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 .
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.
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 ]
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.
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 ]
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 ]
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 el vector espacial de voltaje promedio durante un período de pulso debe satisfacer: Para altas frecuencias de conmutación o bajas inductividades requerimos () . 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, es decir, para el rango de fase del período() la fase del vector espacial actual de entrada es ) 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
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 ]
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 ]
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]
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 ]
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 ]
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]
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 ]
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]
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 ]
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 está bajo el transistor Q 2 está apagado. Al mismo tiempo relojes alto al encender el transistor Q 1, lo que da como resultado que el condensador C 1 se cargue a V in . Cuandova 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: será bajo 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.
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