Generador Cockcroft-Walton

Este acelerador de partículas Cockcroft-Walton se utilizó durante el desarrollo de la bomba atómica . Construido en 1937 por Philips de Eindhoven, actualmente se encuentra en el Museo Nacional de Ciencias de Londres, Inglaterra.

Acelerador Cockcroft-Walton de 750  kV utilizado como inyector inicial de partículas del acelerador japonés KEK , en Tsukuba, Japón. El generador de onda continua (CW) se encuentra a la derecha y la fuente de partículas a la izquierda.

El generador o multiplicador Cockcroft - Walton ( CW ) es un circuito eléctrico que genera un alto voltaje de CC a partir de un bajo voltaje de CA. ^{[ 1 ]} Recibe su nombre de los físicos británico e irlandés John Douglas Cockcroft y Ernest Thomas Sinton Walton , quienes en 1932 utilizaron este diseño de circuito para alimentar su acelerador de partículas , realizando la primera desintegración nuclear inducida por acelerador de la historia. ^{[ 2 ]} Utilizaron esta cascada de multiplicadores de voltaje para la mayor parte de su investigación, que en 1951 les valió el Premio Nobel de Física por " Transmutación de núcleos atómicos mediante partículas atómicas aceleradas artificialmente".

El circuito fue desarrollado en 1919 por Heinrich Greinacher , un físico suizo . Por esta razón, esta cascada duplicadora también se conoce a veces como multiplicador de Greinacher . Los circuitos de Cockcroft-Walton todavía se utilizan en aceleradores de partículas. También se emplean en dispositivos electrónicos cotidianos que requieren altos voltajes, como máquinas de rayos X dentales e ionizadores de aire .

El generador CW es un multiplicador de voltaje que convierte la corriente alterna (CA) de un nivel de voltaje bajo a un nivel de voltaje continuo (CC) más alto. Está compuesto por una red en escalera de condensadores y diodos para generar altos voltajes. A diferencia de los transformadores , este método elimina la necesidad de un núcleo pesado y el gran volumen de aislamiento/encapsulado requerido. Utilizando solo condensadores y diodos, estos multiplicadores de voltaje pueden elevar voltajes relativamente bajos a valores extremadamente altos, siendo a la vez mucho más ligeros y económicos que los transformadores. La mayor ventaja de estos circuitos es que el voltaje en cada etapa de la cascada es igual al doble del voltaje pico de entrada en un rectificador de media onda. En un rectificador de onda completa, es tres veces el voltaje de entrada. Tiene la ventaja de requerir componentes de costo relativamente bajo y ser fácil de aislar. También se puede obtener la salida de cualquier etapa, como en un transformador con múltiples tomas.

Para comprender el funcionamiento del circuito, consulte el diagrama de la versión de dos etapas a la derecha. Suponga que todos los condensadores están inicialmente descargados y que el circuito se alimenta con una tensión alterna V _i tal que V _i = V _p sin( t + π) , es decir, con un valor pico de V _p , que después de encenderse es de 0 voltios y comienza con un semiciclo negativo. Después de que se enciende la tensión de entrada

• Cuando la tensión de entrada V _i disminuye y se aproxima a su valor máximo negativo − V _p , fluye corriente desde el terminal inferior de la fuente, a través del diodo D1 y luego a través del condensador C1 , cargándolo. V _i finalmente alcanza el valor máximo negativo − V _p , momento en el que C1 se carga a una tensión de V _p . V _i comienza entonces a aumentar; su derivada ⁠ d V _i / d t ⁠ cambia de signo, de negativo a positivo. Cuando esto sucede, la corriente invierte su dirección, ya que la carga aplicada a la fuente es casi puramente capacitiva y, por lo tanto, la corriente adelanta a la tensión en casi 90°.
• Cuando V _i aumenta y se aproxima a su pico positivo + V _p , la corriente fluye desde el terminal superior de la fuente, a través de C1 (descargando su estado), a través del diodo D2 y, finalmente, a través del condensador C2 (cargándolo). Finalmente, V _i alcanza + V _p , y al sumarle la tensión de C1 (que ahora está ligeramente por debajo de + V _p ), obtenemos una tensión resultante de casi 2 V _p ; esta es la tensión a la que se carga C2 . En esta fase, el diodo D1 está polarizado inversamente, por lo que no fluye corriente a través de él.
• Cuando V _i comienza a disminuir nuevamente ( d V i _/ d t es negativo), la corriente fluye desde el terminal inferior de la fuente, a través de C2 ( descargando su voltaje), a través del diodo D3 , a través de C3 (cargándolo a un voltaje de casi 2 V _p ), y finalmente a través de C1 (recargándolo a V _p , después de que se haya descargado parcialmente en la fase anterior). Dado que también se produce una caída de voltaje en C1 y no solo en C3 , C3 no se cargará a 2 V _p inmediatamente, sino solo en iteraciones posteriores. Lo mismo se aplica a C1 y V _p respectivamente. Además, en esta fase, C2 se descarga a un voltaje inferior a 2 V _p , de forma similar a C1 en la fase anterior. Se recargará en la siguiente fase.
• Cuando V _i comienza a aumentar de nuevo, la corriente fluye desde el terminal superior de la fuente, a través de C1 y C3 (descargándolos), a través del diodo D4 , a través de C4 (cargándolo hasta un voltaje de casi 2 V _p ), y finalmente a través de C2 (recargándolo). Durante esta fase, C1 y C3 se descargan por debajo de V _p y 2 V _p respectivamente, y se recargarán en la siguiente fase.

