El dispositivo de circuito electrónico que se utiliza para aumentar el voltaje a un orden 2x cargando condensadores desde un voltaje de entrada más bajo se conoce como duplicador de voltaje.
La corriente de carga se conmuta de tal manera que, en cualquier situación ideal, el voltaje que se produce en la salida es exactamente dos veces mayor que el voltaje en la entrada.
Multiplicador de voltaje más simple usando diodos
La forma más simple de circuito duplicador de voltaje son un tipo de rectificador que toma la entrada en forma de voltaje de corriente alterna (CA) y produce una magnitud doble de voltaje (CC) como salida.
Se utilizan diodos simples como elementos de conmutación y se utiliza una entrada en forma de mera tensión alterna para activar estos diodos en un estado de conmutación.
Se requiere un circuito de activación adicional para controlar la velocidad de conmutación en caso de que los duplicadores de voltaje que se utilicen sean del tipo CC a CC, ya que no se pueden conmutar de la manera anterior.
La mayoría de las veces, los circuitos convertidores de voltaje de CC a CC requieren otro dispositivo adicional llamado elemento de conmutación que se puede controlar fácil y directamente, como en un transistor.
Por lo tanto, cuando utiliza un elemento de conmutación, no tiene que depender del voltaje presente a través del interruptor como es el caso en una forma simple de CA a CC.
El duplicador de voltaje es un tipo de circuito multiplicador de voltaje. La mayoría de los circuitos duplicadores de voltaje, con pocas excepciones, se pueden ver en forma de un multiplicador de orden superior en una sola etapa. Además, se logra una mayor cantidad de multiplicación de voltaje cuando hay etapas idénticas en cascada que se utilizan juntas.
Circuito de Villard
El circuito de Villard tiene una composición simple que consta de un diodo y un condensador. Por un lado, cuando el circuito de Villard proporciona beneficios en términos de simplicidad, por otro lado, también se sabe que produce una salida que tiene características de ondulación que se consideran muy malas.
Figura 1 circuito Villard
Esencialmente, el circuito Villard es una forma de circuito de abrazadera de diodo. Los ciclos altos negativos se utilizan para cargar el condensador al voltaje máximo de CA (Vpk). La forma de onda de CA como entrada junto con la superposición de CC constante del capacitor forman la salida.
El valor de CC de la forma de onda se cambia usando el efecto del circuito en ella. Dado que el diodo fija los picos negativos de la forma de onda de CA al valor de 0 V (en términos reales es –VF, que es el pequeño voltaje de polarización directa del diodo), los picos positivos de la forma de onda de salida tienen un valor de 2 Vpk.
El pico a pico es difícil de suavizar ya que tiene un tamaño enorme del valor de 2Vpk y, por lo tanto, solo se puede suavizar cuando el circuito se transforma en cualquier otra forma más sofisticada de una manera eficaz.
El alto voltaje negativo se suministra al magnetrón utilizando este circuito (que consiste en un diodo en forma inversa) en un horno de microondas.
Circuito Greinacher
El duplicador de voltaje de Greinarcher ha demostrado ser mejor que el circuito de Villard al mejorar significativamente al agregar algunos componentes adicionales por un pequeño costo.
Bajo la condición de carga de circuito abierto, la ondulación se reduce mucho, la mayoría de las veces a un estado de cero, pero la resistencia de la carga y el valor del condensador que se está utilizando juegan un papel importante y afectan la corriente que se extrae.
Figura 2. Circuito Greinacher
La etapa de la celda de Villard es seguida por el circuito para trabajar usando una etapa de detección de envolvente o un detector de picos.
El efecto del detector de pico es tal que gran parte de la ondulación se elimina mientras que la salida del voltaje pico se conserva como tal.
Heinrich Greinacher fue la primera persona en inventar este circuito en 1913 (que se publicó en 1914) para proporcionar el voltaje de 200-300 V que necesitaba para su ionómetro, que nuevamente fue un nuevo invento suyo.
