Duplicador de Voltaje: Alternativa Ligera y Económica a Circuitos Transformador-Rectificador

¿Pensando en construir equipo de prueba de alto voltaje CC? Necesario para testar o construir electrónica/aparatos que requieren alto voltaje CC: hornos microondas, tubos catódicos. Aunque posible usar transformador elevador y rectificador, los transformadores son pesados y caros. Un duplicador de voltaje es mejor: pocos componentes. Detalles para construir uno. Primero, definición y tipos.

¿Qué es un Duplicador de Voltaje?

Circuito multiplicador de voltaje con factor de multiplicación dos. Toma voltaje CA de entrada y produce voltaje CC equivalente al doble del voltaje pico de entrada.

Hace dos cosas: papel de transformador elevador (subir voltaje pico CA) y rectificador (convertir CA a CC).

Diseño duplicador voltaje

Fuente: Wikimedia Commons.

Al ser multiplicadores, son bloques básicos/etapas únicas de circuitos de orden superior.

Cuadruplicador voltaje (obsérvese 4 diodos y 4 capacitores)

Fuente: Wikimedia Commons.

Se pueden cascadas etapas similares para crear triplicadores, cuadruplicadores, etc. Triplicador: 3 diodos y 3 capacitores; cuadruplicador: 4 cada uno. Escala al voltaje necesario.

¿Cómo Funciona un Circuito Duplicador de Voltaje?

Cuatro componentes discretos: 2 diodos y 2 capacitores. Amplifican voltaje y hacen fluir corriente en una dirección.

Circuito duplicador voltaje

Fuente: Wikimedia Commons.

Componentes dispuestos para que un diodo conduzca en cada semiciclo CA. En semiciclo positivo, diodo 2 apagado → solo un capacitor carga a voltaje pico entrada CA. En pico negativo, diodo 1 apagado, diodo 2 conduce y carga segundo capacitor. Pero capacitor 1 ya cargado en ciclo previo → su voltaje se suma al CA entrante. Resultado: duplicación del voltaje pico CA en segundo capacitor, pero como CC (corriente fluye en una dirección). Actúa como bomba de carga, entregando 2Vin.

Tipos de Duplicador de Voltaje

• Duplicador de Media Onda
• Duplicador de Onda Completa

Ventajas del Duplicador de Voltaje

• Más barato y ligero que transformadores.
• Puede crear voltaje negativo invirtiendo polaridad diodos y capacitores.
• Fácil aumentar factor multiplicación cascada duplicadores idénticos.

Circuito Duplicador de Voltaje CC

Para construir duplicador CC (media onda u onda completa) necesitas:

• PCB (o protoboard y cables)
• 2 diodos
• 2 capacitores

Veamos ambos circuitos. Primero, cómo fluye la entrada.

Voltaje de Entrada CA

Forma de onda CA tiene semiciclos positivo y negativo. Explicación para estos dos ciclos; duplicación ocurre repetitivamente.

Forma onda CA mostrando semiciclos positivo y negativo continuos

Vm = voltaje pico; Vin = voltaje entrada. Vm = Vin en pico → usamos Vm en ecuaciones.

Duplicador de Media Onda

Con polaridad como en diagrama, voltaje entrada polariza inversamente D2 (lado N a positivo, P a negativo). D1 polarizado directamente (P a positivo, N a negativo).

Polaridad duplicador media onda en semiciclo positivo

D1 = cortocircuito (conduce); D2 = circuito abierto. Ley Kirchhoff: Vm – Vc1 = 0 → Vc1 = Vm.

En semiciclo negativo, polaridad cambia.

Polaridad duplicador media onda en semiciclo negativo

Vin polariza directamente D2 (N a negativo, P a positivo). D1 polarizado inversamente. D1 = abierto; D2 = cortocircuito.

Ley Kirchhoff: -Vm – Vm + Vc2 = 0 → Vc2 = 2Vm.

Con carga en C2 → el doble del voltaje pico entrada (efecto duplicador). C1 actúa como almacenamiento (sin retorno para descargar). En semiciclo negativo, se une en serie con fuente → voltajes suman.

Duplicador de Onda Completa

Medimos voltaje en ambos capacitores C1 y C2. En ciclo positivo: Vin polariza directamente D1, inversamente D2.

Polaridad duplicador onda completa en semiciclo positivo

D1 = cortocircuito → carga C1. D2 = abierto → C2 no carga. Kirchhoff: Vm – Vc1 = 0 → Vc1 = Vm.

En semiciclo negativo: D1 inverso, D2 directo.

Polaridad duplicador onda completa en semiciclo negativo

Kirchhoff: -Vm + Vc2 = 0 → Vc2 = Vm. C1 cargado en ciclo previo → ambos en Vm. Carga en ambos capacitores → 2Vm.

¿Cuál es la Diferencia?

Ecuaciones similares, pero: media onda carga C1 en primer ciclo y descarga en segundo → rizado voltaje igual a frecuencia suministro, difícil suavizar. Curva salida no muy suave.

Diagrama rizado voltaje antes y después suavizado

Fuente: Wikipedia

Onda completa actúa como dos rectificadores media onda → curva salida más suave.

Nota: en ambos, asumimos C1 y C2 sin carga inicial.

Aplicaciones del Duplicador de Voltaje

• Bombas iónicas
• CRT televisión
• Sistemas Rayos X
• Fotocopiadoras
• Equipos radar
• Tubos onda viajera
• Hornos microondas
• Mata insectos (bug zappers)

Resumen

Los duplicadores son vitales en muchos dispositivos: baratos, ligeros vs transformadores. Transformador-rectificador da CC más suave, pero considerando pros/contras, duplicadores ganan. Se pueden añadir circuitos filtro al duplicador para suavizar salida igualando a transformador-rectificador.

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