Multiplicadores de tensão (duplicadores, triplicadores, quadruplicadores e mais)

Um multiplicador de voltagem é um circuito retificador especializado que produz uma saída que teoricamente é um número inteiro vezes a entrada de pico CA, por exemplo, 2, 3 ou 4 vezes a entrada de pico CA. Assim, é possível obter 200 VCC de uma fonte CA de pico de 100 V usando um duplicador e 400 VCC de um quadrupler. Qualquer carga em um circuito prático reduzirá essas tensões.

Iremos primeiro examinar vários tipos de multiplicadores de voltagem - dobrador de voltagem (meia onda e onda completa), triplicador de voltagem e quadrupler de voltagem - em seguida, faremos algumas notas gerais sobre a segurança do multiplicador de voltagem e finalizaremos com o multiplicador Cockcroft-Walton.

Dobrador de tensão

Uma aplicação do dobrador de tensão é uma fonte de alimentação DC capaz de usar uma fonte de 240 VAC ou 120 VAC. A fonte usa uma ponte de onda completa selecionada por switch para produzir cerca de 300 VCC de uma fonte de 240 VCA. A posição de 120 V do interruptor reconecta a ponte como um dobrador, produzindo cerca de 300 VCC a partir de 120 VCA. Em ambos os casos, 300 VCC é produzido. Esta é a entrada para um regulador de comutação que produz tensões mais baixas para alimentar, digamos, um computador pessoal.

Dobrador de tensão de meia onda

O dobrador de tensão de meia onda na Figura abaixo (a) é composto por dois circuitos:um grampo em (b) e detector de pico (retificador de meia onda) na Figura anterior, que é mostrado de forma modificada na Figura abaixo (c). C2 foi adicionado a um detector de pico (retificador de meia onda).



O dobrador de tensão de meia onda (a) é composto por (b) um grampo e (c) um retificador de meia onda.

Análise do circuito de operação do duplicador de tensão de meia onda

Referindo-se à Figura (b) acima, C2 carrega até 5 V (4,3 V considerando a queda do diodo) na metade do ciclo negativo da entrada CA. A extremidade direita é aterrada pelo condutor D2. A extremidade esquerda é carregada no pico negativo da entrada CA. Esta é a operação do clamper.

Durante o meio ciclo positivo, o retificador de meia onda entra em ação na Figura (c) acima. O diodo D2 está fora do circuito porque é polarizado reversamente. C2 agora está em série com a fonte de tensão. Observe as polaridades do gerador e C2, auxiliando em série. Assim, o retificador D1 vê um total de 10 V no pico da onda senoidal, 5 V do gerador e 5 V de C2. D1 conduz a forma de onda v (1) (figura abaixo), carregando C1 até o pico da onda senoidal em 5 V DC (figura abaixo v (2)). A forma de onda v (2) é a saída do dobrador, que se estabiliza em 10 V (8,6 V com quedas de diodo) após alguns ciclos de entrada de onda senoidal.

 * SPICE 03255.eps C1 2 0 1000p D1 1 2 diodo C2 4 1 1000p D2 0 1 diodo V1 4 0 SIN (0 5 1k) .model diodo d .tran 0,01m 5m .end 

Dobrador de tensão:entrada v (4). v (1) estágio de fixação. v (2) estágio retificador de meia onda, que é a saída duplicadora.

Dobrador de voltagem de onda completa

O dobrador de tensão de onda completa é composto por um par de retificadores de meia onda empilhados em série. (Figura abaixo) A netlist correspondente está na Figura abaixo.

Análise de operação do dobrador de tensão de onda completa

O retificador inferior carrega C1 no meio ciclo negativo de entrada. O retificador superior carrega C2 no meio-ciclo positivo. Cada capacitor recebe uma carga de 5 V (4,3 V considerando a queda do diodo). A saída no nó 5 é o total da série de C1 + C2 ou 10 V (8,6 V com quedas de diodo).

 * SPICE 03273.eps * R1 3 0 100k * R2 5 3 100k D1 0 2 diodo D2 2 5 diodo C1 3 0 1000p C2 5 3 1000p V1 2 3 SIN (0 5 1k) .model diodo d .tran 0,01 m 5m. fim 

O dobrador de tensão de onda completa consiste em dois retificadores de meia onda operando em polaridades alternadas.

Observe que a saída v (5) Figura abaixo atinge o valor total dentro de um ciclo da excursão de entrada v (2).