El requisito de inventar este circuito para obtener tanta tensión surgió porque la energía suministrada por las centrales eléctricas de Zurich era de solo 110 V CA y, por lo tanto, era insuficiente.
Heinrich desarrolló más esta idea en 1920 y la amplió para hacer una cascada de multiplicadores. La mayoría de las veces, la gente se refiere a esta cascada de multiplicadores inventada por Heinrich Greinacher como una cascada de Villard que es inexacta y falsa.
Esta cascada de multiplicadores también se conoce como Cockroft-Walton en honor a los científicos John Cockroft y Ernest Walton que habían construido la máquina aceleradora de partículas y habían redescubierto el circuito de forma independiente en 1932.
El uso de dos celdas Greinacher que tienen polaridades opuestas entre sí pero que son impulsadas desde la misma fuente de CA puede extender el concepto de este tipo de topología a un circuito cuadruplicador de voltaje.
Las dos salidas individuales se utilizan para eliminar la salida a través de ellas. La conexión a tierra de la entrada y la salida simultáneamente en este circuito es bastante imposible como es el caso de un circuito puente.
Circuito puente
El tipo de topología que utiliza un circuito Delon para duplicar el voltaje se conoce como topología de puente.
Se encontró que uno de los usos comunes de este tipo de circuito delon es en los televisores con tubo de rayos catódicos. El circuito delon en estos televisores se utilizó para proporcionar el e.h.t. suministro de voltaje.
Figura 3: cuadriplicador de voltaje: dos celdas de Greinacher de polaridades opuestas
Existen muchos peligros y problemas de seguridad asociados con la generación de voltajes de más de 5 kV además de ser altamente antieconómico en un transformador principalmente en los equipos que son equipos domésticos.
Pero un e.h.t. de 10kV es un requisito básico de los televisores que son en blanco y negro, mientras que los televisores en color requieren aún más e.h.t.
Hay diferentes formas y medios por los cuales el e.h.t. de tales dimensiones se logran tales como: duplicar el voltaje en el transformador de red dentro de un devanado e.h.t en él utilizando duplicadores de voltaje o aplicando los duplicadores de voltaje a la forma de onda en las bobinas de retorno de línea.
Los dos detectores de picos que constan de media onda dentro de un circuito son funcionalmente similares a las celdas detectoras de picos que se encuentran en el circuito Greinacher.
Los semiciclos que son opuestos entre sí de la forma de onda entrante se utilizan para el funcionamiento de cada una de las dos celdas detectoras de picos. Siempre se encuentra que la salida es el doble del voltaje de entrada pico, ya que las salidas producidas por ellos están en serie.
Figura 4. Duplicador de voltaje de puente (Delon)
Circuitos de condensadores conmutados
El voltaje de una fuente de CC se puede duplicar usando los circuitos de diodo-capacitor que son lo suficientemente simples y se han descrito en la sección anterior precediendo al duplicador de voltaje con el uso de un circuito chopper.
Por lo tanto, esto es efectivo para convertir CC en CA antes de que pase por el duplicador de voltaje. Para lograr y construir circuitos que sean más eficientes, los dispositivos de conmutación son impulsados por un reloj externo que es competente en el funcionamiento tanto en términos de corte como de multiplicación y puede lograrse de forma simultánea.
Figura 5.
Duplicador de voltaje de condensador conmutado que se logra simplemente cambiando condensadores cargados de paralelo a serie. Estos tipos de circuitos se conocen como circuitos de condensador conmutado.
Las aplicaciones que funcionan con bajo voltaje son las aplicaciones que utilizan especialmente este enfoque, ya que los circuitos integrados tienen el requisito de un suministro de una cantidad específica de voltaje que es más de lo que la batería realmente puede entregar o producir.
En la mayoría de los casos, siempre hay disponibilidad de una señal de reloj a bordo del circuito integrado y, por lo tanto, esto hace que no sea necesario tener ningún otro circuito adicional o solo se necesita un pequeño circuito para generarlo.
