Duplicador de tensão:uma alternativa mais barata e mais leve aos circuitos transformador-retificador

Você está pensando em construir um equipamento de teste de alta tensão DC? Tal dispositivo é necessário para testar ou construir eletrônicos e aparelhos que requerem alta tensão DC, como fornos de microondas e tubos de raios catódicos. Embora seja possível usar um transformador elevador e um retificador para essa tarefa, os transformadores são componentes pesados ​​e caros. Como tal, eles não fornecem a melhor solução. Uma tensão dupla é uma alternativa melhor que requer apenas alguns componentes para montar. Nós apresentamos todos os detalhes se você quiser construir um para o seu projeto. Mas primeiro, vejamos a definição e os tipos de dobradores de tensão.

O que é um dobrador de tensão?

Um dobrador de tensão é um circuito multiplicador de tensão com um fator de multiplicação de dois. Ele recebe a tensão CA como entrada e, em seguida, produz uma tensão CC equivalente a duas vezes a tensão de entrada de pico.

Ao fazer isso, o circuito faz duas coisas. Ele assume o papel de um transformador elevador aumentando a tensão CA de pico e um retificador porque converte CA em CC.

Projeto do dobrador de tensão

Fonte:Wikimedia Commons.

Uma vez que são multiplicadores de tensão, os duplicadores constituem os blocos de construção básicos ou estágios únicos de circuitos de ordem superior.

Tensão quádrupla (observe os quatro diodos e capacitores)

Fonte:Wikimedia Commons.

Você pode colocar em cascata estágios semelhantes para criar triplicadores de tensão, quádruplos e muito mais. Uma tensão tripla tem três diodos e capacitores, enquanto uma quádrupla tem quatro cada. O circuito pode ser dimensionado para cima para atingir a tensão necessária para o projeto.

Como funciona um circuito dobrador de tensão?

Um dobrador de tensão possui quatro componentes discretos que amplificam a tensão e fazem a corrente fluir em uma direção. Estes são dois diodos e dois capacitores.

Circuito dobrador de tensão

Fonte:Wikimedia Commons.

O circuito organiza os componentes para tornar um dos diodos um condutor durante cada ciclo de tensão CA. No meio ciclo positivo, o diodo dois permanece desligado, de modo que apenas um capacitor é carregado na tensão de entrada de pico CA.

O diodo um desliga durante o pico negativo, mas o diodo dois conduz e carrega o segundo capacitor. No entanto, o circuito já havia carregado o capacitor um no ciclo anterior. Portanto, essa tensão é adicionada à tensão CA de entrada.

O resultado é uma duplicação da fonte de tensão CA de pico no segundo capacitor, mas desta vez como CC porque a corrente fluirá em uma direção.

Como tal, um duplicador atua como uma bomba de carga, fornecendo 2Vin.

Tipos de dobrador de tensão

• Duplicador de tensão de meia onda
• Duplicador de tensão de onda completa

Vantagens do dobrador de tensão

• Uma alternativa mais barata e mais leve aos transformadores.
• Pode criar tensão negativa invertendo a polaridade dos diodos e capacitores conectados.
• Fácil de aumentar o fator de multiplicação de tensão em cascata duplicadores de tensão idênticos no circuito.

Circuito dobrador de tensão CC

Aí vem a melhor parte. Se você deseja construir um circuito dobrador de tensão CC (meia ou onda completa), você precisa dos seguintes componentes:

• Placa de circuito impresso (ou protoboard e fios de conexão)
• Dois diodos
• Dois capacitores

Então, como funciona o circuito? Em detalhes, vejamos os circuitos duplicadores de tensão CC de meia onda e onda completa. Mas primeiro, aqui está como a entrada flui.

Tensão de entrada CA

Como a forma de onda CA tem semiciclos positivos e negativos, esta explicação abaixo descreve o que acontece apenas nesses dois ciclos. A duplicação ocorre repetidamente à medida que a energia flui para o circuito.

Forma de onda AC mostrando os semiciclos positivos e negativos contínuos

Vm é a tensão de pico e Vin é a tensão de entrada. Vm =Vin na tensão de pico, então usaremos Vm nas equações.

Duplicador de tensão de meia onda

Com a polaridade mostrada no diagrama abaixo, a tensão de entrada polariza o diodo D2. Seu lado N se conecta ao terminal positivo, enquanto o lado P se conecta ao terminal negativo da fonte CA.

Polaridade do circuito duplicador de tensão CC de meia onda durante o meio ciclo positivo

Por outro lado, D1 é polarizado diretamente porque seus lados P e N se conectam aos terminais positivo e negativo, respectivamente.