En cualquier momento dado, o bien los diodos impares conducen, o bien los pares, nunca ambos. Con cada cambio en la derivada del voltaje de entrada (es decir , d V _i / d t ) , la corriente fluye hacia el siguiente nivel en la "pila" de capacitores a través de los diodos. Finalmente, después de un número suficiente de ciclos de la entrada de CA, todos los capacitores estarán cargados. (Más precisamente, deberíamos decir que sus voltajes reales convergerán lo suficientemente cerca de los ideales ; siempre habrá cierta ondulación de la entrada de CA). Todos los capacitores se cargan a un voltaje de 2 V _p , excepto C1 , que se carga a V _p . La clave de la multiplicación de voltaje es que, si bien los capacitores se cargan en paralelo, están conectados a la carga en serie. Dado que C2 y C4 están en serie entre la salida y tierra, el voltaje de salida total (en condiciones sin carga) es V _o = 4 V _p .

Este circuito se puede extender a cualquier número de etapas. El voltaje de salida sin carga es el doble del voltaje de entrada pico multiplicado por el número de etapas N o, equivalentemente, la oscilación de voltaje de entrada pico a pico ( Vpp ) multiplicada por el número de etapas _.

${\displaystyle V_{o}=2NV_{p}=NV_{\text{pp}},}$

El número de etapas es igual al número de condensadores en serie entre la salida y tierra.

Una forma de entender el circuito es considerarlo como una bomba de carga, que impulsa la carga eléctrica en una dirección, hacia arriba, a través de la pila de condensadores. El circuito CW, junto con otros circuitos de condensadores similares, se suele denominar bomba de carga . Para cargas importantes, la carga de los condensadores se agota parcialmente y la tensión de salida disminuye en proporción a la corriente de salida dividida por la capacitancia.

En la práctica, el multiplicador CW presenta varios inconvenientes. A medida que aumenta el número de etapas, los voltajes de las etapas superiores comienzan a disminuir, principalmente debido a la impedancia eléctrica de los condensadores en las etapas inferiores. Además, al suministrar una corriente de salida, la ondulación de voltaje aumenta rápidamente con el número de etapas (esto se puede corregir con un filtro de salida, pero requiere un conjunto de condensadores para soportar los altos voltajes involucrados). Por estas razones, los multiplicadores CW con un gran número de etapas se utilizan únicamente cuando se requiere una corriente de salida relativamente baja. La disminución de voltaje se puede reducir aumentando la capacitancia en las etapas inferiores, y la ondulación se puede reducir aumentando la frecuencia de entrada y utilizando una forma de onda cuadrada. Al alimentar el multiplicador CW con una fuente de alta frecuencia, como un inversor , o una combinación de inversor y transformador de alta tensión, el tamaño y el peso totales de la fuente de alimentación del multiplicador CW se pueden reducir sustancialmente.

Los multiplicadores de onda continua (CW) se utilizan normalmente para generar voltajes más altos para aplicaciones de corriente relativamente baja, como voltajes de polarización que van desde decenas o cientos de voltios hasta millones de voltios para experimentos de física de alta energía o pruebas de seguridad contra rayos . Los multiplicadores CW también se encuentran, con un mayor número de etapas, en sistemas láser , fuentes de alimentación de alto voltaje, sistemas de rayos X , retroiluminación LCD CCFL , amplificadores de tubo de onda progresiva , bombas de iones , sistemas electrostáticos , ionizadores de aire , aceleradores de partículas , fotocopiadoras , instrumentación científica, osciloscopios , televisores y tubos de rayos catódicos , armas de electrochoque , matamoscas eléctricos y muchas otras aplicaciones que utilizan corriente continua de alto voltaje.

El Dynamitron es similar al generador Cockcroft-Walton. Sin embargo, en lugar de alimentarse en un extremo como en el Cockcroft-Walton, la escalera capacitiva se carga electrostáticamente en paralelo mediante una tensión oscilante de alta frecuencia aplicada entre dos electrodos semicilíndricos largos a cada lado de la columna de la escalera, que inducen tensión en anillos de corona semicirculares unidos a cada extremo de los tubos rectificadores de diodo. ^{[ 3 ]}

• Generador Marx
• multiplicador de voltaje

• JD Cockcroft y ETS Walton, Experimentos con iones positivos de alta velocidad.(I) Desarrollos adicionales en el método de obtención de iones positivos de alta velocidad, Actas de la Royal Society A, vol. 136, págs. 619–630, 1932.
• JD Cockcroft y ETS Walton, Experimentos con iones positivos de alta velocidad. II. La desintegración de elementos por protones de alta velocidad, Proceedings of the Royal Society A, vol. 137, pp. 229–242, 1932.

• Tutorial sobre los multiplicadores de Cockcroft-Walton – EEVBlog en YouTube 
• Cockcroft Walton
• Cockcroft Walton se utiliza en aceleradores de partículas.
• Departamento de Energía de los Estados Unidos