multiplicador de voltaje

Un multiplicador de voltaje es un circuito eléctrico que convierte la energía eléctrica de corriente alterna (CA) de un voltaje más bajo a un voltaje de corriente continua (CC) más alto , generalmente utilizando una red de condensadores y diodos .

Los multiplicadores de voltaje pueden utilizarse para generar desde unos pocos voltios para aparatos electrónicos hasta millones de voltios para fines como experimentos de física de alta energía y pruebas de seguridad contra rayos. El tipo más común de multiplicador de voltaje es el multiplicador en serie de media onda, también llamado cascada de Villard (aunque en realidad fue inventado por Heinrich Greinacher ).

Suponiendo que el voltaje pico de la fuente de CA es +U _s , y que los valores de C son suficientemente altos como para permitir que, cuando se carga, fluya una corriente sin un cambio significativo en el voltaje, entonces el funcionamiento (simplificado) de la cascada es el siguiente:

1. pasando del pico positivo (+U _s ) al pico negativo (−U _s ): El condensador C ₁ se carga a través del diodo D ₁ a U _s V ( la diferencia de potencial entre la placa izquierda y derecha del condensador es U _s ). 
2. Pasando del pico negativo al pico positivo: El voltaje de C ₁ se suma al de la fuente, cargando así C ₂ a 2U _s a través de D ₂ y descargando C ₁ en el proceso.
3. Pico positivo a negativo: El voltaje de C ₁ ha caído a 0  V al final del paso anterior, lo que permite que C ₃ se cargue a través de D ₃ a 2U _s .
4. De pico negativo a positivo: El voltaje de C2 _aumenta a 2U _s (de forma análoga al paso 2), cargando también C4 _a 2U _s . El voltaje de salida (la suma de los voltajes de C2 _y C4 ₎ aumenta hasta alcanzar los 4U _{s .}

Agregar una etapa adicional aumentará el voltaje de salida al doble del voltaje pico de la fuente de CA (menos las pérdidas debidas a los diodos; consulte el párrafo siguiente).

En realidad, se requieren más ciclos para que C ₄ alcance el voltaje completo, y el voltaje de cada capacitor se reduce por la caída de voltaje directa ( U _f ) de cada diodo en el camino hacia ese capacitor. Por ejemplo, el voltaje de C ₄ en el ejemplo sería como máximo 2U _s - 4U _f ya que hay 4 diodos entre su terminal positivo y la fuente. El voltaje de salida total sería U(C ₂ ) + U(C ₄ ) = (2U _s - 2U _f ) + (2U _s - 4U _f ) = 4U _s - 6U _f . En una cascada con n etapas de dos diodos y dos capacitores, el voltaje de salida es igual a 2n U _s - n(n+1) U _f . El término n(n+1) U _f representa la suma de las pérdidas de voltaje causadas por los diodos, en todos los capacitores en el lado de salida (es decir en el lado derecho en el ejemplo ‒ C ₂ y C ₄ ). Por ejemplo, si tenemos 2 etapas como en el ejemplo, la pérdida total es 2+4 = 2*(2+1) = 6 veces U _f . Una etapa adicional aumentará el voltaje de salida al doble del voltaje de la fuente, menos la caída de voltaje directa en 2n+2 diodos: 2U _s - (2n+2)U _f .

Un duplicador de voltaje utiliza dos etapas para duplicar aproximadamente el voltaje de CC que se obtendría con un rectificador de una sola etapa . Un ejemplo de duplicador de voltaje se encuentra en la etapa de entrada de las fuentes de alimentación conmutadas que contienen un interruptor SPDT para seleccionar entre 120 V y 240  V. En la  posición de 120 V, la entrada se configura típicamente como un duplicador de voltaje de onda completa abriendo un punto de conexión de CA de un rectificador de puente y conectando la entrada a la unión de dos condensadores de filtro conectados en serie. Para  el funcionamiento a 240 V, el interruptor configura el sistema como un puente de onda completa, reconectando el cable de la toma central del condensador al terminal de CA abierto de un sistema rectificador de puente. Esto permite el funcionamiento a 120 V o 240 V con la adición de un simple interruptor SPDT.

Un triplicador de voltaje es un multiplicador de voltaje de tres etapas. Es un tipo común de multiplicador de voltaje. En la práctica, el voltaje de salida de un triplicador es inferior a tres veces el voltaje de entrada máximo debido a su alta impedancia , causada en parte por el hecho de que, a medida que cada condensador en la cadena suministra energía al siguiente, se descarga parcialmente, perdiendo voltaje en el proceso.