Portanto, você pode reimaginar o diagrama como tendo o diodo D1 formando um curto-circuito (junta condutora) enquanto D2 é um circuito aberto. Você pode usar a lei de tensão de Kirchhoff para obter a tensão no capacitor C1 (Vc1).

Vm – Vc1 =0

Então Vc1 =Vm

Durante o semiciclo negativo, a polaridade muda, conforme mostrado abaixo.

Polaridade do circuito duplicador de tensão CC de meia onda durante o meio ciclo negativo

Durante esta onda, o Vin polariza diretamente o diodo D2. Seus lados N e P conectam-se aos terminais negativo e positivo, respectivamente. No entanto, D1 fica inversamente polarizado.

Como tal, você pode redesenhar o diagrama com D1 formando um circuito aberto enquanto D2 forma um curto-circuito.

Usando a lei de tensão de Kirchhoff, podemos determinar a tensão no capacitor C2 usando esta fórmula.

-Vm – Vm + Vc2 =0

-Vm é a tensão de entrada (na polaridade negativa)

O segundo Vm é a tensão em C1, que foi carregada durante o ciclo anterior.

Portanto, Vc2 =Vm + Vm, o que equivale a 2Vm.

Se você conectar uma carga no capacitor C2, obterá o dobro da tensão de entrada de pico, criando o efeito de duplicação.

C1 atua como um dispositivo de armazenamento porque não possui um caminho de retorno para descarga. Mas durante o meio ciclo negativo, ele se conecta com a fonte de tensão em série, de modo que a tensão das duas fontes se soma.

Duplicador de tensão de onda completa

Ao lidar com um duplicador de onda completa, medimos a tensão em ambos os capacitores C1 e C2. Durante o ciclo positivo, Vin polariza diretamente D1, mas reverte D2.

Polaridade do circuito duplicador de tensão CC de onda completa durante o meio ciclo positivo

Durante este período, não há resistência em D1, então ele causa um curto-circuito e carrega o capacitor C1. No entanto, D2 atua como um circuito aberto devido à sua alta resistência. Portanto, C2 não é cobrado.

Usando a lei de Kirchhoff,

Vm – Vc1 =0

Portanto, Vc1 =Vm

No meio ciclo negativo, D1 fica com polarização reversa, mas a polaridade direta polariza D2.

Polaridade do circuito duplicador de tensão CC de onda completa durante o meio ciclo negativo

Aplicando a lei de Kirchhoff,

-Vm + Vc2 =0

Então Vc2 =Vm

Lembre-se, C1 foi carregado no ciclo anterior, então ambos estão na tensão de pico Vm. Portanto, se você conectar uma carga em ambos os capacitores, obterá 2Vm.

Qual ​​é a diferença?

Se você observar as equações, elas são um pouco semelhantes, então qual é a diferença entre um dobrador de tensão de meia onda e de onda completa?

O primeiro carrega o capacitor C1 durante o primeiro ciclo e o descarrega durante o segundo ciclo. Isso cria o problema de produzir uma tensão de ondulação igual à frequência de alimentação, dificultando a suavização da frequência de ondulação. Portanto, a curva de tensão de saída não é muito suave.

Diagrama de tensão de ondulação antes e depois da suavização

Fonte:Wikipédia

No entanto, um dobrador de tensão de onda completa age mais como dois retificadores de meia onda. Portanto, a curva de tensão de saída é mais suave.

Vale a pena notar que tanto com circuitos de meia onda quanto de onda completa, temos que assumir que os capacitores C1 e C2 não têm carga inicialmente.

Aplicações do dobrador de tensão

• Bombas de íons
• CRT de televisão
• Sistemas de raios-X
• Máquina copiadora
• Equipamento de radar
• Tubos de ondas viajantes
• Fornos de microondas
• Aniquiladores de insetos

Resumo

Em conclusão, os dobradores de tensão são circuitos vitais em muitos dispositivos porque são baratos de fabricar e não pesam tanto quanto os transformadores.

Dito isto, os circuitos transformador-retificador produzem curvas de tensão de saída CC muito mais suaves, mas considerando os prós e contras de cada um, os dobradores de tensão têm a vantagem.

Além disso, você pode adicionar circuitos de filtro ao duplicador para suavizar a saída para corresponder a uma combinação de transformador-retificador.

Se você precisa dos componentes para fazer esses circuitos, entre em contato conosco para obtê-los a preços imbatíveis e acessíveis.