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 utilizando una red de capacitores y diodos .
Los multiplicadores de tensión se pueden utilizar para generar desde unos pocos voltios para aparatos electrónicos hasta millones de voltios para fines como experimentos de física de alta energía y pruebas de seguridad contra rayos. El tipo más común de multiplicador de tensión es el multiplicador en serie de media onda, también llamado cascada de Villard (pero en realidad inventado por Heinrich Greinacher ).
Suponiendo que el voltaje pico de la fuente de CA es +U s , y que los valores de C son suficientemente altos para permitir que, cuando está cargada, fluya una corriente sin un cambio significativo en el voltaje, entonces el funcionamiento (simplificado) de la cascada es el siguiente:
Agregar una etapa adicional aumentará el voltaje de salida al doble del voltaje pico de la fuente de CA (menos las pérdidas debidas a los diodos; consulte el siguiente párrafo).
En realidad, se requieren más ciclos para que C 4 alcance el voltaje completo, y el voltaje de cada capacitor se reduce por la caída de voltaje directo ( U f ) de cada diodo en el camino hacia ese capacitor. Por ejemplo, el voltaje de C 4 en el ejemplo sería como máximo 2U s - 4U f ya que hay 4 diodos entre su terminal positivo y la fuente. El voltaje de salida total sería U(C 2 ) + U(C 4 ) = (2U s - 2U f ) + (2U s - 4U f ) = 4U s - 6U f . En una cascada con n etapas de dos diodos y dos capacitores, el voltaje de salida es igual a 2n U s - n(n+1) U f . El término n(n+1) U f representa la suma de las pérdidas de voltaje causadas por los diodos, sobre todos los capacitores en el lado de salida (es decir, en el lado derecho en el ejemplo ‒ C 2 y C 4 ). Por ejemplo, si tenemos 2 etapas como en el ejemplo, la pérdida total es 2+4 = 2*(2+1) = 6 veces U f . Una etapa adicional aumentará el voltaje de salida al doble del voltaje de la fuente, menos la caída de voltaje directo sobre 2n+2 diodos: 2U s - (2n+2)U f .
Un duplicador de voltaje utiliza 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 fuentes de alimentación de modo conmutado que contienen un interruptor SPDT para seleccionar el suministro 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 rectificador de puente y conectando la entrada a la unión de dos condensadores de filtro conectados en serie. Para el funcionamiento a 240 V, el interruptor configura el sistema como un puente de onda completa, reconectando el cable de toma central del condensador al terminal de CA abierto de un sistema de rectificador de puente. Esto permite el funcionamiento a 120 o 240 V con la adición de un simple interruptor SPDT.
Un triplicador de tensión es un multiplicador de tensión de tres etapas. Un triplicador es un tipo popular de multiplicador de tensión. La tensión de salida de un triplicador es, en la práctica, tres veces inferior a la tensión de entrada máxima debido a su alta impedancia , causada en parte por el hecho de que, a medida que cada condensador de la cadena suministra energía al siguiente, se descarga parcialmente, perdiendo tensión al hacerlo.
Los triplicadores se utilizaban comúnmente en los receptores de televisión en color para proporcionar alto voltaje al tubo de rayos catódicos (CRT, tubo de imagen).
Los triplicadores todavía se utilizan en suministros de alto voltaje , como fotocopiadoras , impresoras láser , matamoscas y armas de electrochoque .
Si bien el multiplicador se puede utilizar para producir miles de voltios de salida, no es necesario que los componentes individuales estén calificados para soportar todo el rango de voltaje. Cada componente solo debe preocuparse por las diferencias de voltaje relativas directamente entre sus propios terminales y los componentes inmediatamente adyacentes a él.
Normalmente, un multiplicador de voltaje estará dispuesto físicamente como una escalera, de modo que el potencial de voltaje que aumenta progresivamente no tenga la oportunidad de formar un arco eléctrico hacia las secciones del circuito con potencial mucho más bajo.
Tenga en cuenta que se necesita un margen de seguridad en el rango relativo de diferencias de voltaje en el multiplicador, de modo que la escalera pueda sobrevivir a la falla por cortocircuito de al menos un componente de diodo o capacitor. De lo contrario, una falla por cortocircuito en un solo punto podría generar sobretensiones sucesivas y destruir cada componente siguiente en el multiplicador, destruyendo potencialmente toda la cadena del multiplicador.
En cualquier columna se utiliza un número par de celdas de diodo-condensador para que la cascada termine en una celda de suavizado. Si fuera impar y terminara en una celda de sujeción, la tensión 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 del aumento de la corriente del diodo.
