Duplicador de voltaje:una alternativa más económica y liviana a los circuitos transformador-rectificador

¿Está pensando en construir un equipo de prueba de alto voltaje de CC? Dicho dispositivo es necesario para probar o construir dispositivos electrónicos y electrodomésticos que requieren un alto voltaje de CC, como hornos de microondas y tubos de rayos catódicos. Si bien es posible utilizar un transformador elevador y un rectificador para esta tarea, los transformadores son componentes pesados ​​y costosos. Como tales, no proporcionan la mejor solución. Un doble de voltaje es una mejor alternativa que requiere solo unos pocos componentes para ensamblar. Hemos presentado todos los detalles si desea construir uno para su proyecto. Pero primero, veamos la definición y los tipos de dobladores de voltaje.

¿Qué es un doblador de voltaje?

Un duplicador de voltaje es un circuito multiplicador de voltaje con un factor de multiplicación de dos. Toma voltaje de CA como entrada, luego produce voltaje de CC que es equivalente al doble del voltaje de entrada pico.

Al hacerlo, el circuito hace dos cosas. Asume el papel de un transformador elevador elevando el voltaje pico de CA y un rectificador porque convierte la CA en CC.

Diseño del duplicador de voltaje

Fuente:Wikimedia Commons.

Dado que son multiplicadores de voltaje, los duplicadores constituyen los bloques de construcción básicos o las etapas individuales de los circuitos de orden superior.

Cuádruple de voltaje (tenga en cuenta los cuatro diodos y condensadores)

Fuente:Wikimedia Commons.

Puede conectar en cascada etapas similares para crear triplicadores, cuádruples de voltaje y más. Un voltaje triple tiene tres diodos y capacitores, mientras que un cuádruple tiene cuatro cada uno. El circuito puede escalar hacia arriba para alcanzar el voltaje que necesite para el proyecto.

¿Cómo funciona un circuito duplicador de voltaje?

Un duplicador de voltaje presenta cuatro componentes discretos que amplifican el voltaje y hacen que la corriente fluya en una dirección. Estos son dos diodos y dos capacitores.

Circuito duplicador de voltaje

Fuente:Wikimedia Commons.

El circuito organiza los componentes para hacer que uno de los diodos sea un conductor durante cada ciclo de voltaje de CA. En el medio ciclo positivo, el diodo dos permanece apagado, por lo que solo un capacitor se carga al voltaje máximo de entrada de CA.

El diodo uno se apaga durante el pico negativo, pero el diodo dos conduce y carga el segundo capacitor. Sin embargo, el circuito ya había cargado el condensador uno en el ciclo anterior. Por lo tanto, este voltaje se suma al voltaje de CA entrante.

El resultado es una duplicación de la fuente de voltaje de CA pico en el segundo capacitor, pero esta vez como CC porque la corriente fluirá en una dirección.

Como tal, un duplicador actúa como una bomba de carga, entregando 2Vin.

Tipos de duplicadores de tensión

• Duplicador de voltaje de media onda
• Duplicador de voltaje de onda completa

Ventajas del doblador de voltaje

• Una alternativa más barata y ligera a los transformadores.
• Puede crear voltaje negativo al invertir la polaridad de los diodos y capacitores conectados.
• Fácil de aumentar el factor de multiplicación de voltaje colocando en cascada duplicadores de voltaje idénticos en el circuito.

Circuito duplicador de voltaje de CC

Aquí viene la mejor parte. Si desea construir un circuito duplicador de voltaje de CC (media onda o onda completa), necesita los siguientes componentes:

• Placa de circuito impreso (o protoboard y cables de conexión)
• Dos diodos
• Dos condensadores

Entonces, ¿cómo funciona el circuito? En detalle, veamos los circuitos duplicadores de voltaje de CC de media onda y de onda completa. Pero primero, así es como fluye la entrada.

Voltaje de entrada de CA

Dado que la forma de onda de CA tiene semiciclos positivos y negativos, esta explicación a continuación describe lo que sucede solo en estos dos ciclos. La duplicación ocurre repetidamente a medida que la energía fluye hacia el circuito.

Forma de onda de CA que muestra los semiciclos positivo y negativo continuos

Vm es el voltaje pico y Vin es el voltaje de entrada. Vm =Vin a la tensión máxima, por lo que utilizaremos Vm en las ecuaciones.

Duplicador de voltaje de media onda

Con la polaridad como se muestra en el siguiente diagrama, el voltaje de entrada polariza inversamente al diodo D2. Su lado N se conecta al terminal positivo, mientras que el lado P se conecta al terminal negativo de la fuente de CA.