Los multiplicadores de voltaje se utilizaban habitualmente en los receptores de televisión en color para proporcionar el alto voltaje necesario para el tubo de rayos catódicos (CRT, tubo de imagen).

Los multiplicadores de voltaje todavía se utilizan en fuentes de alimentación de alto voltaje, como en fotocopiadoras , impresoras láser , matamoscas eléctricos y armas de electrochoque .

Si bien el multiplicador puede generar miles de voltios de salida, no es necesario que los componentes individuales estén diseñados para soportar todo el rango de voltaje. Cada componente solo debe tener en cuenta las diferencias de voltaje relativas entre sus propios terminales y los componentes adyacentes.

Normalmente, un multiplicador de voltaje se dispone físicamente como una escalera, de modo que el potencial de voltaje que aumenta progresivamente no tenga la oportunidad de generar un arco eléctrico hacia las secciones del circuito con un potencial mucho menor.

Cabe destacar que se requiere cierto margen de seguridad en el rango relativo de diferencias de voltaje del multiplicador, de modo que la cadena pueda soportar el cortocircuito de al menos un diodo o condensador. De lo contrario, un cortocircuito puntual podría sobrecalentar y dañar sucesivamente cada componente del multiplicador, llegando incluso a destruir toda la cadena.

La respuesta en frecuencia en lazo abierto de un multiplicador de voltaje se comporta como un polo simple seguido de un cero de alta frecuencia. El polo simple es el resultado de la característica de transferencia de energía del multiplicador, mientras que el cero de alta frecuencia es el resultado del acoplamiento de CA directo a la carga a través de los condensadores ^{[ 1 ].} Esto permite un integrador simple en el lazo de retroalimentación de alto voltaje para la regulación de la salida. Se pueden utilizar esquemas de control más complejos si se requiere una respuesta más rápida o si se desea agregar protección contra sobrecorriente de salida.

Apilado

En cada columna se utiliza un número par de celdas de diodo-condensador para que la cascada termine en una celda de suavizado. Si el número fuera impar y terminara en una celda de limitación, la tensión de rizado sería muy elevada. El uso de condensadores de mayor capacidad en la columna de conexión también reduce el rizado, pero a costa de un mayor tiempo de carga y un aumento de la corriente del diodo.

Bomba de carga Dickson

La bomba de carga de Dickson , o multiplicador de Dickson , es una modificación del multiplicador de Greinacher/Cockcroft-Walton . Sin embargo, existen varias diferencias importantes:

• El multiplicador de Dickson recibe una alimentación de CC como entrada, por lo que es un convertidor CC-CC . Además de la entrada de CC, el circuito requiere una alimentación de dos trenes de pulsos de reloj con una amplitud que oscila entre los límites de la alimentación de CC. Estos trenes de pulsos están en antifase. ^{[ 2 ]}
• El multiplicador de Dickson está diseñado para aplicaciones de bajo voltaje , a diferencia del de Greinacher/Cockcroft-Walton, que se usa comúnmente en aplicaciones de alto voltaje. Esto se debe a que el condensador final debe soportar todo el voltaje de salida, mientras que en el multiplicador de Greinacher/Cockcroft-Walton, cada condensador soporta como máximo el doble del voltaje de entrada (lo que permite fácilmente la multiplicación por un factor de 10 o más).

Para describir el funcionamiento ideal del circuito, numere los diodos D1, D2, etc., de izquierda a derecha, y los condensadores C1, C2, etc. Cuando el reloj${\displaystyle \phi _{1}}$es bajo, D1 cargará C1 a V _en . Cuando${\displaystyle \phi _{1}}$cuando sube, la placa superior de C1 se empuja hasta 2 V. Luego _, D1 se apaga y D2 se enciende y C2 comienza a cargarse hasta 2 _V. En el siguiente ciclo de reloj,${\displaystyle \phi _{1}}$vuelve a bajar y ahora${\displaystyle \phi _{2}}$_{La señal} sube, empujando la placa superior de C2 a 3 V. D2 se apaga y D3 se enciende, cargando C3 a 3 V y _así sucesivamente, con la carga pasando por la cadena, de ahí el nombre de bomba de carga . La celda final de diodo-condensador en la cascada está conectada a tierra en lugar de a una fase de reloj y, por lo tanto, no es un multiplicador; es un detector de pico que simplemente proporciona suavizado . ^{[ 3 ]}

