Duplicador de voltaje - Voltage doubler
Un duplicador de voltaje es un circuito electrónico que carga condensadores desde el voltaje de entrada y conmuta estas cargas de tal manera que, en el caso ideal, se produce exactamente el doble de voltaje en la salida que en su entrada.
El más simple de estos circuitos es una forma de rectificador que toma un voltaje de CA como entrada y produce un voltaje de CC duplicado. Los elementos de conmutación son diodos simples y son impulsados al estado de conmutación simplemente por la tensión alterna de la entrada. Los duplicadores de voltaje de CC a CC no pueden conmutar de esta manera y requieren un circuito de activación para controlar la conmutación. Con frecuencia también requieren un elemento de conmutación que se pueda controlar directamente, como un transistor , en lugar de depender del voltaje a través del interruptor como en el caso simple de CA a CC.
Los duplicadores de voltaje son una variedad de circuitos multiplicadores de voltaje . Muchos, pero no todos, los circuitos duplicadores de voltaje pueden verse como una sola etapa de un multiplicador de orden superior: la conexión en cascada de etapas idénticas juntas logra una mayor multiplicación de voltaje.
Rectificadores de duplicación de voltaje
Circuito de villard
El circuito de Villard , concebido por Paul Ulrich Villard , consta simplemente de un condensador y un diodo. Si bien tiene el gran beneficio de la simplicidad, su salida tiene características de ondulación muy pobres . Esencialmente, el circuito es un circuito de abrazadera de diodo . El capacitor se carga en los semiciclos negativos hasta el voltaje de CA pico ( V pk ). La salida es la superposición de la forma de onda de CA de entrada y la CC constante del condensador. El efecto del circuito es cambiar el valor de CC de la forma de onda. Los picos negativos de la forma de onda de CA se "fijan" a 0 V (en realidad - V F , la pequeña tensión de polarización directa del diodo) por el diodo, por lo que los picos positivos de la forma de onda de salida son 2 V pk . La ondulación de pico a pico es un pk enorme de 2 V y no se puede suavizar a menos que el circuito se convierta efectivamente en una de las formas más sofisticadas. Este es el circuito (con diodo invertido) que se utiliza para suministrar el alto voltaje negativo para el magnetrón en un horno de microondas.
Circuito Greinacher
El duplicador de voltaje Greinacher es una mejora significativa sobre el circuito Villard por un pequeño costo en componentes adicionales. La ondulación se reduce mucho, nominalmente cero en condiciones de carga de circuito abierto, pero cuando se extrae corriente depende de la resistencia de la carga y del valor de los condensadores utilizados. El circuito funciona siguiendo una etapa de celda de Villard con lo que es en esencia un detector de picos o una etapa de detector de envolvente . La celda del detector de picos tiene el efecto de eliminar la mayor parte de la ondulación mientras conserva el voltaje pico en la salida. El circuito de Greinacher también se conoce comúnmente como duplicador de voltaje de media onda .
Este circuito fue inventado por primera vez por Heinrich Greinacher en 1913 (publicado en 1914) para proporcionar los 200-300 V que necesitaba para su ionómetro recién inventado , siendo insuficientes los 110 V CA suministrados por las centrales eléctricas de Zúrich de la época. Más tarde, extendió esta idea a una cascada de multiplicadores en 1920. Esta cascada de células de Greinacher a menudo se denomina de manera inexacta una cascada de Villard. También se le llama multiplicador de Cockcroft-Walton en honor a la máquina aceleradora de partículas construida por John Cockcroft y Ernest Walton , quienes descubrieron independientemente el circuito en 1932. El concepto en esta topología se puede extender a un circuito cuadriplicador de voltaje usando dos celdas Greinacher opuestas polaridades impulsadas por la misma fuente de CA. La salida se toma a través de las dos salidas individuales. Al igual que con un circuito puente, es imposible conectar a tierra simultáneamente la entrada y la salida de este circuito.
Circuito de Delon
El circuito Delon utiliza una topología de puente para duplicar el voltaje; en consecuencia, también se le llama duplicador de voltaje de onda completa . Esta forma de circuito, en un momento, se encontraba comúnmente en los televisores de tubo de rayos catódicos donde se usaba para proporcionar un suministro de tensión extra alta (EHT). Generar tensiones superiores a 5 kV con un transformador tiene problemas de seguridad en términos de equipos domésticos y, en cualquier caso, no es rentable. Sin embargo, los televisores en blanco y negro requerían un eht de 10 kV y los de color aún más. Se usaron duplicadores de voltaje para duplicar el voltaje en un devanado eht en el transformador de red o se aplicaron a la forma de onda en las bobinas de retorno de línea .
