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:
- 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 )
- 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
- 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 .
- 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 ]
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 ]
- Apilado
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 ]
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 es baja, D1 cargará C1 a V in . Cuandova 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 de nuevo baja y ahora 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]
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]
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 ]
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 ]
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 y uno conducido por . 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 ]
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) .
No hay comentarios:
Publicar un comentario