3.8: Multiplicadores de Voltaje (Dobladores, Triplers, Cuádruples y Más)

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Primero repasaremos varios tipos de multiplicadores de voltaje (duplicador de voltaje (media y onda completa), tripler de voltaje y cuadriplicador de voltaje, luego haremos algunas notas generales sobre la seguridad del multiplicador de voltaje y terminaremos con el multiplicador Cockcroft-Walton.

Doblador de Voltaje

Una aplicación duplicadora de voltaje es una fuente de alimentación de CC capaz de usar una fuente de 240 VCA o 120 VCA. La fuente utiliza un puente de onda completa seleccionado por interruptor para producir aproximadamente 300 VCC a partir de una fuente de 240 VCA. La posición de 120 V del interruptor vuelve a cablear el puente como un duplicador que produce aproximadamente 300 VCC a partir de los 120 VCA. En ambos casos se produce 300 VCC. Esta es la entrada a un regulador de conmutación que produce voltajes más bajos para alimentar, digamos, una computadora personal.

Doblador de voltaje de media onda

El duplicador de voltaje de media onda de la Figura a continuación (a) está compuesto por dos circuitos: un clamper en (b) y un detector de pico (rectificador de media onda) en la Figura anterior, el cual se muestra en forma modificada en la Figura siguiente (c). C2 se ha agregado a un detector de pico (rectificador de media onda).

El duplicador de voltaje de media onda (a) está compuesto por (b) un clamper y (c) un rectificador de media onda.

Haciendo referencia a la Figura anterior (b), C2 carga a 5 V (4.3 V considerando la caída del diodo) en el medio ciclo negativo de entrada de CA. El extremo derecho está conectado a tierra por el conductor D2. El extremo izquierdo se carga en el pico negativo de la entrada de CA. Esta es la operación de la clamper.

Durante el medio ciclo positivo, el rectificador de media onda entra en juego en la Figura anterior (c). El diodo D2 está fuera del circuito ya que está polarizado de forma inversa. C2 ahora está en serie con la fuente de voltaje. Tenga en cuenta las polaridades del generador y C2, la ayuda en serie. Así, el rectificador D1 ve un total de 10 V en el pico de la onda sinusoidal, 5 V del generador y 5 V desde C2. D1 conduce la forma de onda v (1) (Figura a continuación), cargando C1 al pico de la onda sinusoidal montada en 5 V DC (Figura debajo de v (2)). Forma de onda v (2) es la salida del duplicador, que se estabiliza a 10 V (8.6 V con caídas de diodo) después de algunos ciclos de entrada de onda sinusoidal.

Doblador de voltaje de onda completa

El duplicador de voltaje de onda completa está compuesto por un par de rectificadores de media onda apilados en serie. (Figura abajo) El netlist correspondiente se encuentra en la Figura a continuación. El rectificador inferior carga C1 en el medio ciclo negativo de entrada. El rectificador superior carga C2 en el medio ciclo positivo. Cada condensador toma una carga de 5 V (4.3 V considerando la caída del diodo). La salida en el nodo 5 es el total en serie de C1 + C2 o 10 V (8.6 V con caídas de diodo).

El duplicador de voltaje de onda completa consta de dos rectificadores de media onda que funcionan con polaridades alternas.

Tenga en cuenta que la salida v (5) Figura a continuación alcanza el valor completo dentro de un ciclo de la excursión de entrada v (2).

Doblador de voltaje de onda completa: entrada v (2), voltaje v (3) en el punto medio, voltaje v (5) en la salida

La siguiente figura ilustra la derivación del duplicador de onda completa a partir de un par de rectificadores de media onda de polaridad opuesta (a). El rectificador negativo del par se vuelve a dibujar para mayor claridad (b). Ambos se combinan en (c) compartiendo el mismo terreno. En (d) el rectificador negativo se vuelve a cablear para compartir una fuente de voltaje con el rectificador positivo. Esto produce una fuente de alimentación de ±5 V (4.3 V con caída de diodo); sin embargo, 10 V es medible entre las dos salidas. El punto de referencia del suelo se mueve de manera que +10 V esté disponible con respecto al suelo.

Doblador de onda completa: (a) Par de dobladores, (b) redibujados, (c) compartiendo tierra, (d) comparten la misma fuente de voltaje. (e) mover el punto de tierra.

Tripler de Voltaje

Un tripler de voltaje (Figura a continuación) se construye a partir de una combinación de un duplicador y un rectificador de media onda (C3, D3). El rectificador de media onda produce 5 V (4.3 V) en el nodo 3. El duplicador proporciona otros 10 V (8.4 V) entre los nodos 2 y 3. para un total de 15 V (12.9 V) en el nodo de salida 2 con respecto a tierra. El netlist se encuentra en la Figura a continuación.

Tripler de voltaje compuesto por doblador apilado encima de un rectificador de una sola etapa.

Obsérvese que V (3) en la Figura a continuación se eleva a 5 V (4.3 V) en el primer medio ciclo negativo. La entrada v (4) se desplaza hacia arriba 5 V (4.3 V) debido a 5 V desde el rectificador de media onda. Y 5 V más en v (1) debido a la clamper (C2, D2). D1 carga C1 (forma de onda v (2)) al valor pico de v (1).

Tripler de voltaje: v (3) rectificador de media onda, v (4) entrada+ 5 V, v (1) clamper, v (2) salida final.

Cuatriplador de Voltaje

Un cuadruplador de voltaje es una combinación apilada de dos dobladores que se muestran en la Figura a continuación. Cada duplicador proporciona 10 V (8.6 V) para un total de serie en el nodo 2 con respecto a tierra de 20 V (17.2 V).

El netlist se encuentra en la Figura a continuación.