Hay varios factores que reducen la salida respecto al caso ideal de nV _en . Uno de ellos es la tensión umbral, V _T del dispositivo de conmutación, es decir, la tensión necesaria para activarlo. La salida se reducirá en al menos nV _T debido a las caídas de tensión en los interruptores. Los diodos Schottky se utilizan comúnmente en multiplicadores de Dickson por su baja caída de tensión directa, entre otras razones. Otra dificultad es que existen capacitancias parásitas a tierra en cada nodo. Estas capacitancias parásitas actúan como divisores de tensión con los condensadores de almacenamiento del circuito, reduciendo aún más la tensión de salida. ^{[ 4 ]} Hasta cierto punto, una frecuencia de reloj más alta es beneficiosa: se reduce la ondulación y la alta frecuencia facilita el filtrado de la ondulación restante. Además, se reduce el tamaño de los condensadores necesarios, ya que se necesita almacenar menos carga por ciclo. Sin embargo, las pérdidas por capacitancia parásita aumentan con el incremento de la frecuencia de reloj, y un límite práctico se sitúa en torno a unos pocos cientos de kilohercios. ^{[ 5 ]}

Los multiplicadores de Dickson se encuentran frecuentemente en circuitos integrados (CI) para aumentar el voltaje de una batería de bajo voltaje hasta el voltaje requerido por el CI. Dado que los diseñadores y fabricantes de CI se benefician al utilizar la misma tecnología y dispositivo básico en todo el chip, los multiplicadores de Dickson CMOS a menudo conectan los MOSFET para que se comporten como diodos. ^{[ 6 ]}

La versión del multiplicador de Dickson con MOSFET cableado con diodos no funciona bien a voltajes muy bajos debido a las grandes caídas de voltaje drenador-fuente de los MOSFET. Con frecuencia, se utiliza un circuito más complejo para superar este problema. Una solución consiste en conectar en paralelo con el MOSFET de conmutación otro MOSFET polarizado en su región lineal. Este segundo MOSFET tiene un voltaje drenador-fuente menor que el que tendría el MOSFET de conmutación por sí solo (porque el MOSFET de conmutación está conectado a la salida lineal), y, en consecuencia, el voltaje de salida aumenta. La puerta del MOSFET polarizado linealmente se conecta a la salida de la siguiente etapa, de modo que se apaga mientras la siguiente etapa se carga desde el condensador de la etapa anterior. Es decir, el transistor polarizado linealmente se apaga al mismo tiempo que el transistor de conmutación. ^{[ 7 ]}

Un multiplicador Dickson ideal de 4 etapas (multiplicador 5 × ) con una entrada de 1,5 V tendría una salida de 7,5 V. Sin embargo, un multiplicador MOSFET de 4 etapas con diodos conectados podría tener una salida de tan solo 2 V. La adición de MOSFET en paralelo en la región lineal mejora este valor hasta aproximadamente 4 V. Circuitos más complejos pueden lograr una salida mucho más cercana al caso ideal. ^{[ 8 ]}

Existen muchas otras variaciones y mejoras del circuito básico de Dickson. Algunos intentan reducir la tensión umbral de conmutación, como el multiplicador de Mandal-Sarpeshkar ^{[ 9 ] o el multiplicador de Wu [ 10 ]} . Otros circuitos cancelan la tensión umbral: el multiplicador de Umeda lo hace con una tensión externa ^{[ 11 ]} y el multiplicador de Nakamoto con una tensión interna ^{[ 12 ]} . El multiplicador de Bergeret se centra en maximizar la eficiencia energética ^{[ 13 ] .}

Modificación para potencia de RF

En los circuitos integrados CMOS, las señales de reloj están fácilmente disponibles o se generan con facilidad. Esto no siempre ocurre en los circuitos integrados de RF , pero a menudo se dispone de una fuente de potencia de RF. El circuito multiplicador de Dickson estándar se puede modificar para cumplir este requisito simplemente conectando a tierra la entrada normal y una de las entradas de reloj. La potencia de RF se inyecta en la otra entrada de reloj, que se convierte así en la entrada del circuito. La señal de RF actúa como reloj y como fuente de potencia. Sin embargo, dado que el reloj se inyecta solo en nodos alternos, el circuito solo logra una etapa de multiplicación por cada segunda celda de diodo-condensador. Las demás celdas de diodo-condensador actúan simplemente como detectores de pico y suavizan la ondulación sin aumentar la multiplicación. ^{[ 14 ]}