El circuito consta de dos detectores de picos de media onda, que funcionan exactamente de la misma manera que la celda del detector de picos en el circuito de Greinacher. Cada una de las dos celdas detectoras de picos opera en semiciclos opuestos de la forma de onda entrante. Dado que sus salidas están en serie, la salida es el doble del voltaje de entrada máximo.
Circuitos de condensadores conmutados
Es posible utilizar los circuitos simples de diodo-condensador descritos anteriormente para duplicar el voltaje de una fuente de CC precediendo al duplicador de voltaje con un circuito de interruptor . En efecto, esto convierte la CC en CA antes de la aplicación al duplicador de voltaje. Se pueden construir circuitos más eficientes accionando los dispositivos de conmutación desde un reloj externo para que ambas funciones, el corte y la multiplicación, se logren simultáneamente. Estos circuitos se conocen como circuitos de condensadores conmutados . Este enfoque es especialmente útil en aplicaciones alimentadas por baterías de bajo voltaje donde los circuitos integrados requieren un suministro de voltaje mayor que el que puede proporcionar la batería. Con frecuencia, una señal de reloj está disponible a bordo del circuito integrado y se necesita poca o ninguna circuitería adicional para generarla.
Conceptualmente, quizás la configuración de condensadores conmutados más simple es la que se muestra esquemáticamente en la figura 5. Aquí dos condensadores se cargan simultáneamente al mismo voltaje en paralelo. A continuación, se desconecta la alimentación y los condensadores se conectan en serie. La salida se toma de los dos condensadores en serie, lo que da como resultado una salida que duplica la tensión de alimentación. Hay muchos dispositivos de conmutación diferentes que podrían usarse en un circuito de este tipo, pero en los circuitos integrados se emplean con frecuencia dispositivos MOSFET .
Otro concepto básico es la bomba de carga , una versión de la cual se muestra esquemáticamente en la figura 6. El condensador de la bomba de carga, C P , se carga primero al voltaje de entrada. Luego se cambia para cargar el condensador de salida, C O , en serie con el voltaje de entrada, lo que hace que C O finalmente se cargue al doble del voltaje de entrada. Puede tomar varios ciclos antes de la bomba de carga tiene éxito en completamente la carga C O pero después de estado estacionario se ha alcanzado sólo es necesario para C P para bombear una pequeña cantidad de carga equivalente a la que se suministra a la carga de C O . Mientras C O está desconectado de la bomba de carga, se descarga parcialmente en la carga, lo que produce una ondulación en el voltaje de salida. Esta ondulación es menor para frecuencias de reloj más altas, ya que el tiempo de descarga es más corto y también es más fácil de filtrar. Alternativamente, los condensadores se pueden hacer más pequeños para una especificación de ondulación determinada. La frecuencia de reloj máxima práctica en circuitos integrados es típicamente de cientos de kilohercios.
Bomba de carga Dickson
La bomba de carga de Dickson, o multiplicador de Dickson , consiste en una cascada de celdas de diodo / capacitor con la placa inferior de cada capacitor impulsada por un tren de pulsos de reloj . El circuito es una modificación del multiplicador Cockcroft-Walton pero toma una entrada de CC con los trenes de reloj que proporcionan la señal de conmutación en lugar de la entrada de CA. El multiplicador de Dickson normalmente requiere que las celdas alternas sean impulsadas por pulsos de reloj de fase opuesta. Sin embargo, dado que un duplicador de voltaje, que se muestra en la figura 7, requiere solo una etapa de multiplicación, solo se requiere una señal de reloj.
El multiplicador de Dickson se emplea con frecuencia en circuitos integrados donde el voltaje de suministro (de una batería, por ejemplo) es menor que el requerido por los circuitos. Es ventajoso en la fabricación de circuitos integrados que todos los componentes semiconductores sean básicamente del mismo tipo. Los MOSFET son comúnmente el bloque lógico estándar en muchos circuitos integrados. Por esta razón, los diodos a menudo se reemplazan por este tipo de transistor, pero están conectados para funcionar como un diodo, una disposición llamada MOSFET cableado por diodos. La Figura 8 muestra un duplicador de voltaje de Dickson que utiliza MOSFET de tipo de mejora de canal n cableado por diodos.
Hay muchas variaciones y mejoras en la bomba de carga básica de Dickson. Muchos de ellos están relacionados con la reducción del efecto del voltaje de la fuente de drenaje del transistor. Esto puede ser muy significativo si el voltaje de entrada es pequeño, como una batería de bajo voltaje. Con elementos de conmutación ideales, la salida es un múltiplo integral de la entrada (dos para un duplicador), pero con una batería de una sola celda como fuente de entrada y los interruptores MOSFET, la salida será mucho menor que este valor, ya que se perderá gran parte del voltaje. a través de los transistores. Para un circuito que usa componentes discretos, el diodo Schottky sería una mejor opción de elemento de conmutación por su caída de voltaje extremadamente baja en el estado encendido. Sin embargo, los diseñadores de circuitos integrados prefieren utilizar el MOSFET fácilmente disponible y compensar sus deficiencias con una mayor complejidad del circuito.
