Multiplicadores de tensión - Clasificación y explicación del diagrama de bloques

¿Qué son los multiplicadores de tensión?

El multiplicador de tensión se refiere a un circuito eléctrico formado por diodos y condensadores que multiplica o aumenta la tensión y también convierte la CA en CC, la multiplicación de la tensión y la rectificación de la corriente se realiza mediante el multiplicador de tensión. La rectificación de la corriente de CA a CC se consigue mediante un diodo y el aumento de la tensión se consigue mediante la aceleración de las partículas por propulsión de alto potencial producida por los condensadores.

Una combinación de diodo y condensador constituye un circuito multiplicador de tensión básico; se da entrada de CA al circuito desde una fuente de alimentación donde la rectificación de la corriente y la aceleración de las partículas por el condensador dan una salida de CC de tensión aumentada. La tensión de salida puede ser muchas veces superior a la de entrada, por lo que el circuito de carga debe poseer una alta impedancia.

En este circuito duplicador de tensión, el primer diodo corrige la señal y su salida equivale a la tensión de pico del transformador rectificada como un rectificador de media onda. Una señal de CA por medio del condensador alcanza adicionalmente al segundo diodo, y en la perspectiva de la CC proporcionada por el condensador, esto hace que la salida del segundo diodo se sitúe encima de la del primero. En este sentido, la salida del circuito es el doble de la tensión de pico del transformador, menos las caídas del diodo.

Se puede acceder a diferentes circuitos e ideas para proporcionar una capacidad multiplicadora de tensión de prácticamente cualquier variable. La aplicación de la misma regla de colocar un rectificador sobre otro y utilizar el acoplamiento capacitivo permite avanzar en un tipo de sistema escalonado.

Clasificación de los multiplicadores de tensión:

La clasificación del multiplicador de tensión se basa en la relación entre la tensión de entrada y la tensión de salida, por lo que los nombres también se han dado como

• Dobladores de tensión
• Triplicador de tensión
• Cuádruple de tensión

Duplicador de tensión:

El circuito duplicador de tensión está formado por dos diodos y dos condensadores en los que cada combinación de circuito de diodos-condensadores comparte la alteración positiva y negativa, y la conexión de dos condensadores da lugar a una tensión de salida doble para una tensión de entrada determinada.

Del mismo modo, cada aumento de una combinación de diodo-condensador multiplica la tensión de entrada, donde el triplicador de tensión da Vout = 3 Vin y el cuatriplicador de tensión da Vout = 4 Vin.

Cálculo de la tensión de salida

Para un multiplicador de tensión, el cálculo de la tensión de salida es importante teniendo en cuenta la regulación de la tensión y el porcentaje de ondulación.

Vout = (sqrt 2 x Vin x N)

Donde

Vout = tensión de salida del multiplicador de tensión de N etapas

N = número de etapas (es el número de condensadores dividido por 2).

Aplicaciones de la tensión de salida

• Tubos de rayos catódicos
• Sistema de rayos X, Láser
• Bombas de iones
• Sistema electrostático
• Tubo de onda viajera

Ejemplo

Considera un escenario en el que se requiere una tensión de salida de 2,5 Kv con una entrada de 230 v, en ese caso, se requiere un multiplicador de tensión multietapa en el que D1-D8 da diodos y 16 condensadores de 100 uF/400v deben conectarse para conseguir una salida de 2,5 Kv.

Utilizando la fórmula

Vout = sqrt 2 x 230 x 16/2

= sqrt 2 x 230 x 8

= 2,5 Kv (aprox.)

En la ecuación anterior, 16/2 indica que no hay condensadores /2 da el número de etapas.

2 Ejemplos prácticos

1. Ejemplo práctico del circuito multiplicador de tensión para producir alta tensión continua a partir de una señal alterna.

