duplicador de voltaje

El circuito Villard , concebido por Paul Ulrich Villard , ^{[ p 1 ]} consta simplemente de un condensador y un diodo. Si bien tiene la gran ventaja de la simplicidad, su salida presenta características de rizado muy deficientes. Esencialmente, el circuito es un circuito _de sujeción con diodo . El condensador se carga en los semiciclos negativos hasta el voltaje pico de CA ( Vpk ). La salida es la superposición de la forma de onda de CA de entrada y la CC constante del condensador. El efecto del circuito es desplazar el valor de CC de la forma de onda. Los picos negativos de la forma de onda de CA son "sujetos" a 0 V (en realidad −VF , el pequeño voltaje de polarización directa del diodo) por el diodo; por lo tanto, los picos positivos de la forma de onda de salida son de 2 _Vpk . El rizado pico a pico es enorme, de 2 _Vpk , _y no se puede suavizar a menos que el circuito se transforme en una de las formas más sofisticadas. ^{[ 1 ]} Este es el circuito (con el diodo invertido) utilizado para suministrar el alto voltaje negativo para el magnetrón en un horno microondas. 

El duplicador de voltaje Greinacher representa una mejora significativa con respecto al circuito Villard, con un costo mínimo en componentes adicionales. La ondulación se reduce considerablemente, siendo prácticamente nula en condiciones de carga en circuito abierto, aunque al circular corriente depende de la resistencia de la carga y del valor de los condensadores utilizados. El circuito funciona mediante una etapa de celda Villard seguida de un detector de pico o de envolvente . El detector de pico elimina la mayor parte de la ondulación, preservando al mismo tiempo el voltaje pico en la salida. El circuito Greinacher también se conoce comúnmente como duplicador de voltaje de media onda . ^{[ 2 ]}

Este circuito fue inventado por primera vez por Heinrich Greinacher en 1913 (publicado en 1914 ^{[ p 2 ]} ) para proporcionar los 200–300  V que necesitaba para su ionómetro recién inventado , ya que los 110  V CA suministrados por las centrales eléctricas de Zúrich de la época eran insuficientes. ^{[ 3 ]} Posteriormente, extendió esta idea a una cascada de multiplicadores en 1920. ^{[ p 3 ] [ 4 ] [ p 4 ]} Esta cascada de celdas de Greinacher a menudo se denomina erróneamente cascada de Villard. También se la llama multiplicador de Cockcroft-Walton por la máquina aceleradora de partículas construida por John Cockcroft y Ernest Walton , quienes descubrieron independientemente el circuito en 1932. ^{[ p 5 ] [ 5 ]} El concepto en esta topología se puede extender a un circuito cuadruplicador de voltaje utilizando dos celdas de Greinacher de polaridades opuestas alimentadas por la misma fuente de CA. La salida se toma a través de las dos salidas individuales. Al igual que con un circuito puente, es imposible conectar a tierra simultáneamente la entrada y la salida de este circuito. ^{[ 6 ]}

El circuito Delon utiliza una topología de puente para duplicar la tensión; ^{[ pág. 6 ]} por consiguiente, también se le denomina duplicador de tensión de onda completa . ^{[ 2 ]} Este tipo de circuito se encontraba antiguamente en televisores de tubo de rayos catódicos, donde se utilizaba para proporcionar una tensión extra alta (EHT). Generar tensiones superiores a 5  kV con un transformador presenta problemas de seguridad para los equipos domésticos y, en cualquier caso, resulta antieconómico. Sin embargo, los televisores en blanco y negro requerían una EHT de 10  kV, y los televisores a color, aún más. Los duplicadores de tensión se utilizaban para duplicar la tensión en un devanado EHT del transformador de red o se aplicaban a la forma de onda de las bobinas flyback de línea . ^{[ 7 ]}

El circuito consta de dos detectores de pico de media onda, que funcionan exactamente igual que la celda detectora de pico del circuito de Greinacher. Cada una de las dos celdas detectoras de pico opera en semiciclos opuestos de la forma de onda de entrada. Dado que sus salidas están en serie, la salida es el doble de la tensión de entrada de pico.

