Multiplicadores de Voltaje: Duplicador, Triplicador, Cuadruplicador y Diseño Cockcroft-Walton

Un multiplicador de voltaje es un rectificador especializado que produce una salida CC que es un múltiplo entero del pico de entrada CA —comúnmente 2×, 3× o 4×. En la práctica, una fuente CA de 100 V pico puede generar unos 200 V CC con un duplicador, o 400 V CC con un cuadruplicador, aunque la carga real reducirá estas cifras.

Tipos de Multiplicadores de Voltaje

Duplicador de Voltaje

La mayoría de fuentes de alimentación de laboratorio usan un duplicador para elevar una fuente CA de 120 V o 240 V a unos 300 V CC. Un puente de onda completa configurado como duplicador entrega el mismo voltaje CC desde 120 V o 240 V de red, que luego alimenta un regulador conmutado para voltajes menores.

Duplicador de Media Onda

El duplicador de media onda combina un sujetador y un rectificador de media onda. El sujetador carga el capacitor C2 al pico negativo de la entrada (≈5 V menos caída de diodo), luego el rectificador permite que C2 se sume al voltaje del generador durante el semiciclo positivo. La salida resultante se estabiliza alrededor de 10 V (≈8,6 V con caídas de diodo realistas).

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

Ilustración: v(4) es la entrada, v(1) la etapa sujetador, v(2) la etapa rectificadora de media onda, y v(3) la salida final.

Duplicador de Onda Completa

Apilando dos rectificadores de media onda en serie, el duplicador de onda completa carga un capacitor en el semiciclo negativo y otro en el positivo. Los dos capacitores juntos proveen un voltaje duplicado con mejor tolerancia a rizado.

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

Resultado: v(5) alcanza la salida completa dentro de un solo ciclo de entrada.

Derivando Duplicadores de Onda Completa desde Rectificadores de Media Onda

Combinando dos rectificadores de media onda de polaridad opuesta y re-referenciando la tierra se obtiene una fuente ±5 V (≈±4,3 V con caídas de diodo). La salida a través de las dos salidas es entonces 10 V.

Triplicador de Voltaje

Un triplicador es esencialmente un duplicador apilado sobre un rectificador de media onda. La etapa de media onda añade ~5 V, el duplicador añade ~10 V, produciendo un total de ~15 V (≈12,9 V con caídas de diodo) respecto a tierra.

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

Cuadruplicador de Voltaje

Apilando dos etapas duplicadoras se produce un cuadruplicador. Cada duplicador contribuye ~10 V (≈8,6 V realista), así la salida combinada es ~20 V (≈17,2 V). Dos salidas CC están disponibles: una en el duplicador intermedio y otra en la etapa final.

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

Las formas de onda muestran sujeción sucesiva en niveles crecientes: v(5), v(4), y v(1).

Seguridad y Consideraciones Prácticas

• Parámetros típicos de simulación (5 V, 1 kHz, 1 nF) producen corrientes de microamperios; para miliamperios de carga, use capacitores de 0,1–1,0 µF en circuitos de kHz.
• Para operación en red 50/60 Hz, los capacitores deben ser de varios cientos a miles de µF para suministrar cientos de miliamperios.
• Siempre observe polaridad correcta y tensión nominal en capacitores electrolíticos —polaridad inversa puede causar explosiones.
• Circuitos alimentados directamente de red (sin transformador) son peligrosos; manténgalos en envolventes blindadas y nunca use protoboard sin protección de seguridad.

Multiplicador Cockcroft-Walton

El Cockcroft-Walton es una cascada de duplicadores de media onda. Con ocho etapas (x8), puede entregar ~30 V desde una entrada de 5 V pico, contando caídas de diodo. Aunque cada etapa añadida rinde menos voltaje incremental, la topología evita la necesidad de un transformador de alto voltaje.

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

Aplicaciones reales incluyen tubos fotomultiplicadores (hasta 2000 V) y generadores de iones para purificación de aire. La serie de tomas reemplaza divisores resistivos, reduciendo calor y mejorando eficiencia.

Conclusiones Clave

• Un multiplicador de voltaje escala el voltaje pico CA a un nivel CC superior.
• El más simple es el duplicador de media onda; duplicadores de onda completa mejoran rendimiento de rizado.
• Triplicadores combinan duplicador con detector de pico; cuadruplicadores apilan dos duplicadores.
• Multiplicadores Cockcroft-Walton proveen alto voltaje escalable sin transformadores costosos.

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