El generador Cockcroft-Walton ( CW ) , o multiplicador , es un circuito eléctrico que genera un alto voltaje de CC a partir de una CA de bajo voltaje . [1] Recibió su nombre en honor a los físicos británicos e irlandeses John Douglas Cockcroft y Ernest Thomas Sinton Walton , quienes en 1932 utilizaron este diseño de circuito para alimentar su acelerador de partículas , realizando la primera desintegración nuclear artificial de la historia. [2] Utilizaron esta cascada de multiplicadores de voltaje para la mayor parte de su investigación, que en 1951 les valió el Premio Nobel de Física por " Transmutación de núcleos atómicos mediante partículas atómicas aceleradas artificialmente".
El circuito fue desarrollado en 1919 por Heinrich Greinacher , un físico suizo . Por este motivo, a esta cascada de duplicadores también se la denomina a veces multiplicador de Greinacher . Los circuitos Cockcroft-Walton todavía se utilizan en aceleradores de partículas. También se utilizan en dispositivos electrónicos cotidianos que requieren altos voltajes, como máquinas de rayos X y fotocopiadoras .
El generador CW es un multiplicador de voltaje que convierte la energía eléctrica de CA de un nivel de voltaje bajo a un nivel de voltaje de CC más alto. Está formado por una red de escalera de multiplicadores de voltaje de capacitores y diodos 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 capacitores y diodos, estos multiplicadores de voltaje pueden elevar voltajes relativamente bajos a valores extremadamente altos, mientras que al mismo tiempo son mucho más livianos y económicos que los transformadores. La mayor ventaja de estos circuitos es que el voltaje a través de 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 ser fácil de aislar. También se puede aprovechar la salida de cualquier etapa, como en un transformador de múltiples tomas.
Para entender el funcionamiento del circuito, vea el diagrama de la versión de dos etapas a la derecha. Suponga que todos los capacitores están inicialmente descargados y que el circuito está alimentado por un voltaje alterno V i tal que V i = V p sen( t + π) , es decir, con un valor pico de V p , que después del encendido es de 0 voltios y comienza con un semiciclo negativo. Después de que se enciende el voltaje de entrada
En cualquier momento dado, conducen los diodos impares o los pares, nunca ambos. Con cada cambio en la derivada del voltaje de entrada (es decir ,d V yo/el o ), la corriente fluye hacia el siguiente nivel en la "pila" de capacitores a través de los diodos. Finalmente, después de una cantidad suficiente de ciclos de la entrada de CA, todos los capacitores estarán cargados. (Más precisamente, deberíamos decir que sus voltajes reales convergerán lo suficientemente cerca de los ideales ‒ siempre habrá alguna ondulación de la entrada de CA). Todos los capacitores están cargados a un voltaje de 2 V p , excepto C1 , que está cargado a V p . La clave para la multiplicación de voltaje es que, si bien los capacitores están cargados en paralelo, están conectados a la carga en serie. Dado que 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 ampliar 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, equivalentemente, la oscilación de voltaje de entrada pico a pico ( V pp ) multiplicada por el número de etapas
El número de etapas es igual al número de condensadores en serie entre la salida y 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 capacitores. El circuito CW, junto con otros circuitos de capacitores similares, a menudo se denomina bomba de carga . Para cargas sustanciales, la carga en los capacitores se agota parcialmente y el voltaje de salida cae de acuerdo con la corriente de salida dividida por la capacitancia.
En la práctica, la CW tiene una serie de desventajas. A medida que aumenta el número de etapas, los voltajes de las etapas superiores comienzan a "caer", principalmente debido a la impedancia eléctrica de los capacitores en las etapas inferiores. Y, cuando se suministra una corriente de salida, la ondulación de voltaje aumenta rápidamente a medida que aumenta el número de etapas (esto se puede corregir con un filtro de salida, pero requiere una pila de capacitores para soportar los altos voltajes involucrados). Por estas razones, los multiplicadores CW con un gran número de etapas se utilizan solo cuando se requiere una corriente de salida relativamente baja. La caída de voltaje se puede reducir aumentando la capacitancia en las etapas inferiores, y la ondulación se puede reducir aumentando la frecuencia de la entrada y utilizando una forma de onda cuadrada. Al accionar la CW desde una fuente de alta frecuencia, como un inversor , o una combinación de un inversor y un transformador de alta tensión, el tamaño físico general y el peso de la fuente de alimentación CW se pueden reducir sustancialmente.
Los multiplicadores de CW se utilizan normalmente para desarrollar voltajes más altos para aplicaciones de corriente relativamente baja, como voltajes de polarización que van desde decenas o cientos de voltios hasta millones de voltios para experimentos de física de alta energía o pruebas de seguridad contra rayos . Los multiplicadores de CW también se encuentran, con un mayor número de etapas, en sistemas láser , fuentes de alimentación de alto voltaje, sistemas de rayos X , retroiluminación LCD CCFL , amplificadores de tubo de onda viajera , bombas de iones , sistemas electrostáticos , ionizadores de aire , aceleradores de partículas , fotocopiadoras , instrumentación científica, osciloscopios , televisores y tubos de rayos catódicos , armas de electrochoque , matamoscas y muchas otras aplicaciones que utilizan CC de alto voltaje.
El dinamitrón es similar al generador Cockcroft-Walton. Sin embargo, en lugar de recibir energía en un extremo como en el Cockcroft-Walton, la escalera capacitiva se carga en paralelo de forma electrostática mediante un voltaje oscilante de alta frecuencia aplicado entre dos electrodos semicilíndricos largos a cada lado de la columna de la escalera, que inducen voltaje en anillos de corona semicirculares unidos a cada extremo de los tubos rectificadores de diodos. [3]
