O dispositivo de circuito eletrônico usado para aumentar a tensão em uma ordem de 2x carregando os capacitores de uma tensão de entrada mais baixa é conhecido como duplicador de tensão.
A corrente de carga é comutada de forma que, em qualquer situação ideal, a tensão de saída seja exatamente duas vezes maior que a tensão de entrada.
Multiplicador de tensão mais simples usando diodos
A forma mais simples do circuito de duplicação de tensão é um tipo de retificador que recebe a entrada na forma de tensão de corrente alternada (CA) e produz uma magnitude dupla de tensão (CC) como sua saída.
Diodos simples são usados como elementos de comutação e uma entrada na forma de uma tensão alternada simples é usada para acionar esses diodos em um estado comutado.
É necessário um circuito de disparo adicional para controlar a velocidade de comutação, caso os duplicadores de tensão utilizados sejam do tipo CC para CC, pois não podem ser comutados da maneira acima.
Os circuitos conversores de tensão CC para CC na maioria das vezes requerem outro dispositivo adicional chamado elemento de comutação que pode ser controlada de maneira fácil e direta como um transistor.
Portanto, quando você usa um elemento de comutação, não precisa depender da tensão presente no comutador, como é o caso em uma forma simples de CA para CC.
O duplicador de tensão é um tipo de circuito multiplicador de tensão. A maioria dos circuitos de duplicação de tensão, com poucas exceções, pode ser vista na forma de um multiplicador de ordem superior de estágio único. Além disso, é alcançada uma quantidade maior de multiplicação de tensão quando há estágios em cascata idênticos que são usados juntos.
Circuito Villard
O circuito de Villard tem uma composição simples que consiste em um diodo e um capacitor. Por um lado, onde o circuito de Villard oferece benefícios em termos de simplicidade, por outro lado, também é conhecido por produzir uma saída com características de ondulação consideradas muito ruins.
Figura 1. Circuito Villard
Essencialmente, o circuito de Villard é uma forma de circuito de braçadeira de diodo. Ciclos altos negativos são usados para carregar o capacitor na tensão de pico CA (Vpk). A forma de onda CA como entrada, juntamente com a sobreposição constante de CC do capacitor, forma a saída.
O valor DC da forma de onda é alterado usando o efeito do circuito nela. Como o diodo submete os picos negativos da forma de onda CA ao valor de 0V (em termos reais, é –VF, que é a pequena tensão de polarização direta do diodo); os picos positivos da forma de onda de saída são 2Vpk.
É difícil suavizar pico a pico, pois possui um tamanho enorme do valor de 2Vpk e, portanto, só pode ser suavizado quando o circuito é transformado em qualquer outra forma mais sofisticada com eficiência.
A alta tensão negativa é fornecida ao magnetron usando este circuito (que consiste em um diodo ao contrário) em um forno de microondas.
Circuito de Greinacher
O dobrador de tensão Greinarcher provou ser melhor que o circuito Villard, melhorando-se significativamente adicionando alguns componentes adicionais por um pequeno custo.
Sob a condição de carga em circuito aberto, observa-se que a ondulação é bastante reduzida, na maioria das vezes para um estado zero; mas a resistência da carga e o valor do capacitor usado desempenham um papel importante e afetam a corrente que está sendo consumida.
Figura 2. Circuito Greinacher
O estágio da célula Villard é seguido pelo circuito para operar usando um estágio de detector de envelope ou um detector de pico.
O efeito do detector de pico é tal que grande parte da ondulação é removida enquanto a saída de pico de tensão permanece como tal.
Heinrich Greinacher foi a primeira pessoa a inventar esse circuito em 1913 (que foi publicado em 1914) para fornecer a tensão de 200-300V necessária para seu ionômetro, que foi novamente uma nova invenção para ele.
A exigência de inventar esse circuito para obter tanta tensão surgiu porque a energia fornecida pelas centrais de Zurique era de apenas 110 V CA e, portanto, insuficiente.
Heinrich desenvolveu essa idéia ainda mais em 1920 e a ampliou para criar uma cascata de multiplicadores. Na maioria das vezes, essa cascata de multiplicadores inventada por Heinrich Greinacher é chamada de cascata Villard, que é imprecisa e não é verdadeira.
Essa cascata de multiplicadores também é conhecida como Cockroft-Walton, depois dos cientistas John Cockroft e Ernest Walton, que construíram a máquina do acelerador de partículas e redescobriram independentemente o circuito em 1932.
O uso de duas células Greinacher que possuem polaridades opostas, mas que são acionadas da mesma fonte CA, pode estender o conceito desse tipo de topologia para um circuito de tensão quádrupla.
As duas saídas individuais são usadas para eliminar a saída através delas. Aterrar a entrada e a saída simultaneamente neste circuito é bastante impossível, como é o caso de um circuito em ponte.