Cuatriplador de voltaje, compuesto por dos dobladores apilados en serie, con salida en el nodo 2.

Las formas de onda del cuadruplador se muestran en la Figura siguiente. Dos salidas de CC están disponibles: v (3), la salida del duplicador y v (2) la salida del cuadruplador. Algunos de los voltajes intermedios en clampers ilustran que la onda sinusoidal de entrada (no mostrada), que oscila 5 V, se sujeta sucesivamente en niveles más altos: en v (5), v (4) y v (1). Estrictamente v (4) no es una salida de clamper. Es simplemente la fuente de voltaje de CA en serie con el v (3) la salida del duplicador. Sin embargo, v (1) es una versión sujeta de v (4)

Cuádruple de voltaje: voltaje de CC disponible en v (3) y v (2). Formas de onda intermedias: Clampers: v (5), v (4), v (1).

Notas sobre multiplicadores de voltaje y fuentes de alimentación accionadas por línea

Algunas notas sobre los multiplicadores de voltaje están en orden en este punto. Los parámetros del circuito utilizados en los ejemplos (V= 5 V 1 kHz, C=1000 pf) no proporcionan mucha corriente, microamperios. Además, se han omitido las resistencias de carga. La carga reduce los voltajes de los mostrados. Si los circuitos van a ser accionados por una fuente de kHz a baja tensión, como en los ejemplos, los condensadores suelen ser de 0.1 a 1.0 µF de manera que miliamperios de corriente están disponibles en la salida. Si los multiplicadores son accionados desde 50/60 Hz, el condensador es de unos pocos cientos a unos pocos miles de microfaradios para proporcionar cientos de miliamperios de corriente de salida. Si se acciona desde voltaje de línea, preste atención a la polaridad y las clasificaciones de voltaje de los condensadores.

Finalmente, cualquier fuente de alimentación accionada por línea directa (sin transformador) es peligrosa para el experimentador y el equipo de prueba operado por línea. Los suministros comerciales de accionamiento directo son seguros porque los circuitos peligrosos están en un recinto para proteger al usuario. Al ensanchar estos circuitos con condensadores electrolíticos de cualquier voltaje, los condensadores explotarán si se invierte la polaridad. Dichos circuitos deben estar encendidos detrás de un escudo de seguridad.

Multiplicador Cockcroft-Walton

Un multiplicador de voltaje de dobladores de media onda en cascada de longitud arbitraria se conoce como multiplicador Cockcroft-Walton como se muestra en la Figura a continuación. Este multiplicador se utiliza cuando se requiere un alto voltaje a baja corriente. La ventaja sobre un suministro convencional es que no se requiere un costoso transformador de alto voltaje, al menos no tan alto como la salida.

Multiplicador de voltaje Cockcroft-Walton x8; salida a v (8).

El par de diodos y capacitores a la izquierda de los nodos 1 y 2 en la Figura anterior constituyen un duplicador de media onda. Girar los diodos 45 ^o en sentido contrario a las agujas del reloj, y el condensador inferior 90 ^o hace que se vea como la Figura anterior (a). Cuatro de las secciones duplicadoras están en cascada a la derecha para un factor teórico de multiplicación x8. El nodo 1 tiene una forma de onda de sujeción (no mostrada), una onda sinusoidal desplazada hacia arriba en 1x (5 V). Los otros nodos impares son ondas senoidales sujetadas a voltajes sucesivamente más altos. El nodo 2, la salida del primer duplicador, es un voltaje de 2x CC v (2) en la Figura siguiente. Los nodos sucesivos pares se cargan a voltajes sucesivamente más altos: v (4), v (6), v (8)

Formas de onda Cockcroft-Walton (x8). La salida es v (8).

Sin caídas de diodo, cada duplicador produce 2Vin o 10 V, considerando dos caídas de diodo (10-1.4) =8.6 V es realista. Para un total de 4 dobladores uno espera 4·8.6=34.4 V de 40 V.

La figura consultora anterior, v (2) es aproximadamente correcta; sin embargo, v (8) es <30 V en lugar de la esperada 34.4 V. La ruina del multiplicador Cockcroft-Walton es que cada etapa adicional suma menos que la etapa anterior. Así, existe un límite práctico al número de etapas. Es posible superar esta limitación con una modificación al circuito básico. [ABR] También tenga en cuenta la escala de tiempo de 40 ms en comparación con 5 ms para circuitos anteriores. Se requirieron 40 mseg para que los voltajes se elevaran a un valor terminal para este circuito. El netlist en la Figura anterior tiene un comando “.tran 0.010m 50m” para extender el tiempo de simulación a 50 ms; sin embargo, solo se trazan 40 ms.

El multiplicador Cockcroft-Walton sirve como una fuente de alto voltaje más eficiente para tubos fotomultiplicadores que requieren hasta 2000 V. [ABR] Además, el tubo tiene numerosos dinodos, terminales que requieren conexión a los nodos de menor voltaje “incluso numerados”. La serie de tomas multiplicadoras reemplaza un divisor de voltaje resistivo generador de calor de diseños anteriores.

Un multiplicador Cockcroft-Walton operado por línea de CA proporciona alto voltaje a los “generadores de iones” para neutralizar la carga electrostática y para los purificadores de aire.

Revisión del multiplicador de voltaje:

Un multiplicador de voltaje produce un múltiplo de CC (2,3,4, etc.) del voltaje de entrada pico de CA.
El multiplicador más básico es un doblador de media onda.
El doble de onda completa es un circuito superior como doblador.
Un tripler es un duplicador de media onda y una etapa rectificadora convencional (detector de pico).
Un cuadruplador es un par de dobladores de media onda
Una larga cadena de dobladores de media onda se conoce como multiplicador Cockcroft-Walton.