Polaridad del circuito duplicador de voltaje de CC de media onda durante el semiciclo positivo

Por otro lado, D1 se polariza directamente porque sus lados P y N se conectan a los terminales positivo y negativo, respectivamente.

Por lo tanto, puede volver a imaginar el diagrama con el diodo D1 formando un cortocircuito (unión conductora) mientras que D2 es un circuito abierto. Puede usar la ley de voltaje de Kirchhoff para obtener el voltaje a través del capacitor C1 (Vc1).

Vm – Vc1 =0

Entonces Vc1 =Vm

Durante el medio ciclo negativo, la polaridad cambia, como se muestra a continuación.

Polaridad del circuito duplicador de voltaje de CC de media onda durante el semiciclo negativo

Durante esta onda, el Vin polariza hacia adelante el diodo D2. Sus lados N y P se conectan a los terminales negativo y positivo, respectivamente. Sin embargo, D1 se polariza inversamente.

Como tal, puede volver a dibujar el diagrama con D1 formando un circuito abierto mientras que D2 forma un cortocircuito.

Usando la ley de voltaje de Kirchhoff, podemos determinar el voltaje a través del capacitor C2 usando esta fórmula.

-Vm – Vm + Vc2 =0

-Vm es el voltaje de entrada (con polaridad negativa)

El segundo Vm es el voltaje en C1, que se cargó durante el ciclo anterior.

Por tanto, Vc2 =Vm + Vm, que equivale a 2Vm.

Si conecta una carga a través del capacitor C2, obtendrá el doble del voltaje máximo de entrada, creando el efecto de duplicación.

C1 actúa como un dispositivo de almacenamiento porque carece de un camino de retorno para descargar. Pero durante el medio ciclo negativo, se conecta con la fuente de voltaje en serie, por lo que el voltaje de las dos fuentes se suma.

Duplicador de voltaje de onda completa

Cuando se trata de un duplicador de onda completa, medimos el voltaje en ambos capacitores C1 y C2. Durante el ciclo positivo, Vin sesga hacia adelante D1 pero sesga hacia atrás D2.

Polaridad del circuito duplicador de voltaje de CC de onda completa durante el semiciclo positivo

Durante este período, no hay resistencia en D1, por lo que provoca un cortocircuito y carga el condensador C1. Sin embargo, D2 actúa como un circuito abierto debido a su alta resistencia. Por lo tanto, C2 no se carga.

Usando la ley de Kirchhoff,

Vm – Vc1 =0

Por lo tanto, Vc1 =Vm

En el semiciclo negativo, D1 se polariza inversamente, pero la polaridad directa polariza D2.

Polaridad del circuito duplicador de voltaje de CC de onda completa durante el semiciclo negativo

Aplicando la ley de Kirchhoff,

-Vm + Vc2 =0

Entonces Vc2 =Vm

Recuerde, C1 se cargó en el ciclo anterior, por lo que ambos están en el voltaje máximo Vm. Por lo tanto, si conecta una carga entre ambos condensadores, obtendrá 2 Vm.

¿Cuál es la diferencia?

Si observa las ecuaciones, son algo similares, entonces, ¿cuál es la diferencia entre un duplicador de voltaje de media onda y de onda completa?

El primero carga el condensador C1 durante el primer ciclo y luego lo descarga durante el segundo ciclo. Crea el problema de producir un voltaje de ondulación igual a la frecuencia de suministro, lo que dificulta suavizar la frecuencia de ondulación. Por lo tanto, la curva de voltaje de salida no es muy suave.

Diagrama de tensión de ondulación antes y después del suavizado

Fuente:Wikipedia

Sin embargo, un duplicador de voltaje de onda completa actúa más como dos rectificadores de media onda. Por lo tanto, la curva de voltaje de salida es más suave.

Vale la pena señalar que con los circuitos de media onda y de onda completa, debemos suponer que los capacitores C1 y C2 no tienen carga inicialmente.

Aplicaciones del Duplicador de Voltaje

• Bombas de iones
• Televisión CRT
• Sistemas de rayos X
• Copiadora
• Equipo de radar
• Tubos de ondas viajeras
• Hornos microondas
• Exterminadores de insectos

Resumen

En conclusión, los dobladores de voltaje son circuitos vitales en muchos dispositivos porque son baratos de fabricar y no pesan tanto como los transformadores.

Dicho esto, los circuitos transformador-rectificador producen curvas de voltaje de salida de CC mucho más suaves, pero teniendo en cuenta los pros y los contras de cada uno, los duplicadores de voltaje tienen la ventaja.

Además, puede agregar circuitos de filtro al duplicador para suavizar la salida para que coincida con una combinación de transformador-rectificador.

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