Duplicador de tensión

Un duplicador de tensión es un circuito electrónico que carga condensadores con una tensión de entrada y alterna dichas cargas de modo que, en el caso ideal, se produce exactamente el doble de la tensión de entrada en la de salida.

La forma más simple de este tipo de circuitos es un rectificador que toma una tensión de CA como entrada y produce un voltaje de salida con el doble de amplitud del de entrada pero de CD. Los elementos que causan la conmutación son diodos que se accionan al recibir la tensión alterna de entrada. Los duplicadores de tensión CD a CD no operan de este modo, por lo que requieren de un circuito diferente que controle la conmutación. En dicho caso, comúnmente se requiere de un elemento que ocasione la conmutación que pueda ser controlado directamente, como un transistor.

Los duplicadores de tensión constituyen una variante de un circuito tipo multiplicador, y muchos de ellos –pero no todos– pueden considerarse una etapa de un multiplicador de orden mayor. En efecto, colocar etapas idénticas de duplicadores en cascada provoca una tensión de salida de mayor magnitud.

Duplicadores rectificadores

Circuito de Villard

 

Figura 1. Circuito de Villard.

El circuito de Villard, nombrado en honor a Paul Ulrich Villard,^{[p 1]}​ consiste únicamente en un condensador y un diodo. Si bien el circuito posee el beneficio de ser simple, el voltaje de salida presenta un rizado pobre. Este circuito es esencialmente un clamper de diodos. El condensador se carga en los semiciclos negativos del voltaje de CA (V_p). La salida es la superposición del voltaje alterno de entrada y el voltaje continuo del condensador. Los picos negativos de la forma de onda de CA se fijan a 0 V (en realidad, se fijan a la pequeña tensión del diodo −V_F) gracias al diodo, por lo que los picos positivos de la tensión de salida es la suma del voltaje V_p y del condensador, lo que resulta en 2V_p. El rizado pico a pico resultante es de 2V_p y no se puede suavizar a menos que se adapte el circuito a una forma de duplicador más sofisticada.^[1]​

Circuito de Greinacher

 

Figura 2. Circuito Greinacher.

El duplicador de voltaje de Greinacher constituye una mejora considerable del circuito de Villard al añadírsele otros componentes. En este tipo de circuito se reduce el rizado, el cual es nominalmente cero bajo condiciones de carga de circuito abierto, pero cuando se succiona corriente entonces depende de la resistencia de la carga y el valor de los condensadores empleados. Esta variante de duplicador emplea una etapa de la forma Villard y le agrega a esta una celda de detector de picos o bien de detector de envolvente. El efecto del detector de picos se aprecia al eliminar la mayor parte del rizado mientras que se preserva el voltaje pico a la salida. Al circuito Greinacher también se le conoce como duplicador de tensión de media onda.^[2]​

 

Figura 3. Un cuadriplicador de tensión (dos celdas Greinacher de polaridades opuestas).

Heinrich Greinacher inventó el circuito en 1913 (aunque lo publicó en 1914^{[p 2]}​), esto al obtener un voltaje de 200–300 V para su recién inventado ionómetro a partir de los 110 V de CA suministrados por las estaciones eléctricas de Zúrich, los cuales no le eran suficientes.^[3]​ En 1920 desarrolló esta idea para multiplicadores en cascada,^{[p 3]}​^[4]​^{[p 4]}​, un concepto llamado «cascada de celdas de Greinacher» pero que frecuente y erróneamente es referido como «cascada de Villard». También se le conoce como multiplicador de Cockcroft–Walton debido al acelerador de partículas construido por John Cockcroft y Ernest Walton, quienes descubrieron el circuito por su cuenta en 1932.^{[p 5]}​^[5]​

El concepto del duplicador de esta topología puede extenderse a un cuadriplicador al emplear dos celdas Greinacher de polaridades opuestas que reciben la misma onda de CA. La salida está conformada por las dos salidas individuales de cada celda. Así como sucede con un circuito puente, es imposible aterrizar la entrada y salida del circuito simultáneamente.^[6]​

Circuito puente

 

Figura 4. Duplicador de voltaje tipo puente (Delon).

El circuito de Delon utiliza una topología puente para duplicar tensión, razón por la que se le conoce como duplicador de tensión de onda completa.^[2]​ Este tipo de circuito era comúnmente encontrado en televisiones de tubo de rayos catódicos, con la función de proveer un suministro de alta tensión eléctrica. El hecho de generar voltajes superiores a 5 kV con un transformador acarrea problemas de seguridad en términos de equipo doméstico, y en muchos de los casos es antieconómico. No obstante, las televisiones en blanco y negro requerían de altas tensiones eléctricas del orden de 10 kV, y las de color requerían de un voltaje aun mayor. Así es cuando comenzaron a emplearse los duplicadores, ya sea para aumentar al doble el voltaje en un devanado del transformador o bien para el voltaje de los devanados flyback de la línea.^[7]​

El circuito consiste en dos detectores de pico de media onda y funciona al igual que una celda de detector de picos en el circuito de Greinacher. Cada una de las celdas de detectores de pico opera en semiciclos opuestos de la onda entrante. Dado que las salidas están colocadas en serie, la salida es el doble del valor pico del voltaje de entrada.

