Multiplicadores de Tensão Explicados: Duplicador, Triplicador, Quadruplicador e Design Cockcroft-Walton

Um multiplicador de tensão é um retificador especializado que produz uma saída CC que é um múltiplo inteiro do pico de entrada CA — comumente 2×, 3× ou 4×. Na prática, uma fonte CA de 100 V pico pode gerar cerca de 200 V CC com um duplicador, ou 400 V CC com um quadruplicador, embora carregamento real reduza esses valores.

Tipos de Multiplicadores de Tensão

Duplicador de Tensão

A maioria de fontes de alimentação de laboratório usa um duplicador para elevar uma fonte CA de 120 V ou 240 V para cerca de 300 V CC. Uma ponte de onda completa configurada como duplicador entrega a mesma tensão CC de 120 V ou 240 V da rede, que então alimenta um regulador chaveado para tensões menores.

Duplicador de Tensão de Meia-Onda

O duplicador de meia-onda combina um clamper e um retificador de meia-onda. O clamper carrega o capacitor C2 para o pico negativo da entrada (≈5 V menos queda do diodo), então o retificador permite C2 adicionar à tensão do gerador durante o meio-ciclo positivo. A saída resultante estabiliza em cerca de 10 V (≈8,6 V com quedas realistas de diodo).

*SPICE 03255.eps C1 2 0 1000p D1 1 2 diode C2 4 1 1000p D2 0 1 diode V1 4 0 SIN(0 5 1k) .model diode d .tran 0.01m 5m .end

Ilustração: v(4) é a entrada, v(1) o estágio clamper, v(2) o estágio retificador de meia-onda, e v(3) a saída final.

Duplicador de Tensão de Onda Completa

Empilhando dois retificadores de meia-onda em série, o duplicador de onda completa carrega um capacitor no meio-ciclo negativo e outro no positivo. Os dois capacitores juntos fornecem tensão duplicada com maior tolerância a ripple.

*SPICE 03273.eps *R1 3 0 100k *R2 5 3 100k D1 0 2 diode D2 2 5 diode C1 3 0 1000p C2 5 3 1000p V1 2 3 SIN(0 5 1k) .model diode d .tran 0.01m 5m .end

Resultado: v(5) atinge a saída completa dentro de um único ciclo de entrada.

Derivando Duplicadores de Onda Completa de Retificadores de Meia-Onda

Combinando dois retificadores de meia-onda de polaridade oposta e re-referenciando o terra produz uma fonte ±5 V (≈±4,3 V com quedas de diodo). A saída entre as duas saídas é então 10 V.

Triplicador de Tensão

Um triplicador é essencialmente um duplicador empilhado sobre um retificador de meia-onda. O estágio de meia-onda adiciona ~5 V, o duplicador adiciona ~10 V, produzindo total de ~15 V (≈12,9 V com quedas de diodo) relativo ao terra.

*SPICE 03283.eps C3 3 0 1000p D3 0 4 diode C1 2 3 1000p D1 1 2 diode C2 4 1 1000p D2 3 1 diode V1 4 3 SIN(0 5 1k) .model diode d .tran 0.01m 5m .end

Quadruplicador de Tensão

Empilhando dois estágios duplicadores produz um quadruplicador. Cada duplicador contribui ~10 V (≈8,6 V realista), então a saída combinada é ~20 V (≈17,2 V). Duas saídas CC estão disponíveis: uma no duplicador intermediário e uma no estágio final.

*SPICE 03441.eps *C22 4 5 1000p *C11 3 0 1000p D11 0 5 diode D22 5 3 diode C1 2 3 1000p D1 1 2 diode C2 4 1 1000p D2 3 1 diode V1 4 3 SIN(0 5 1k) .model diode d .tran 0.01m 5m .end

Formas de onda mostram clamping sucessivo em níveis mais altos: v(5), v(4), e v(1).

Segurança e Considerações Práticas

• Parâmetros típicos de simulação (5 V, 1 kHz, 1 nF) produzem correntes em nível de microamp; para miliamperes de corrente de carga, use capacitores de 0,1–1,0 µF em circuitos de kHz.
• Para operação em rede 50/60 Hz, capacitores devem ser várias centenas a alguns milhares de µF para fornecer centenas de miliamperes.
• Sempre observe polaridade correta e classificação de tensão em capacitores eletrolíticos — polaridade reversa pode causar explosões.
• Circuitos alimentados diretamente da rede (sem transformador) são perigosos; mantenha-os em gabinetes blindados e nunca use protoboard sem proteção de segurança.

Multiplicador Cockcroft-Walton

O Cockcroft-Walton é uma cascata de duplicadores de meia-onda. Com oito estágios (x8), pode entregar ~30 V de uma entrada de 5 V pico, contabilizando quedas de diodo. Embora cada estágio adicionado produza menos tensão incremental, a topologia evita a necessidade de transformador de alta tensão.

D1 7 8 diode C1 8 6 1000p D2 6 7 diode C2 5 7 1000p D3 5 6 diode C3 4 6 1000p D4 4 5 diode C4 3 5 1000p D5 3 4 diode C5 2 4 1000p D6 2 3 diode D7 1 2 diode C6 1 3 1000p C7 2 0 1000p C8 99 1 1000p D8 0 1 diode V1 99 0 SIN(0 5 1k) .model diode d .tran 0.01m 50m .end

Aplicações reais incluem tubos fotomultiplicadores (até 2000 V) e geradores de íons para purificação de ar. A série de taps substitui divisores resistivos, reduzindo calor e melhorando eficiência.

Principais Conclusões

• Um multiplicador de tensão escala tensão de pico CA para nível CC mais alto.
• O mais simples é o duplicador de meia-onda; duplicadores de onda completa melhoram desempenho de ripple.
• Triplicadores combinam duplicador com detetor de pico; quadruplicadores empilham dois duplicadores.
• Multiplicadores Cockcroft-Walton fornecem alta tensão escalável sem transformadores custosos.

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