Por tanto, el diagrama de la Figura 5 muestra esquemáticamente la forma más simple de configuración de condensadores conmutados. En este diagrama, hay dos condensadores que se han cargado al mismo voltaje simultáneamente en paralelo.
Después de esto, los condensadores se cambian a serie después de apagar el suministro. Por lo tanto, el voltaje de salida producido es el doble del voltaje de entrada o de suministro en caso de que la salida se derive de los dos capacitores en serie.
Hay varios tipos diferentes de dispositivos de conmutación que se pueden utilizar en dichos circuitos, pero los dispositivos MOSFET son los dispositivos de conmutación más utilizados en el caso de los circuitos integrados.
Figura 6. Esquema del duplicador de voltaje de la bomba de carga
El diagrama de la Figura 6 muestra esquemáticamente uno de los otros conceptos básicos de la 'Bomba de carga'. El voltaje de entrada se usa para cargar primero el Cp, el condensador de la bomba de carga.
Después de esto, el condensador de salida, C0 se carga conmutando en serie con el voltaje de entrada, lo que da como resultado que el C0 se cargue al doble de la cantidad de voltaje de entrada. Para cargar correctamente el C0 por completo, es posible que se requiera que la bomba de carga tome muchos ciclos.
Pero una vez que se ha adquirido un estado estable, lo único esencial para el condensador de la bomba de carga, Cp, es bombear la carga en pequeñas cantidades, lo que equivale a la carga que se suministra desde el condensador de salida, C0 a la carga.
Se forma una ondulación en el voltaje de salida cuando el C0 se descarga parcialmente en la carga mientras se desconecta de la bomba de carga. Esta ondulación formada en este proceso tiene la característica de un tiempo de descarga más corto y fácil de filtrar y, por lo tanto, estas características los hacen más pequeños para frecuencias para frecuencias de reloj más altas.
Por tanto, para cualquier ondulación específica dada, los condensadores se pueden hacer más pequeños. La cantidad máxima de frecuencia de reloj para todos los propósitos prácticos en los circuitos integrados generalmente cae en el rango de cientos de kHz.
Bomba de carga Dickson
La bomba de carga Dickson, también conocida como multiplicador de Dickson, consiste en una cascada de celdas de diodo / capacitor donde un tren de pulsos de reloj impulsa la placa inferior de cada uno de los capacitores.
El circuito se considera una modificación del multiplicador Cockcroft-Walton, pero con la única excepción de que la señal de conmutación la proporciona la entrada de CC con trenes de reloj en lugar de una entrada de CA como es el caso del multiplicador de Cockcroft-Walton.
El requisito básico de un multiplicador de Dickson es que los pulsos de reloj de las fases opuestas entre sí deben impulsar las celdas alternativas. Pero, en el caso de un duplicador de voltaje, que se muestra en la Figura 7, solo se requiere una única señal de reloj ya que solo hay una etapa de multiplicación.
Figura 7. Duplicador de voltaje de la bomba de carga de Dickson
Los circuitos donde los multiplicadores de Dickson se usan mayoritariamente y con frecuencia son los circuitos integrados donde el voltaje de suministro, como el de cualquier batería, es menor que el requerido por los circuitos.
El hecho de que todos los semiconductores utilizados en este sean básicamente similares actúa como una ventaja para los fabricantes del circuito integrado.
El bloque lógico estándar que se encuentra y se utiliza con mayor frecuencia en numerosos circuitos integrados son los dispositivos MOSFET.
Esta es una de las razones por las que los diodos son reemplazados muchas veces por el transistor de este tipo, pero también están conectados a una función en forma de diodo.
Esta disposición también se conoce como MOSFET cableado por diodo. El diagrama de la Figura 8 muestra un duplicador de voltaje Dickson que utiliza este tipo de dispositivos MOSFET de mejora de canal n conectados por diodos.
Figura 8. Duplicador de voltaje Dickson utilizando MOSFET cableados por diodos
La forma básica de la bomba de carga Dickson ha sufrido muchas mejoras y variaciones. La mayoría de estas mejoras se encuentran en el área de la reducción del efecto producido por el voltaje de la fuente de drenaje del transistor. Esta mejora se considera significativa en el caso de que el voltaje de entrada sea pequeño como en el caso de una batería de bajo voltaje.
