Un doblador de tensión es un circuito electrónico que carga condensadores a partir de la tensión de entrada y conmuta estas cargas de tal forma que, en el caso ideal, se produce exactamente el doble de tensión en la salida que en la 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 se activan para cambiar de estado simplemente por el voltaje alterno de la entrada. Los duplicadores de voltaje de 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 tensión son una variedad de circuitos multiplicadores de tensión . Muchos de los circuitos duplicadores de tensión, aunque no todos, pueden considerarse como una etapa única de un multiplicador de orden superior: al conectar en cascada etapas idénticas se logra una mayor multiplicación de tensión.
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 rizado muy pobres. Esencialmente, el circuito es un circuito de fijación de diodo . El condensador se carga en los semiciclos negativos hasta el voltaje pico de CA ( 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 "fijados" 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 ondulación de pico a pico es un enorme pk 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 el diodo invertido) utilizado para suministrar el alto voltaje negativo al magnetrón de un horno microondas.
El duplicador de tensión Greinacher es una mejora significativa sobre el circuito Villard por un pequeño costo en componentes adicionales. La ondulación se reduce mucho, nominalmente cero bajo condiciones de carga de circuito abierto, pero cuando se extrae corriente depende de la resistencia de la carga y el valor de los condensadores utilizados. El circuito funciona siguiendo una etapa de celda Villard con lo que es en esencia una etapa de detector de pico o detector de envolvente . La celda de detector de pico tiene el efecto de eliminar la mayor parte de la ondulación mientras se preserva el voltaje pico en la salida. El circuito Greinacher también se conoce comúnmente como el duplicador de tensión 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 , ya que los 110 V de CA suministrados por las centrales eléctricas de Zúrich de la época eran insuficientes. [3] Más tarde amplió esta idea a una cascada de multiplicadores en 1920. [p 3] [4] [p 4] Esta cascada de celdas de Greinacher a menudo se denomina incorrectamente cascada de Villard. También se llama multiplicador de Cockcroft-Walton en honor a la máquina aceleradora de partículas construida por John Cockcroft y Ernest Walton , quienes descubrieron el circuito de forma independiente en 1932. [p 5] [5] El concepto de esta topología se puede extender a un circuito cuadruplicador de voltaje utilizando dos celdas de Greinacher de polaridades opuestas impulsadas por la misma fuente de CA. La salida se toma a través de las dos salidas individuales. Al igual que en un circuito puente, es imposible conectar a tierra simultáneamente la entrada y la salida de este circuito. [6]
El circuito Delon utiliza una topología de puente para duplicar la tensión; [p 6] por lo tanto también se le llama duplicador de tensión de onda completa . [2] Esta forma de circuito se encontró, en un tiempo, comúnmente en televisores de tubo de rayos catódicos donde se usaba para proporcionar una fuente de alimentación de tensión extra alta (EHT). Generar voltajes superiores a 5 kV con un transformador tiene problemas de seguridad en términos de equipo doméstico y en cualquier caso es antieconómico. Sin embargo, los televisores en blanco y negro requerían una eht de 10 kV y los televisores en color aún más. Los duplicadores de tensión se usaban para duplicar la tensión en un devanado eht en el transformador de red o se aplicaban a la forma de onda en las bobinas flyback de línea . [7]
El circuito consta de dos detectores de picos de media onda que funcionan exactamente de la misma manera que la celda del detector de picos del circuito Greinacher. Cada una de las dos celdas del detector de picos funciona 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.
Es posible utilizar los circuitos de diodo-capacitador simples descritos anteriormente para duplicar el voltaje de una fuente de CC al anteponer al duplicador de voltaje un circuito chopper . En efecto, esto convierte la CC en CA antes de aplicarla al duplicador de voltaje. [8] Se pueden construir circuitos más eficientes al accionar los dispositivos de conmutación desde un reloj externo de modo que ambas funciones, la de cortar y la de multiplicar, se logren simultáneamente. Dichos circuitos se conocen como circuitos de capacitores conmutados . 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 la batería puede proporcionar. Con frecuencia, una señal de reloj está disponible a bordo del circuito integrado y se necesita poco o ningún circuito adicional para generarla. [9]
En teoría, la configuración de condensador conmutado más sencilla es la que se muestra esquemáticamente en la figura 5. En ella, se cargan simultáneamente dos condensadores con el mismo voltaje en paralelo. A continuación, se desconecta la fuente de alimentación y se conectan los condensadores en serie. La salida se toma de los dos condensadores en serie, lo que da como resultado una salida que duplica el voltaje de la fuente de alimentación. Hay muchos dispositivos de conmutación diferentes que se pueden utilizar en un circuito de este tipo, pero en los circuitos integrados se emplean con frecuencia dispositivos MOSFET . [10]