Como un ejemplo, una batería alcalina de celda tiene una tensión nominal de 1,5 V . Un voltaje doblador utilizando elementos de conmutación ideales con la salida gota voluntad voltaje cero dobles Esta, a saber, 3,0 V . Sin embargo, la caída de tensión de drenaje-fuente de un MOSFET diodo-cableado cuando está en el estado encendido debe ser al menos el voltaje de umbral de la puerta que normalmente podría ser 0,9 V . Esta tensión "doblador" sólo tendrá éxito en el aumento de la tensión de salida en alrededor de 0,6 V a 2,1 V . Si también se tiene en cuenta la caída a través del transistor de suavizado final, es posible que el circuito no pueda aumentar el voltaje en absoluto sin usar múltiples etapas. Un diodo Schottky típico, por otro lado, podría tener un voltaje en estado de 0,3 V . Un duplicador de uso de este diodo Schottky se traducirá en una tensión de 2,7 V , o en la salida después de que el diodo de suavizado, 2,4 V .
Condensadores conmutados de acoplamiento cruzado
Los circuitos de condensadores conmutados de acoplamiento cruzado se destacan por sus voltajes de entrada muy bajos. Los equipos inalámbricos que funcionan con baterías, como buscapersonas, dispositivos bluetooth y similares, pueden requerir una batería de una sola celda para continuar suministrando energía cuando se ha descargado por debajo de un voltio.
Cuando el reloj está bajo, el transistor Q 2 se apaga. Al mismo tiempo, el reloj está alto al encender el transistor Q 1, lo que hace que el condensador C 1 se cargue a V in . Cuando sube, la placa superior de C 1 se empuja hacia arriba dos veces V in . Al mismo tiempo, el interruptor S 1 se cierra, por lo que este voltaje aparece en la salida. Al mismo tiempo, Q 2 se enciende, lo que permite que C 2 se cargue. En el siguiente medio ciclo, los roles se invertirán: será bajo, será alto, S 1 se abrirá y S 2 se cerrará. Por lo tanto, la salida se suministra con 2 V en alternativamente de cada lado del circuito.
La pérdida es baja en este circuito porque no hay MOSFET cableados por diodos y sus problemas de voltaje de umbral asociados. El circuito también tiene la ventaja de que la frecuencia de ondulación se duplica porque efectivamente hay dos duplicadores de voltaje, ambos suministrando la salida de relojes fuera de fase. La principal desventaja de este circuito es que las capacitancias parásitas son mucho más significativas que con el multiplicador de Dickson y representan la mayor parte de las pérdidas en este circuito.
Ver también
Referencias
Bibliografía
- Ahmed, Syed Imran Pipelined ADC Design and Enhancement Techniques , Springer, 2010 ISBN 90-481-8651-X .
- Bassett, RJ; Taylor, PD (2003), "17. Dispositivos semiconductores de potencia", Libro de referencia del ingeniero eléctrico , Newnes, págs. 17 / 1–17 / 37, ISBN 0-7506-4637-3
- Campardo, Giovanni; Micheloni, Rino; Novosel, David VLSI-diseño de memorias no volátiles , Springer, 2005 ISBN 3-540-20198-X .
- Amable, Dieter; Feser, Kurt (2001), traductor 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. Análisis y diseño de MOSFETs , Springer, 1998 ISBN 0-412-14601-0 .
- Liu, Mingliang (2006), Desmitificación de circuitos de condensadores conmutados , Newnes, ISBN 0-7506-7907-7
- McComb, ¡la mina de oro del gadgeteer de Gordon Gordon McComb! , McGraw-Hill Professional, 1990 ISBN 0-8306-3360-X .
- Mehra, J; Rechenberg, H El desarrollo histórico de la teoría cuántica , 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 MC Diseño de convertidores A / D CMOS Delta-Sigma de bajo voltaje y bajo consumo , Springer, 1999 ISBN 0-7923-8417-2 .
- Ryder, JD (1970), Fundamentos y aplicaciones electrónicas , Pitman Publishing, ISBN 0-273-31491-2
- Wharton, W .; Howorth, D. Principios de recepción de televisión , Pitman Publishing, 1971 ISBN 0-273-36103-1 .
- Yuan, Circuitos Fei CMOS para microsistemas inalámbricos pasivos , Springer, 2010 ISBN 1-4419-7679-5 .
- Zumbahlen, Hank Linear Circuit Design Handbook , Newnes, 2008 ISBN 0-7506-8703-7 .