El sistema consta de una unidad multiplicadora de tensión de 8 etapas. Los condensadores se utilizan para almacenar la carga, mientras que los diodos se utilizan para la rectificación. Al aplicar la señal de CA, obtenemos una tensión a través de cada condensador, que se duplica aproximadamente con cada etapa. Así, midiendo la tensión a través de los condensadores de 1^st etapa del duplicador de tensión y la última etapa, obtenemos la alta tensión requerida. Como la salida es una tensión muy alta, no es posible medirla con un simple multímetro. Por eso se utiliza un circuito divisor de tensión. El divisor de tensión está formado por 10 resistencias conectadas en serie. La salida se toma a través de las dos últimas resistencias. Así, la salida obtenida se multiplica por 10 para obtener la salida real.

2. Generador Marx

Con el desarrollo de la electrónica de estado sólido, los dispositivos de estado sólido son cada vez más adecuados para las aplicaciones de potencia pulsada. Podrían proporcionar a los sistemas de potencia pulsada compacidad, fiabilidad, alta tasa de repetición y larga vida útil. El surgimiento de generadores de potencia pulsada con dispositivos de estado sólido elimina las limitaciones de los componentes convencionales y promete que la tecnología de potencia pulsada se utilice ampliamente en aplicaciones comerciales. Sin embargo, los dispositivos de conmutación de estado sólido, como el MOSFET o el Transistor Bipolar de Puerta Aislada (IGBT), disponibles en la actualidad, sólo tienen una potencia nominal de unos pocos kilovoltios.

La mayoría de los sistemas de potencia pulsada exigen una tensión nominal mucho mayor. El modulador Marx es un circuito único destinado a la multiplicación de la tensión, como se muestra a continuación. Tradicionalmente, empleaba vías de chispas como interruptores y resistencias como aislantes. Por lo tanto, tenía los inconvenientes de la baja tasa de repetición, la corta vida útil y la ineficacia. En este trabajo se propone un generador Marx que utiliza dispositivos de estado sólido para combinar los méritos de los interruptores semiconductores de potencia y los circuitos Marx. Se ha diseñado para la Implantación de Iones en la Fuente de Plasma (PSII) [1] y para los siguientes requisitos:

El moderno generador Marx utilizando MOSFET

Para leer la tensión y el periodo de tiempo, consulta la clasificación de la pantalla del CRO.

• A partir de la unidad de demostración de baja tensión anterior, encontramos que la entrada de 15 voltios, el 50% del ciclo de trabajo en el punto A va (-Ve ) también con respecto a tierra. Por lo tanto, hay que utilizar un transistor de alta tensión para la alta tensión. DURANTE ESTE TIEMPO TODOS LOS CAPACITADORES C1, C2, C4, C5 SE CARGAN como se ve en C hasta 12 voltios cada uno.
• A continuación, mediante un ciclo de conmutación adecuado, C1, C2, C4, C5 se conectan en serie a través de los MOSFET.
• Así obtenemos una tensión de impulso (-Ve ) de 12+12+12+12=48 voltios en el punto D

Aplicación de los generadores Marx - Alta tensión de corriente continua por el principio del generador Marx

Como sabemos por el principio del Generador Marx, los condensadores se disponen en paralelo para cargarse y luego se conectan en serie para desarrollar una alta tensión.

El sistema consiste en un temporizador 555 que funciona en modo astable y proporciona un impulso de salida con un ciclo de trabajo del 50%. El sistema consta de una etapa de multiplicación de un total de 4 etapas, cada una de las cuales está formada por un condensador, 2 diodos y un MOSFET como interruptor. Los diodos se utilizan para cargar el condensador. Un impulso alto del temporizador 555 acciona los diodos y también los optoaisladores, que a su vez proporcionan impulsos de disparo a cada MOSFET. Así, los condensadores se conectan en paralelo mientras se cargan hasta la tensión de alimentación. Un pulso lógico bajo del temporizador hace que los interruptores MOSFET estén en condición de apagados y los condensadores se conectan así en serie. Los condensadores empiezan a descargarse y la tensión en cada condensador se suma, produciendo una tensión 4 veces superior a la tensión continua de entrada.