Otro concepto básico es la bomba de carga , una versión de la cual 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 conmuta para cargar el condensador de salida, C O , en serie con el voltaje de entrada, lo que da como resultado que C O finalmente se cargue al doble del voltaje de entrada. Puede tomar varios ciclos antes de que la bomba de carga logre cargar completamente C O pero después de que se haya alcanzado el estado estable solo es necesario que C P bombee una pequeña cantidad de carga equivalente a la que se suministra a la carga desde C O . Mientras C O está desconectado de la bomba de carga, se descarga parcialmente en la carga, lo que da como resultado una ondulación en el voltaje de salida. Esta ondulación es menor 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 se pueden hacer más pequeños para una especificación de ondulación dada. La frecuencia de reloj máxima práctica en circuitos integrados está típicamente en los cientos de kilohercios. [11]
La bomba de carga de Dickson, o multiplicador de Dickson , consiste en una cascada de celdas de diodo/condensador con la placa inferior de cada condensador accionada por un tren de pulsos de reloj . [p 7] El circuito es una modificación del multiplicador de Cockcroft-Walton pero toma una entrada de CC con los trenes de reloj proporcionando la señal de conmutación en lugar de la entrada de CA. El multiplicador de Dickson normalmente requiere que las celdas alternas sean accionadas por pulsos de reloj de fase opuesta. Sin embargo, dado que un duplicador de voltaje, mostrado en la figura 7, requiere solo una etapa de multiplicación, solo se requiere una señal de reloj. [12]
El multiplicador de Dickson se emplea con frecuencia en circuitos integrados en los que la tensión de alimentación (de una batería, por ejemplo) es inferior a la que requiere el circuito. En la fabricación de circuitos integrados resulta ventajoso que todos los componentes semiconductores sean básicamente del mismo tipo. Los MOSFET son habitualmente el bloque lógico estándar en muchos circuitos integrados. Por este motivo, los diodos suelen sustituirse por este tipo de transistor, pero conectados para que funcionen como un diodo, una disposición denominada MOSFET cableado con diodos. La figura 8 muestra un duplicador de tensión de Dickson que utiliza MOSFET de tipo de mejora de canal n cableado con diodos. [13]
Existen muchas variaciones y mejoras de la bomba de carga básica de Dickson. Muchas de ellas tienen como objetivo reducir el efecto del voltaje de drenaje-fuente del transistor. Esto puede ser muy significativo si el voltaje de entrada es pequeño, como en el caso de una batería de bajo voltaje. Con elementos de conmutación ideales, la salida es un múltiplo entero de la entrada (dos para un duplicador), pero con una batería de una sola celda como fuente de entrada e interruptores MOSFET, la salida será mucho menor que este valor, ya que gran parte del voltaje se reducirá a través de los transistores. Para un circuito que utilice componentes discretos, el diodo Schottky sería una mejor opción de elemento de conmutación por su caída de voltaje extremadamente baja en el estado encendido. Sin embargo, los diseñadores de circuitos integrados prefieren utilizar el MOSFET, que está fácilmente disponible, y compensar sus deficiencias con una mayor complejidad del circuito. [14]
Como ejemplo, una celda de batería alcalina tiene un voltaje nominal de 1,5 V. Un duplicador de voltaje que utilice elementos de conmutación ideales con caída de voltaje cero duplicará hipotéticamente este valor a 3,0 V. Sin embargo, la caída de voltaje de drenaje-fuente de un MOSFET cableado con diodos cuando está en estado encendido debe ser al menos el voltaje de umbral de compuerta 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 también se tiene en cuenta la caída a través del transistor de suavizado final, el circuito puede no ser capaz de aumentar el voltaje en absoluto sin usar múltiples etapas. Un diodo Schottky típico, por otro lado, podría tener un voltaje de estado encendido de 0,3 V. [ 16] Un duplicador que utilice este diodo Schottky dará como resultado un voltaje de 2,7 V , o en la salida después del diodo de suavizado, 2,4 V. [ 17]
Los circuitos de condensadores conmutados acoplados de forma cruzada son muy útiles para 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 por debajo de un voltio. [18]
Cuando el reloj está bajo, el transistor Q 2 se apaga. Al mismo tiempo, el reloj está alto. Esto enciende el transistor Q 1 , lo que hace que el condensador C 1 se cargue a V in . Cuando se vuelve alto, la placa superior de C 1 se eleva hasta el doble de V in . Al mismo tiempo, el interruptor S 1 se cierra, por lo que este voltaje aparece en la salida. Al mismo tiempo, Q 2 se enciende permitiendo que C 2 se cargue. En el siguiente medio ciclo, los roles se invertirán: será bajo, será alto, S 1 se abrirá y S 2 se cerrará. Por lo tanto, la salida se suministra con 2 V in alternativamente desde cada lado del circuito. [19]
La pérdida es baja en este circuito porque no hay MOSFET cableados con diodos y sus problemas asociados de voltaje de umbral. El circuito también tiene la ventaja de que la frecuencia de rizado se duplica porque hay efectivamente dos duplicadores de voltaje que suministran la salida de relojes desfasados. La principal desventaja de este circuito es que las capacitancias parásitas son mucho más significativas que con el multiplicador de Dickson y representan la mayor parte de las pérdidas en este circuito. [20]
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