Dobrador de tensão de onda completa:v (2) entrada, v (3) tensão no ponto médio, v (5) tensão na saída

Derivando dobradores de onda completa de retificadores de meia onda

A figura abaixo ilustra a derivação do dobrador de onda completa de um par de retificadores de meia onda de polaridade oposta (a). O retificador negativo do par é redesenhado para maior clareza (b). Ambos são combinados em (c) compartilhando o mesmo terreno. Em (d), o retificador negativo é religado para compartilhar uma fonte de tensão com o retificador positivo. Isso produz uma fonte de alimentação de ± 5 V (4,3 V com queda de diodo); entretanto, 10 V é mensurável entre as duas saídas. O ponto de referência de aterramento é movido de forma que +10 V esteja disponível em relação ao aterramento.





Dobrador de onda completa:(a) Par de dobradores, (b) redesenhado, (c) compartilhando o solo, (d) compartilhando a mesma fonte de tensão. (e) mover o ponto de base.

Triplo de tensão

Um triplo de voltagem (Figura abaixo) é construído a partir de uma combinação de um dobrador e um retificador de meia onda (C3, D3). O retificador de meia onda produz 5 V (4,3 V) no nó 3. O dobrador fornece outro 10 V (8,4 V) entre os nós 2 e 3. para um total de 15 V (12,9 V) no nó de saída 2 em relação a chão. A netlist está na figura abaixo.





Triplo de voltagem composto de dobrador empilhado sobre um retificador de estágio único.

Observe que V (3) na Figura abaixo aumenta para 5 V (4,3 V) no primeiro semiciclo negativo. A entrada v (4) é deslocada para cima em 5 V (4,3 V) devido a 5 V do retificador de meia onda. E mais 5 V em v (1) devido ao grampo (C2, D2). D1 carrega C1 (forma de onda v (2)) ao valor de pico de v (1).

 * SPICE 03283.eps C3 3 0 1000p D3 0 4 diodo C1 2 3 1000p D1 1 2 diodo C2 4 1 1000p D2 3 1 diodo V1 4 3 SIN (0 5 1k) .model diodo d .tran 0,01m 5m .end 

Triplo de tensão:v (3) retificador de meia onda, v (4) entrada + 5 V, v (1) grampo, v (2) saída final.

Quádruplo de tensão

Um quadrupler de voltagem é uma combinação empilhada de dois dobradores mostrados na Figura abaixo. Cada dobrador fornece 10 V (8,6 V) para uma série total no nó 2 em relação ao aterramento de 20 V (17,2 V)

A netlist está na figura abaixo.





Quádruplo de tensão, composto por dois dobradores empilhados em série, com saída no nó 2.

As formas de onda do quadrupler são mostradas na Figura abaixo. Duas saídas DC estão disponíveis:v (3), a saída do duplicador ev (2) a saída do quadrupler. Algumas das tensões intermediárias nos clampers ilustram que a onda senoidal de entrada (não mostrada), que oscila em 5 V, é sucessivamente fixada em níveis mais altos:em v (5), v (4) ev (1). Estritamente v (4) não é uma saída do clamper. É simplesmente a fonte de tensão CA em série com v (3) a saída duplicadora. No entanto, v (1) é uma versão restrita de v (4)

 * SPICE 03441.eps * SPICE 03286.eps C22 4 5 1000p C11 3 0 1000p D11 0 5 diodo D22 5 3 diodo C1 2 3 1000p D1 1 2 diodo C2 4 1 1000p D2 3 1 diodo V1 4 3 SIN ( 0 5 1k) .model diodo d .tran 0,01m 5m .end 

Quádruplo de tensão:tensão DC disponível em v (3) ev (2). Formas de onda intermediárias:Clampers:v (5), v (4), v (1).

Notas sobre multiplicadores de tensão e fontes de alimentação acionadas por linha

Algumas notas sobre multiplicadores de tensão são necessárias neste momento. Os parâmetros de circuito usados ​​nos exemplos (V =5 V 1 kHz, C =1000 pf) não fornecem muita corrente, microampères. Além disso, os resistores de carga foram omitidos. O carregamento reduz as tensões daquelas mostradas. Se os circuitos forem acionados por uma fonte kHz em baixa tensão, como nos exemplos, os capacitores são geralmente de 0,1 a 1,0 µF, de modo que miliamperes de corrente estão disponíveis na saída. Se os multiplicadores forem acionados de 50/60 Hz, o capacitor terá algumas centenas a alguns milhares de microfarads para fornecer centenas de miliamperes de corrente de saída. Se for movido a partir da tensão da linha, preste atenção à polaridade e às classificações de tensão dos capacitores.