Condensador conmutado de acoplamiento cruzado

Un multiplicador de voltaje puede estar formado por una cascada de duplicadores de voltaje del tipo condensador conmutado de acoplamiento cruzado . Este tipo de circuito se suele utilizar en lugar de un multiplicador de Dickson cuando el voltaje de la fuente es de 1,2 V o menos. Los multiplicadores de Dickson presentan una eficiencia de conversión de potencia cada vez menor a medida que disminuye el voltaje de entrada, debido a que la caída de voltaje en los transistores conectados como diodos se vuelve mucho más significativa en comparación con el voltaje de salida. Dado que los transistores en el circuito de acoplamiento cruzado no están conectados como diodos, el problema de la caída de voltaje no es tan grave. ^{[ 15 ]}

El circuito funciona conmutando alternativamente la salida de cada etapa entre un duplicador de voltaje accionado por${\displaystyle \phi _{1}}$y uno impulsado por${\displaystyle \phi _{2}}$Este comportamiento conlleva otra ventaja sobre el multiplicador de Dickson: una reducción de la tensión de rizado al doble de la frecuencia. El aumento de la frecuencia de rizado es ventajoso porque es más fácil de eliminar mediante filtrado. Cada etapa (en un circuito ideal) eleva la tensión de salida en la tensión de reloj pico. Suponiendo que esta sea del mismo nivel que la tensión de entrada de CC, entonces un multiplicador de n etapas generará (idealmente) nV _en la salida . La principal causa de pérdidas en el circuito acoplado cruzado es la capacitancia parásita, más que la tensión umbral de conmutación. Las pérdidas se producen porque parte de la energía tiene que destinarse a cargar las capacitancias parásitas en cada ciclo. ^{[ 16 ]}

Las fuentes de alimentación de alto voltaje para los tubos de rayos catódicos (TRC) en los televisores suelen utilizar multiplicadores de voltaje con el condensador de suavizado de etapa final formado por los recubrimientos de aquadag interior y exterior del propio TRC. Los TRC eran antiguamente un componente común en los televisores. Los multiplicadores de voltaje todavía se pueden encontrar en televisores modernos, fotocopiadoras , matamoscas eléctricos ^{[ 17 ]} , pistolas Taser y energizadores de cercas eléctricas .

Los multiplicadores de voltaje se utilizan en equipos de pintura por pulverización, principalmente en plantas de fabricación de automóviles. Un multiplicador de voltaje con una salida de aproximadamente 100  kV se emplea en la boquilla del pulverizador para cargar eléctricamente las partículas de pintura atomizadas, las cuales son atraídas hacia las superficies metálicas con carga opuesta que se van a pintar. Esto ayuda a reducir la cantidad de pintura utilizada y facilita la aplicación de una capa uniforme.

Un tipo común de multiplicador de voltaje utilizado en física de altas energías es el generador Cockcroft-Walton (diseñado por John Douglas Cockcroft y Ernest Thomas Sinton Walton para un acelerador de partículas , para su uso en investigaciones que les valieron el Premio Nobel de Física en 1951).

• Generador Marx (un dispositivo que utiliza descargadores de chispa en lugar de diodos como elementos de conmutación y que puede suministrar corrientes pico más altas que los diodos).
• Convertidor elevador (un convertidor de potencia CC-CC que aumenta el voltaje, frecuentemente mediante un inductor)

• Campardo, Giovanni; Micheloni, Rino; Novosel, David VLSI-diseño de memorias no volátiles , Springer, 2005 ISBN 3-540-20198-X.
• Lin, Yu-Shiang, Circuitos de baja potencia para sistemas de sensores en miniatura , Editorial ProQuest, 2008 ISBN 0-549-98672-3.
• Liu, Mingliang, Desmitificando los circuitos de condensadores conmutados , Newnes, 2006 ISBN 0-7506-7907-7.
• McGowan, Kevin, Semiconductores: Del libro al prototipo , Cengage Learning, 2012 ISBN 1133708382.
• Peluso, Vincenzo; Steyaert, Michiel; Sansen, Willy MC Diseño de convertidores analógico-digitales delta-sigma CMOS de bajo voltaje y bajo consumo , Springer, 1999 ISBN 0-7923-8417-2.
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• Zumbahlen, Manual de diseño de circuitos lineales de Hank , Newnes, 2008 ISBN 0-7506-8703-7.
• Kisch, JJ y Martinelli, RM (1977). Desarrollo de un convertidor CC-CC multiplicador de voltaje de diodo-capacitancia de alta frecuencia (NASA CR-135309; Informe Hughes P77-437).

• Circuitos multiplicadores básicos
• Multiplicadores de Cockcroft Walton
• Esquema del modelo 1019 de la marca Kadette (International Radio Corp.) . Una radio de 1937 con rectificador multiplicador de voltaje de tubo de vacío (25Z5).