La bomba de carga de Dickson, o multiplicador de Dickson , consiste en una cascada de celdas de diodo/condensador, donde la placa inferior de cada condensador es accionada por un tren de pulsos de reloj . ^{[ p 7 ]} El circuito es una modificación del multiplicador de Cockcroft-Walton, pero utiliza una entrada de CC, donde los trenes de reloj proporcionan la señal de conmutación en lugar de la entrada de CA. El multiplicador de Dickson normalmente requiere que las celdas alternas sean accionadas por pulsos de reloj de fase opuesta. Sin embargo, dado que un duplicador de voltaje, como se muestra en la figura 7, solo requiere una etapa de multiplicación, solo se necesita una señal de reloj. ^{[ 12 ]}

El multiplicador de Dickson se emplea frecuentemente en circuitos integrados donde la tensión de alimentación (por ejemplo, la de una batería) es inferior a la requerida por el circuito. Dado que los diseñadores y fabricantes de circuitos integrados se benefician al utilizar la misma tecnología y dispositivo básico en todo el chip, los multiplicadores de Dickson CMOS suelen conectar los MOSFET para que se comporten como diodos (véase la figura 8). ^{[ 13 ]}

Existen numerosas variaciones y mejoras de la bomba de carga Dickson básica. Muchas de ellas se centran en reducir el efecto de la tensión drenador-fuente del transistor. Esto puede ser muy significativo si la tensión de entrada es baja, como en el caso de una batería de baja tensión. Con elementos de conmutación ideales, la salida es un múltiplo entero de la entrada (dos para un duplicador), pero con una batería de una sola celda como fuente de entrada y conmutadores MOSFET, la salida será mucho menor que este valor, ya que gran parte de la tensión se disipará en los transistores. Para un circuito con componentes discretos, el diodo Schottky sería una mejor opción como elemento de conmutación debido a su bajísima caída de tensión en estado activo. Sin embargo, los diseñadores de circuitos integrados prefieren utilizar el MOSFET, fácilmente disponible, y compensar sus limitaciones con una mayor complejidad del circuito. ^{[ 14 ]}

Por ejemplo, una pila alcalina tiene un voltaje nominal de 1,5 V. Un duplicador de voltaje que utilice elementos de conmutación ideales con caída de voltaje cero lo duplicará hipotéticamente a 3,0 V. Sin embargo, la caída de voltaje drenador-fuente de un MOSFET cableado con diodos cuando está en estado de conducción debe ser al menos igual al voltaje umbral de la puerta, que suele ser de 0,9 V. [ ^{15 ] Este} "duplicador" de voltaje solo logrará aumentar el voltaje de salida en aproximadamente 0,6 V , hasta 2,1 V. Si también se tiene en cuenta la caída a través del transistor de suavizado final, es posible que el circuito no pueda aumentar el voltaje en absoluto sin utilizar múltiples etapas. Un diodo Schottky típico, por otro lado, podría tener un voltaje en estado de conducción de 0,3 V. [ ^{16 ] Un} duplicador que utilice este diodo Schottky dará como resultado un voltaje de 2,7 V , o en la salida después del diodo de suavizado, 2,4 V. ^{[ 17 ]}

Los circuitos de condensadores conmutados de acoplamiento cruzado resultan especialmente útiles para voltajes de entrada muy bajos. Los equipos inalámbricos alimentados por batería, como buscapersonas, dispositivos Bluetooth y similares, pueden requerir una batería de una sola celda para seguir suministrando energía cuando se ha descargado a menos de un voltio. ^{[ 18 ]}

Cuando el reloj${\displaystyle \phi _{1}}$Si la señal es baja, el transistor Q2 _se apaga. Al mismo tiempo, el reloj${\displaystyle \phi _{2}}$es alto. Esto activa el transistor Q ₁ , lo que provoca que el condensador C ₁ se cargue a V _in . Cuando${\displaystyle \phi _{1}}$Cuando la tensión sube, la placa superior de C1 _se eleva hasta el doble _de Vin . Al mismo tiempo, el interruptor S1 _se cierra, por lo que esta tensión aparece en la salida. Simultáneamente, Q2 _se activa, permitiendo que C2 _se cargue. En el siguiente semiciclo, los roles se invertirán:${\displaystyle \phi _{1}}$será bajo,${\displaystyle \phi _{2}}$Cuando la señal sea alta, S1 _se abrirá y S2 _se cerrará. Por lo tanto, la salida recibe 2 V _{alternativamente} desde cada lado del circuito. ^{[ 19 ]}

Las pérdidas son bajas en este circuito porque no hay MOSFETs con diodos y los problemas de voltaje umbral asociados. El circuito también tiene la ventaja de que la frecuencia de rizado se duplica porque hay dos duplicadores de voltaje que alimentan la salida desde relojes desfasados. La principal desventaja de este circuito es que las capacitancias parásitas son mucho más significativas que con el multiplicador de Dickson y representan la mayor parte de las pérdidas en este circuito. ^{[ 20 ]}