El generador Cockcroft-Walton ( CW ) , o multiplicador , es un circuito eléctrico que genera un alto voltaje de CC a partir de una entrada de CA de bajo voltaje o de CC pulsante. Lleva el nombre de 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. [1] Utilizaron esta cascada multiplicadora de voltaje para la mayor parte de sus investigaciones, que en 1951 les valieron 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 esta razón, esta cascada de duplicadores a veces también se denomina 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 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 escalera multiplicadora de voltaje de condensadores y diodos para generar altos voltajes. A diferencia de los transformadores , este método elimina la necesidad de un núcleo pesado y la mayor parte del aislamiento/relleno necesarios. Utilizando únicamente condensadores y diodos, estos multiplicadores de voltaje pueden aumentar voltajes relativamente bajos a valores extremadamente altos, y al mismo tiempo son mucho más livianos y baratos que los transformadores. La mayor ventaja de estos circuitos es que el voltaje en cada etapa de la cascada es igual a sólo el doble del voltaje máximo de entrada 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 coste relativamente bajo y de ser fácil de aislar. También se puede aprovechar la salida de cualquier etapa, como en un transformador con tomas múltiples.
Para comprender el funcionamiento del circuito, consulte el diagrama de la versión de dos etapas a la derecha. Supongamos que todos los condensadores están inicialmente descargados y que el circuito está alimentado por un voltaje alterno Vi tal que Vi = V p sin ( 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 encender el voltaje de entrada
En un momento dado, o los diodos impares son conductores, o los pares, nunca ambos. Con cada cambio en la derivada del voltaje de entrada (es decir,d V yo/d t), la corriente fluye hasta el siguiente nivel en la "pila" de condensadores a través de los diodos. Finalmente, después de un número suficiente de ciclos de la entrada de CA, se cargarán todos los condensadores. (Más precisamente, deberíamos decir que sus voltajes reales convergerán lo suficientemente cerca de los ideales ; siempre habrá alguna onda en la entrada de CA). Todos los condensadores se cargan a una tensión de 2 V p , excepto C1 , que se carga a V p . La clave para la multiplicación de voltaje es que mientras los capacitores se cargan 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 máximo multiplicado por el número de etapas N o, de manera equivalente, la oscilación del voltaje de entrada de 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 tierra.
Una forma de ver el circuito es que funciona como una "bomba" de carga, que bombea carga eléctrica en una dirección hacia la pila de condensadores. El circuito CW, junto con otros circuitos de condensadores similares, a menudo se denomina bomba de carga . Para cargas sustanciales, la carga de los condensadores 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 inconvenientes. A medida que aumenta el número de etapas, los voltajes de las etapas superiores comienzan a "hundirse", principalmente debido a la impedancia eléctrica de los condensadores de las etapas inferiores. Y, cuando se suministra una corriente de salida, la ondulación del 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 sólo cuando se requiere una corriente de salida relativamente baja. La caída se puede reducir aumentando la capacitancia en las etapas inferiores, y la ondulación se puede reducir aumentando la frecuencia de la entrada y usando una forma de onda cuadrada. Al activar el CW desde una fuente de alta frecuencia, como un inversor , o una combinación de un inversor y un transformador HV, el tamaño físico general y el peso de la fuente de alimentación CW se pueden reducir sustancialmente.
Los multiplicadores 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 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 tubos de ondas viajeras , bombas de iones , sistemas electrostáticos , ionizadores de aire , aceleradores de partículas , fotocopiadoras , instrumentación científica, osciloscopios , televisores y tubos de rayos catódicos , armas de electrochoque , eliminadores de insectos y muchas otras aplicaciones que utilizan CC de alto voltaje.
El Dynamitron es similar al generador Cockcroft-Walton. Sin embargo, en lugar de ser alimentada por un extremo como en el Cockcroft-Walton, la escalera capacitiva se carga electrostáticamente en paralelo mediante un voltaje oscilante de alta frecuencia aplicado entre dos largos electrodos semicilíndricos a cada lado de la columna de la escalera, que inducen voltaje en forma semicircular. anillos de corona unidos a cada extremo de los tubos rectificadores de diodos. [2]
