa para luego conducir la puerta del FET del lado alto unos pocos voltios por encima del voltaje de la fuente para encenderlo. Esta estrategia funciona bien, siempre que el puente se cambie regularmente y evite la complejidad de tener que ejecutar una fuente de alimentación separada y permita que los dispositivos de canal n más eficientes se utilicen para ambos interruptores. Este circuito (que requiere la conmutación periódica del FET del lado alto) también se puede llamar un circuito de "arranque", y algunos diferenciarían entre eso y una bomba de carga (que no requeriría esa conmutación).
Dickson bomba de carga con diodos
Bomba de carga Dickson con MOSFET
Un interruptor de transferencia de carga O bomba de carga CTS es una bomba de carga que ofrece un mejor rendimiento de bajo voltaje y "una mejor ganancia de bombeo de voltaje y un mayor voltaje de salida" [1] que las bombas de carga anteriores, como la bomba de carga Dickson .
El Cockcroft-Walton ( CW ) generador , o multiplicador , es un circuito eléctrico que genera una alta DC de voltaje a partir de una baja tensión de CA o pulsante de entrada de CC. Fue nombrado en honor a los físicos británicos e irlandeses John Douglas Cockcroft y Ernest Thomas Sinton Walton , quienes en 1932 usaron este diseño de circuito para alimentar su acelerador de partículas , realizando la primera desintegración nuclear artificial en la historia. [1] Utilizaron esta cascada de multiplicadores de voltaje para la mayoría de sus investigaciones, que en 1951 les ganaronPremio Nobel de Física por "Transmutación de núcleos atómicos por partículas atómicas aceleradas artificialmente". El circuito fue descubierto en 1919 por Heinrich Greinacher , un físico suizo . Por esta razón, esta cascada doble a veces también se conoce como el multiplicador de Greinacher . Los circuitos de Cockcroft-Walton todavía se usan en aceleradores de partículas. También se utilizan en dispositivos electrónicos cotidianas que requieren altas tensiones, tales como las máquinas de rayos X , tubo de rayos catódicos televisores , hornos de microondas y fotocopiadoras .
Operación [ editar ]
El generador CW es un multiplicador de voltaje que convierte la energía eléctrica de CA o CC pulsante de un nivel de voltaje bajo a un nivel de voltaje de CC más alto. Se compone de una red de condensadores y diodos de escalera de multiplicadores 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 / encapsulado requerido. Usando solo condensadores y diodos, estos multiplicadores de voltaje pueden aumentar los voltajes relativamente bajos a valores extremadamente altos, mientras que al mismo tiempo son mucho más livianos y baratos que los transformadores. La mayor ventaja de tales circuitos es que el voltajeen cada etapa de la cascada es igual a solo el doble del voltaje de entrada pico 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 de ser fácil de aislar. También se puede aprovechar la salida desde cualquier etapa, como en un transformador multiproceso.
Para comprender la operación del circuito, vea el diagrama de la versión de dos etapas a la derecha. Suponga que el circuito está alimentado por un voltaje alterno V i con un valor pico de V p , e inicialmente los condensadores están descargados. Después de encender el voltaje de entrada
- Cuando el voltaje de entrada V i alcanza su pico negativo - V p , la corriente fluye a través del diodo D1 para cargar el condensador C1 a un voltaje de V p .
- Cuando V i invierte la polaridad y alcanza su pico positivo + V p , se agrega al voltaje del condensador para producir un voltaje de 2 V p en la placa derecha de C1 . Como D1 tiene polarización inversa, la corriente fluye desde C1 a través del diodo D2 , cargando el condensador C2 a un voltaje de 2 V p .
- Cuando V i invierte la polaridad nuevamente, la corriente de C2 fluye a través del diodo D3 , cargando el condensador C3 también a un voltaje de 2 V p .
- Cuando V i invierte la polaridad nuevamente, la corriente de C3 fluye a través del diodo D4 , cargando el condensador C4 también a un voltaje de 2 V p .
Con cada cambio en la polaridad de entrada, la corriente fluye hacia arriba por la "pila" de condensadores a través de los diodos, hasta que todos están cargados. Todos los condensadores se cargan a un voltaje de 2 V p , excepto C1 , que se carga a V p . La clave para la multiplicación de voltaje es que mientras los condensadores se cargan en paralelo, están conectados a la carga en serie. Como C2 y C4 están en serie entre la salida y tierra, el voltaje de salida total (en condiciones sin carga) es V o = 4 V p .
Este circuito se puede extender a cualquier número de etapas. El voltaje de salida sin carga es el doble del voltaje de entrada pico multiplicado por el número de etapas N o, de manera equivalente, la oscilación del voltaje de entrada pico a pico ( V pp ) multiplicado por el número de etapas
El número de etapas es igual al número de condensadores en serie entre la salida y la tierra.
Una forma de ver el circuito es que funciona como una "bomba" de carga, bombeando carga eléctrica en una dirección, hacia arriba de la pila de condensadores. El circuito CW, junto con otros circuitos condensadores similares, a menudo se llama bomba de carga . Para cargas sustanciales, la carga en los condensadores se reduce parcialmente y el voltaje de salida cae de acuerdo con la corriente de salida dividida por la capacitancia.
Características [ editar ]
En la práctica, el CW tiene una serie de inconvenientes. A medida que aumenta el número de etapas, los voltajes de las etapas superiores comienzan a "ceder", principalmente debido a la impedancia eléctricade los condensadores en las etapas inferiores. Y, al suministrar una corriente de salida, la fluctuación de voltaje aumenta rápidamente a medida que aumenta el número de etapas (esto puede corregirse con un filtro de salida, pero requiere una pila de condensadores para resistir los altos voltajes involucrados). Por estas razones, los multiplicadores de CW con un gran número de etapas se usan solo cuando se requiere una corriente de salida relativamente baja. El hundimiento se puede reducir al aumentar la capacitancia en las etapas más bajas, y la ondulación se puede reducir al aumentar la frecuencia de la entrada y al usar una forma de onda cuadrada. Al conducir el CW desde una fuente de alta frecuencia, como un inversor , o una combinación de un inversor y un transformador de alto voltaje, el tamaño y el peso físico general de la fuente de alimentación del CW pueden reducirse sustancialmente.
Los multiplicadores de CW se usan típicamente para desarrollar voltajes más altos para aplicaciones de corriente relativamente baja, como voltajes de polarización que varían de decenas o cientos de voltios a millones de voltios para experimentos de física de alta energía o pruebas de seguridad contra rayos . También se encuentran multiplicadores de CW, con un mayor número de etapas, en sistemas láser , fuentes de alimentación de alto voltaje, sistemas de rayos X , retroiluminación LCD , amplificadores de tubo de onda viajera , bombas de iones , sistemas electrostáticos , ionizadores de aire , aceleradores de partículas , copia máquinas , instrumentación científica,osciloscopios , televisores y tubos de rayos catódicos , armas de electrochoque , eliminadores de errores y muchas otras aplicaciones que utilizan CC de alto voltaje.
Galería de imágenes [ editar ]
Ver también [ editar ]
 | Wikimedia Commons tiene medios relacionados con los generadores Cockcroft-Walton . |
Un circuito similar es el generador de Marx , que tiene una estructura similar de "escalera", pero consiste en resistencias, condensadores y espacios de chispa. El generador Marx produce pulsos cortos, mientras que el generador CW produce una CC constante. A diferencia del multiplicador (generador) Cockcroft-Walton, el generador Marx necesita aire para las chispas y no puede sumergirse en aceite como aislante.
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