Véase también

• Convertidor Boost
• Convertidor Buck-Boost
• Convertidor DC a DC
• Convertidor flyback

Referencias

1. Kind y Feser, 2001, p. 28
2. • Earl Gates (2011). Introduction to Electronics. Cengage Learning. pp. 283-284. ISBN 1-111-12853-7. 
   • James F. Cox (2002). Fundamentals of Linear Electronics: Integrated and Discrete. Cengage Learning. pp. 42-43. ISBN 0-7668-3018-7. 
   • Robert Diffenderfer (2005). Electronic Devices: Systems and Applications. Cengage Learning. p. 135. ISBN 1-4018-3514-7. 
3. Mehra, p. 284
4. Kind y Feser, 2001, p. 29
5. Kind y Feser, 2001, p. 30
6. Ryder, 1970, p. 107
7. Kories and Schmidt-Walter, p.615
   Millman y Halkias, p. 109
   Wharton y Howorth, pp. 68–69

Bibliografía

• Ahmed, Syed Imran Pipelined ADC Design and Enhancement Techniques, Springer, 2010 ISBN 90-481-8651-X.
• Bassett, R. J.; Taylor, P. D. (2003), «17. Power Semiconductor Devices», Electrical Engineer's Reference Book, Newnes, pp. 17/1-17/37, ISBN 0-7506-4637-3 .
• Campardo, Giovanni; Micheloni, Rino; Novosel, David VLSI-design of Non-volatile Memories, Springer, 2005 ISBN 3-540-20198-X.
• Kind, Dieter; Feser, Kurt (2001), translator Y. Narayana Rao, ed., High-voltage Test Techniques, Newnes, ISBN 0-7506-5183-0 .
• Kories, Ralf; Schmidt-Walter, Heinz Taschenbuch der Elektrotechnik: Grundlagen und Elektronik, Deutsch Harri GmbH, 2004 ISBN 3-8171-1734-5.
• Liou, Juin J.; Ortiz-Conde, Adelmo; García-Sánchez, F. Analysis and Design of MOSFETs, Springer, 1998 ISBN 0-412-14601-0.
• Liu, Mingliang (2006), Demystifying Switched Capacitor Circuits, Newnes, ISBN 0-7506-7907-7 .
• McComb, Gordon Gordon McComb's gadgeteer's goldmine!, McGraw-Hill Professional, 1990 ISBN 0-8306-3360-X.
• Mehra, J; Rechenberg, H The Historical Development of Quantum Theory, Springer, 2001 ISBN 0-387-95179-2.
• Millman, Jacob; Halkias, Christos C. Integrated Electronics, McGraw-Hill Kogakusha, 1972 ISBN 0-07-042315-6.
• Peluso, Vincenzo; Steyaert, Michiel; Sansen, Willy M. C. Design of Low-voltage Low-power CMOS Delta-Sigma A/D Converters, Springer, 1999 ISBN 0-7923-8417-2.
• Ryder, J. D. (1970), Electronic Fundamentals & Applications, Pitman Publishing, ISBN 0-273-31491-2 .
• Wharton, W.; Howorth, D. Principles of Television Reception, Pitman Publishing, 1971 ISBN 0-273-36103-1.
• Yuan, Fei CMOS Circuits for Passive Wireless Microsystems, Springer, 2010 ISBN 1-4419-7679-5.
• Zumbahlen, Hank Linear Circuit Design Handbook, Newnes, 2008 ISBN 0-7506-8703-7.

Fuentes primarias

1. Villard, P. (1901), «Transformateur à haut voltage. A survolteur cathodique» [High-voltage transformer. Cathodic voltage booster], Journal de Physique Théorique et Appliquée, 4ta (en francés) 10: 28-32, doi:10.1051/jphystap:019010010002801 .. El elevador de voltaje de Villard aparece en la figura 1 en la página 31.
2. Greinacher, H. (1914), «Das Ionometer und seine Verwendung zur Messung von Radium- und Röntgenstrahlen» [The ionometer and its application to the measurement of radium- and Röntgen rays], Physikalische Zeitschrift (en alemán) 15: 410-415 .. El duplicador de voltaje de Greinacher aparece en la figura 4 de la página 412. Greinacher utilizó recitifacdores químicos (electrolíticos), denotados con una "Z" (letra que refiere a las celdas de Zellen).
3. Greinacher, H. (1921), «Über eine Methode, Wechselstrom mittels elektrischer Ventile und Kondensatoren in hochgespannten Gleichstrom umzuwandeln» [On a method to transform a.c. current via electrical diodes and capacitors into high-voltage d.c. current], Zeitschrift für Physik (en alemán) 4 (2): 195-205, doi:10.1007/bf01328615 .
4. En 1919, un año antes de que Greinacher publicara su multiplicador de tensión, el alemán Moritz Schenkel publicó un multiplicador de tensión de múltiples etapas.
   • Schenkel, Moritz (10 de julio de 1919), «Eine neue Schaltung für die Erzeugung hoher Gleichspannungen» [A new circuit for the creation of high d.c. voltages], Elektrotechnische Zeitschrift (en alemán) 40 (28): 333-344 .
   • Una versión sintetizada del artículo de Schenkel —con una ilustración del circuito— apareció en: "Eine neue Schaltung für die Erzeugung hoher Gleichspannungen," Polytechnische Schau, 334 : 203-204 (1919). Disponible en línea en: Polytechnisches Journal.
5. Cockcroft, J. D.; Walton, E. T. S. (1932), «Experiments with high velocity positive ions. (1) Further developments in the method of obtaining high velocity positive ions», Proceedings of the Royal Society A 136: 619-630, doi:10.1098/rspa.1932.0107 .

•   Datos: Q117903
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