Multiplicadores de voltaje (duplicadores, triplicadores, cuádruples y más)

Un multiplicador de voltaje es un circuito rectificador especializado que produce una salida que en teoría es un número entero multiplicado por la entrada máxima de CA, por ejemplo, 2, 3 o 4 veces la entrada máxima de CA. Por lo tanto, es posible obtener 200 VCC de una fuente de CA de 100 V de pico usando un duplicador, 400 VCC de un cuadruplicador. Cualquier carga en un circuito práctico reducirá estos voltajes.

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

Duplicador de voltaje

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

Duplicador de voltaje de media onda

El duplicador de voltaje de media onda en la Figura siguiente (a) se compone de dos circuitos:un sujetador en (b) y un detector de picos (rectificador de media onda) en la Figura anterior, que se muestra en forma modificada en la Figura siguiente (c). Se ha agregado C2 a un detector de picos (rectificador de media onda).

El duplicador de voltaje de media onda (a) se compone de (b) un sujetador y (c) un rectificador de media onda.

Análisis del circuito de operación del duplicador de voltaje de media onda

Con referencia a la Figura (b) anterior, C2 se carga a 5 V (4,3 V considerando la caída del diodo) en el semiciclo negativo de la 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 del sujetador.

Durante el semiciclo positivo, el rectificador de media onda entra en juego en la Figura (c) anterior. El diodo D2 está fuera del circuito ya que tiene polarización inversa. C2 ahora está en serie con la fuente de voltaje. Tenga en cuenta las polaridades del generador y C2, ayuda en serie. Por lo tanto, el rectificador D1 ve un total de 10 V en el pico de la onda sinusoidal, 5 V del generador y 5 V de C2. D1 conduce la forma de onda v (1) (figura a continuación), cargando C1 hasta el pico de la onda sinusoidal montada en 5 V CC (figura a continuación v (2)). La forma de onda v (2) es la salida del doblador, que se estabiliza en 10 V (8,6 V con caídas de diodo) después de algunos ciclos de entrada de onda sinusoidal.

 * SPICE 03255.eps C1 2 0 1000p D1 1 2 diodo C2 4 1 1000p D2 0 1 diodo V1 4 0 SIN (0 5 1k) .modelo diodo d .tran 0.01m 5m .end 

Duplicador de voltaje:entrada v (4). v (1) etapa de sujeción. v (2) etapa rectificadora de media onda, que es la salida del doblador.

Duplicador 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 siguiente) La lista de conexiones correspondiente se muestra en la Figura siguiente.

Análisis de funcionamiento del duplicador de voltaje de onda completa

El rectificador inferior carga C1 en el semiciclo negativo de entrada. El rectificador superior carga C2 en el semiciclo positivo. Cada condensador adquiere una carga de 5 V (4,3 V considerando la caída del diodo). La salida en el nodo 5 es la serie total de C1 + C2 o 10 V (8,6 V con caídas de diodos).

 * SPICE 03273.eps * R1 3 0 100k * R2 5 3 100k D1 0 2 diodo D2 2 5 diodo C1 3 0 1000p C2 5 3 1000p V1 2 3 SIN (0 5 1k) .modelo de diodo d .tran 0.01 m 5m. fin 

El duplicador de voltaje de onda completa consta de dos rectificadores de media onda que operan en polaridades alternas.

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

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

Derivación de duplicadores de onda completa a partir de rectificadores de media onda

La figura siguiente 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, se pueden medir 10 V entre las dos salidas. El punto de referencia de tierra se mueve para que haya +10 V disponible con respecto a tierra.

Duplicador de onda completa:(a) Par de duplicadores, (b) redibujados, (c) compartiendo el suelo, (d) compartiendo la misma fuente de voltaje. (e) mueva el punto del suelo.

Triplicador de voltaje

Un triplicador de voltaje (Imagen siguiente) se construye a partir de una combinación de un rectificador de media onda y un doblador (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. La lista de conexiones se encuentra en la Figura siguiente.

Triplicador de voltaje compuesto por un doblador apilado sobre un rectificador de una sola etapa.

Tenga en cuenta que V (3) en la Figura siguiente aumenta a 5 V (4,3 V) en el primer semiciclo negativo. La entrada v (4) se desplaza hacia arriba en 5 V (4,3 V) debido a los 5 V del rectificador de media onda. Y 5 V más en v (1) debido al sujetador (C2, D2). D1 carga C1 (forma de onda v (2)) al valor pico de v (1).

 * SPICE 03283.eps C3 3 0 1000p D3 0 4 diodo C1 2 3 1000p D1 1 2 diodo C2 4 1 1000p D2 3 1 diodo V1 4 3 SIN (0 5 1k) .modelo de diodo d .tran 0.01m 5m .end 

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

Tensión cuádruple

Un cuadriplicador de voltaje es una combinación apilada de dos dobladores que se muestra en la Figura siguiente. Cada duplicador proporciona 10 V (8,6 V) para un total en serie en el nodo 2 con respecto a la tierra de 20 V (17,2 V)

La lista de conexiones se encuentra en la Figura siguiente.