Finalmente, qualquer fonte de alimentação acionada por linha direta (sem transformador) é perigosa para o experimentador e para o equipamento de teste operado por linha. Os suprimentos comerciais de acionamento direto são seguros porque o circuito perigoso fica em um gabinete para proteger o usuário. Ao fazer o breadboard desses circuitos com capacitores eletrolíticos de qualquer voltagem, os capacitores explodirão se a polaridade for invertida. Esses circuitos devem ser alimentados por trás de uma proteção de segurança.

Multiplicador Cockcroft-Walton

Um multiplicador de voltagem de dobradores de meia onda em cascata de comprimento arbitrário é conhecido como Cockcroft-Walton multiplicador conforme mostrado na Figura abaixo. Este multiplicador é usado quando uma alta tensão em baixa corrente é necessária. A vantagem sobre uma fonte convencional é que um transformador de alta tensão caro não é necessário - pelo menos não tão alto quanto a saída.





Multiplicador de voltagem Cockcroft-Walton x8; saída em v (8).

O par de diodos e capacitores à esquerda dos nós 1 e 2 na Figura acima constitui um dobrador de meia onda. Girando os diodos em 45 ^o sentido anti-horário, e o capacitor inferior em 90 ^o faz com que se pareça com a Figura anterior (a). Quatro das seções do dobrador são colocadas em cascata para a direita para um fator de multiplicação teórico x8. O nó 1 tem uma forma de onda de grampo (não mostrada), uma onda senoidal deslocada 1x (5 V). Os outros nós ímpares são ondas senoidais fixadas a tensões sucessivamente mais altas. O nó 2, a saída do primeiro duplicador, é uma tensão CC 2x v (2) na Figura abaixo. Nodos pares sucessivos cobram tensões sucessivamente mais altas:v (4), v (6), v (8)

 D1 7 8 diodo C1 8 6 1000p D2 6 7 diodo C2 5 7 1000p D3 5 6 diodo C3 4 6 1000p D4 4 5 diodo C4 3 5 1000p D5 3 4 diodo C5 2 4 1000p D6 2 3 diodo D7 1 2 diodo C6 1 3 1000p C7 2 0 1000p C8 99 1 1000p D8 0 1 diodo V1 99 0 SIN (0 5 1k) .modelo diodo d .tran 0,01m 50m .end 

Formas de onda Cockcroft-Walton (x8). A saída é v (8).

Sem quedas de diodo, cada dobrador rende 2Vin ou 10 V, considerando duas quedas de diodo (10-1,4) =8,6 V é realista. Para um total de 4 dobradores espera-se 4 · 8,6 =34,4 V de 40 V.

Consultando a Figura acima, v (2) está quase certo; entretanto, v (8) é <30 V em vez dos 34,4 V. previstos. A maldição do multiplicador Cockcroft-Walton é que cada estágio adicional adiciona menos do que o estágio anterior. Assim, existe um limite prático para o número de estágios. É possível superar essa limitação com uma modificação no circuito básico. [ABR] Observe também a escala de tempo de 40 ms em comparação com 5 ms dos circuitos anteriores. São necessários 40 ms para que as tensões aumentem até um valor terminal para este circuito. A netlist na Figura acima possui um comando “.tran 0.010m 50m” para estender o tempo de simulação para 50 ms; entretanto, apenas 40 mseg são plotados.

O multiplicador Cockcroft-Walton serve como uma fonte de alta tensão mais eficiente para tubos fotomultiplicadores que requerem até 2.000 V. [ABR] Além disso, o tubo tem vários dínodos , terminais que requerem conexão aos nós de “numeração par” de tensão mais baixa. A série de derivações multiplicadoras substitui um divisor de tensão resistivo de geração de calor de projetos anteriores.

Um multiplicador Cockcroft-Walton operado por linha CA fornece alta tensão para “geradores de íons” para neutralizar a carga eletrostática e para purificadores de ar.

Revisão do multiplicador de tensão:

• Um multiplicador de tensão produz um múltiplo DC (2,3,4, etc) da tensão de entrada de pico AC.
• O multiplicador mais básico é um dobrador de meia onda.
• O duplo de onda completa é um circuito superior como um dobrador.
• Um triplo é um dobrador de meia onda e um estágio retificador convencional (detector de pico).
• Um quadrupler é um par de dobradores de meia onda
• Uma longa sequência de dobradores de meia onda é conhecida como multiplicador Cockcroft-Walton.

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