El voltaje de salida es siempre un múltiplo integral del voltaje de entrada (dos veces en caso de un duplicador de voltaje) cuando se utilizan elementos de conmutación ideales.
Pero en el caso de que se utilice una batería de una sola celda como fuente de entrada junto con los interruptores MOSFET, la salida en tales casos es mucho menor que este valor porque habrá una caída en el voltaje entre los transistores.
Debido a la caída extremadamente baja del voltaje en el estado de encendido de un circuito que utiliza componentes discretos, el diodo Schottky se considera una buena opción como elemento de conmutación.
Pero los diseñadores de circuitos integrados prefieren en su mayoría el uso de MOSFET, ya que está disponible más fácilmente, lo que compensa con creces la presencia de deficiencias y la alta complejidad en el circuito que está presente en los dispositivos MOSFET.
Para ilustrar esto, tomemos un ejemplo: una tensión nominal del orden de 1,5 V está presente en una batería alcalina.
La salida en esto se puede duplicar a 3,0 V utilizando un duplicador de voltaje junto con elementos de conmutación ideales que tienen una caída de voltaje de cero.
Pero la caída de voltaje de la fuente de drenaje del MOSFET cableado por diodo cuando está en el estado de encendido debe estar en un mínimo igual al voltaje de umbral de la puerta, que generalmente está en una sintonía de 0.9V.
El duplicador de voltaje puede aumentar el voltaje de salida con éxito solo en aproximadamente 0,6 V a 2,1 V.
El aumento de voltaje por el circuito no se puede lograr sin usar múltiples etapas en caso de que la caída en el transistor de suavizado final también se considere y se tenga en cuenta.
Por otro lado, el voltaje en el escenario de un diodo Schottky típico es de 0.3 V. El voltaje de salida producido por un duplicador de voltaje estará en el rango de 2.7V si usa diodo Schottky, o 2.4V si usa diodo suavizador.
Condensadores conmutados de acoplamiento cruzado
Los circuitos de condensadores conmutados de acoplamiento cruzado son conocidos porque la tensión de entrada es muy baja. Se puede requerir una batería unicelular en los equipos que funcionan con baterías inalámbricas, como buscapersonas y dispositivos Bluetooth, para suministrar energía de forma continua cuando se ha descargado por debajo de un voltio.
Figura 9. Duplicador de voltaje de condensador conmutado acoplado en cruz
El transistor Q2 se apaga en caso de que el reloj esté bajo. Al mismo tiempo, el transistor Q1 se enciende si el reloj está alto y esto da como resultado la carga del condensador C1 al voltaje Vn. la placa superior de C1 se empuja hacia arriba para duplicar Vin en caso de que el Ø1 suba.
Para permitir que este voltaje aparezca como una salida, el interruptor S1 se cierra al mismo tiempo. Además, al mismo tiempo, se permite que C2 se cargue encendiendo el Q2.
Los roles de los componentes se invierten en el siguiente medio ciclo: Ø1 será bajo, S1 se abrirá, Ø2 será alto y S2 se cerrará.
Por lo tanto, alternativamente desde cada lado del circuito, el voltaje de salida se suministra con 2Vin. la pérdida incurrida en este circuito es baja ya que hay una falta de MOSFET cableados por diodos y los problemas de voltaje umbral asociados con ellos.
Una de las otras ventajas del circuito es que duplica la frecuencia de rizado ya que hay dos duplicadores de voltaje presentes que suministran la salida de manera efectiva desde los relojes de fase.
La desventaja básica de este circuito es que se encuentra que las capacitancias parásitas del multiplicador de Dickinson son mucho menos significativas que este circuito y, por lo tanto, representa la mayor parte de las pérdidas en las que se incurre en este circuito.
Cortesía: https://en.wikipedia.org/wiki/Voltage_doubler
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