Cuádruple de voltaje, compuesto por dos duplicadores apilados en serie, con salida en el nodo 2.

Las formas de onda del cuadriplicador se muestran en la Figura siguiente. Hay dos salidas de CC disponibles:v (3), la salida duplicadora yv (2) la salida cuádruple. Algunos de los voltajes intermedios en los sujetadores ilustran que la onda sinusoidal de entrada (no mostrada), que oscila en 5 V, se sujeta sucesivamente a niveles superiores:en v (5), v (4) yv (1). Estrictamente v (4) no es una salida de sujeción. Es simplemente la fuente de voltaje de CA en serie con v (3), la salida del duplicador. No obstante, v (1) es una versión restringida de v (4)

 * SPICE 03441.eps * SPICE 03286.eps C22 4 5 1000p C11 3 0 1000p D11 0 5 diodo D22 5 3 diodo C1 2 3 1000p D1 1 2 diodo C2 4 1 1000p D2 3 1 diodo V1 4 3 SIN ( 0 5 1k) .modelo de diodo d .tran 0.01m 5m .end 

Tensión cuádruple:tensión CC disponible en v (3) yv (2). Formas de onda intermedias:abrazaderas:v (5), v (4), v (1).

Notas sobre multiplicadores de voltaje y fuentes de alimentación impulsadas 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 impulsados ​​por una fuente de kHz a bajo voltaje, como en los ejemplos, los capacitores suelen ser de 0,1 a 1,0 µF, por lo que hay miliamperios de corriente disponibles en la salida. Si los multiplicadores se controlan desde 50/60 Hz, el capacitor tiene unos cientos o miles de microfaradios para proporcionar cientos de miliamperios de corriente de salida. Si es impulsado por voltaje de línea, preste atención a las clasificaciones de polaridad y voltaje de los capacitores.

Finalmente, cualquier fuente de alimentación impulsada 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 conectar estos circuitos con condensadores electrolíticos de cualquier voltaje, los condensadores explotarán si se invierte la polaridad. Dichos circuitos deben encenderse detrás de un escudo de seguridad.

Multiplicador de Cockcroft-Walton

Un multiplicador de voltaje de duplicadores de media onda en cascada de longitud arbitraria se conoce como Cockcroft-Walton multiplicador como se muestra en la Figura siguiente. 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 en v (8).

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

 D1 7 8 diodos C1 8 6 1000p D2 6 7 diodos C2 5 7 1000p D3 5 6 diodos C3 4 6 1000p D4 4 5 diodos C4 3 5 1000p D5 3 4 diodos C5 2 4 1000p D6 2 3 diodos D7 1 2 diodo C6 1 3 1000p C7 2 0 1000p C8 99 1 1000p D8 0 1 diodo V1 99 0 SIN (0 5 1k) .modelo diodo d .tran 0.01m 50m .end 

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

Sin caídas de diodos, cada duplicador produce 2Vin o 10 V, considerando que dos caídas de diodos (10-1,4) =8,6 V es realista. Para un total de 4 duplicadores, se esperan 4 · 8,6 =34,4 V de 40 V.

Consultando la Figura anterior, v (2) es correcto; sin embargo, v (8) es <30 V en lugar de los 34,4 V. anticipados. La pesadilla del multiplicador de Cockcroft-Walton es que cada etapa adicional agrega menos que la etapa anterior. Por tanto, existe un límite práctico al número de etapas. Es posible superar esta limitación con una modificación del circuito básico. [ABR] Observe también la escala de tiempo de 40 ms en comparación con 5 ms de los circuitos anteriores. Se requirieron 40 mseg para que los voltajes se elevaran a un valor terminal para este circuito. La lista de conexiones en la Figura anterior tiene un comando ".tran 0.010m 50m" para extender el tiempo de simulación a 50 mseg; sin embargo, solo se trazan 40 milisegundos.

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 "pares" de voltaje más bajo. La serie de tomas multiplicadoras reemplaza un divisor de voltaje resistivo que genera 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 máximo de CA.
• El multiplicador más básico es un duplicador de media onda.
• El doble de onda completa es un circuito superior como doblador.
• Un triplicador es un duplicador de media onda y una etapa rectificadora convencional (detector de picos).
• Un cuadruplicador es un par de duplicadores de media onda
• Una cadena larga de duplicadores de media onda se conoce como multiplicador de Cockcroft-Walton.

HOJAS DE TRABAJO RELACIONADAS:

• Hoja de trabajo de circuitos OpAmp de verano y sustractor