La bomba de carga de Dickson , o multiplicador de Dickson , es una modificación del multiplicador de Greinacher/Cockcroft–Walton . Sin embargo, existen varias diferencias importantes:
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 está bajo, D1 cargará C1 a V en . Cuando se eleva, la placa superior de C1 se eleva a 2 V en . Luego, D1 se apaga y D2 se enciende y C2 comienza a cargarse a 2 V en . En el siguiente ciclo de reloj, vuelve a bajar y ahora sube, empujando la placa superior de C2 a 3 V en . D2 se apaga y D3 se enciende, cargando C3 a 3 V en y así sucesivamente con la carga que pasa por la cadena, de ahí el nombre de bomba de carga . La última celda de diodo-condensador en la cascada está conectada a tierra en lugar de a 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 en . Uno de ellos es el voltaje umbral, V T del dispositivo de conmutación, es decir, el voltaje necesario para encenderlo. La salida se reducirá al menos en nV T debido a las caídas de voltaje a través de los interruptores. Los diodos Schottky se utilizan comúnmente en los multiplicadores de Dickson por su baja caída de voltaje directo, entre otras razones. Otra dificultad es que hay capacitancias parásitas a tierra en cada nodo. Estas capacitancias parásitas actúan como divisores de voltaje con los capacitores 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 capacitores necesarios ya que se necesita almacenar menos carga por ciclo. Sin embargo, las pérdidas a través de la capacitancia parásita aumentan con el aumento de la frecuencia de reloj y un límite práctico es de alrededor de unos pocos cientos de kilohercios. [4]
Los multiplicadores de Dickson se encuentran con frecuencia en circuitos integrados (CI), donde se utilizan para aumentar el suministro de una batería de bajo voltaje al voltaje que necesita el CI. Es ventajoso para el diseñador y el fabricante de CI poder utilizar la misma tecnología y el mismo dispositivo básico en todo el CI. Por esta razón, en los CI 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 de Dickson a menudo se reemplazan con MOSFET cableados para comportarse como diodos. [5]
La versión MOSFET con diodos cableados del multiplicador de Dickson no funciona muy bien a voltajes muy bajos debido a las grandes caídas de voltaje de drenaje-fuente de los MOSFET. Con frecuencia, se utiliza un circuito más complejo para superar este problema. Una solución es conectar en paralelo con el MOSFET de conmutación otro MOSFET polarizado en su región lineal. Este segundo MOSFET tiene un voltaje de drenaje-fuente más bajo que el que tendría 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 linealmente se conecta a la salida de la siguiente etapa de modo que se apaga mientras la siguiente etapa se carga desde el capacitor de la etapa anterior. Es decir, el transistor polarizado linealmente se apaga al mismo tiempo que el transistor de conmutación. [6]
Un multiplicador Dickson ideal de 4 etapas (multiplicador 5×) con una entrada de 1,5 V tendría una salida de 7,5 V. Sin embargo, un multiplicador MOSFET de 4 etapas cableado con diodos podría tener una salida de solo 2 V. Agregar MOSFET en paralelo en la región lineal mejora esto 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 del circuito básico de Dickson. Algunas intentan reducir el voltaje umbral de conmutación, como el multiplicador Mandal-Sarpeshkar [8] o el multiplicador Wu [9] . Otros circuitos anulan el voltaje umbral: el multiplicador Umeda lo hace con un voltaje provisto externamente [10] y el multiplicador Nakamoto lo hace con un voltaje generado internamente [11] . El multiplicador Bergeret se concentra en maximizar la eficiencia energética [12] .
En los circuitos integrados CMOS, las señales de reloj están disponibles de inmediato o se generan con facilidad. Esto no siempre es así en los circuitos integrados de RF , pero a menudo se dispone de una fuente de potencia 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 de reloj, que luego se convierte en la entrada del circuito. La señal de RF es efectivamente el reloj y la fuente de potencia. Sin embargo, dado que el reloj se inyecta solo en cada nodo, el circuito solo logra una etapa de multiplicación por cada segunda celda de diodo-capacitador. Las otras celdas de diodo-capacitador simplemente actúan como detectores de pico y suavizan la ondulación sin aumentar la multiplicación. [13]
Un multiplicador de tensión puede estar formado por una cascada de duplicadores de tensión del tipo de condensador conmutado acoplado en cruz . Este tipo de circuito se utiliza normalmente en lugar de un multiplicador de Dickson cuando la tensión de la fuente es de 1,2 V o menos. Los multiplicadores de Dickson tienen una eficiencia de conversión de potencia cada vez menor a medida que la tensión de entrada cae porque la caída de tensión a través de los transistores cableados con diodos se vuelve mucho más significativa en comparación con la tensión de salida. Dado que los transistores en el circuito acoplado en cruz no están cableados con diodos, el problema de la caída de tensión no es tan grave. [14]
El circuito funciona alternando la salida de cada etapa entre un duplicador de voltaje accionado por y uno accionado por . Este comportamiento lleva a otra ventaja sobre el multiplicador de Dickson: voltaje de rizado reducido al doble de la frecuencia. El aumento en la frecuencia de rizado es ventajoso porque es más fácil de eliminar mediante filtrado. Cada etapa (en un circuito ideal) aumenta el voltaje de salida por el voltaje de reloj pico. Suponiendo que este es el mismo nivel que el voltaje de entrada de CC, entonces un multiplicador de n etapas (idealmente) producirá nV en . La causa principal de pérdidas en el circuito de acoplamiento cruzado es la capacitancia parásita en lugar del voltaje de umbral de conmutación. Las pérdidas ocurren porque parte de la energía tiene que ir a cargar las capacitancias parásitas en cada ciclo. [15]
Las fuentes de alimentación de alto voltaje para los tubos de rayos catódicos (TRC) de los televisores suelen utilizar multiplicadores de voltaje con el condensador de suavizado de la etapa final formado por los revestimientos aquadag interior y exterior del propio TRC. Los TRC eran antes un componente común en los televisores. Todavía se pueden encontrar multiplicadores de voltaje en los televisores modernos, fotocopiadoras y matamoscas . [16]
Los multiplicadores de alto voltaje se utilizan en equipos de pintura por aspersión, que se encuentran con mayor frecuencia en las instalaciones de fabricación de automóviles. Se utiliza un multiplicador de voltaje con una salida de aproximadamente 100 kV en la boquilla del pulverizador de pintura para cargar eléctricamente las partículas de pintura atomizadas que luego son atraídas hacia las superficies metálicas con carga opuesta que se van a pintar. Esto ayuda a reducir el volumen de pintura utilizado y ayuda a distribuir una capa de pintura uniforme.
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 utilizado en la investigación que les valió el Premio Nobel de Física en 1951).