Circuito ponte
O tipo de topologia usada por um circuito Delon para dobrar a tensão é conhecida como topologia de ponte.
Um dos usos comuns desse tipo de circuito Delon foi encontrado nas televisões de tubo de raios catódicos. O circuito Delon nesses televisores foi usado para fornecer o e.h.t. alimentação de tensão.
Figura 3: Tensão quádrupla: duas células Greinacher de polaridades opostas
Existem muitos riscos e problemas de segurança associados à geração de tensões superiores a 5 kV, além de serem altamente não econômicos em um transformador, principalmente em equipamentos domésticos.
Mas um e.h.t. 10kV é um requisito básico para televisores preto e branco, enquanto televisores coloridos exigem ainda mais e.h.t.
Existem diferentes maneiras e meios pelos quais o e.h.t. Tais dimensões são alcançadas, tais como: dobrando a tensão no transformador de rede dentro de um enrolamento e.h.t usando dobradores de tensão; ou aplicando duplicadores de tensão na forma de onda nas bobinas de retorno da linha.
Os dois detectores de pico consistindo em meia onda dentro de um circuito são funcionalmente semelhantes às células detectoras de pico encontradas no circuito Greinacher.
Os semi-ciclos opostos entre si da forma de onda de entrada são usados para operar por cada uma das duas células detectoras de pico. A saída é sempre considerada duas vezes a tensão de entrada de pico, uma vez que as saídas produzidas por elas são em série.
Figura 4. Duplicador de tensão em ponte (Delon)
Circuitos de capacitores comutados
A voltagem de uma fonte DC pode ser dobrada usando circuitos diodo-capacitor bastante simples e foram descritos na seção anterior precedendo o duplicador de voltagem com o uso de um circuito chopper.
Portanto, isso é eficaz na conversão de CC para CA antes de passar pelo duplicador de tensão. Para obter e construir circuitos mais eficientes, os dispositivos de comutação são operados a partir de um relógio externo que é eficiente em sua operação, tanto em termos de corte quanto de multiplicação, e pode ser alcançado simultaneamente.
Figura 5.
A duplicação de voltagem do capacitor comutado é conseguida simplesmente mudando os capacitores carregados de paralelo para série. Esses tipos de circuitos são conhecidos como circuitos de capacitores comutados.
Aplicações de baixa voltagem são aplicações que fazem uso especial dessa abordagem, pois os circuitos integrados exigem que uma quantidade específica de voltagem seja fornecida além do que a bateria pode realmente fornecer ou produzir.
Na maioria dos casos, sempre existe a disponibilidade de um sinal de relógio a bordo do circuito integrado e, portanto, isso torna desnecessário ter outro circuito adicional ou apenas um pequeno circuito é necessário para gerá-lo.
Portanto, o diagrama na Figura 5 mostra esquematicamente a forma mais simples de configuração do capacitor comutado. Neste diagrama, existem dois capacitores que foram carregados na mesma tensão simultaneamente em paralelo.
Poste isso; os capacitores são trocados em série após a alimentação ser desligada. Portanto, a tensão de saída produzida é o dobro da tensão de alimentação ou de entrada, caso a saída seja derivada dos dois capacitores da série.
Existem vários tipos diferentes de dispositivos de comutação que podem ser usados nesses circuitos, mas os dispositivos MOSFET são os dispositivos de comutação mais amplamente utilizados para circuitos integrados.
Figura 6. Esquema do dobrador de tensão da bomba de carga
O diagrama da Figura 6 mostra esquematicamente um dos outros conceitos básicos da “Bomba de carga”. A tensão de entrada é usada para carregar o Cp, o capacitor da bomba de carga, primeiro.
Depois disso, o capacitor de saída, C0, é carregado alterando-se em série com a tensão de entrada, resultando no carregamento de C0 duas vezes a quantidade de tensão de entrada. Para carregar C0 com sucesso, a bomba de carga pode demorar muitos ciclos.
Porém, uma vez adquirido um estado estacionário, a única coisa essencial para o capacitor da bomba de carga, Cp, é bombear a carga em pequenas quantidades, o que é equivalente à carga fornecida pelo condensador de saída, C0 ao carga.
Uma onda é formada na tensão de saída quando C0 é parcialmente descarregado na carga enquanto desconectado da bomba de carga. Essa onda formada neste processo tem a característica de um tempo de descarga mais curto e mais fácil de filtrar e, portanto, essas características as tornam menores para frequências de clock mais altas.
Portanto, para qualquer ondulação específica, os capacitores podem ser reduzidos. A quantidade máxima de freqüência do relógio para todos os fins práticos em circuitos integrados geralmente cai na faixa de centenas de kHz.
Dickson Charge Pump
A Dickson Charge Pump, também conhecida como Dickson Multiplier, consiste em uma cascata de células de diodo / capacitor, onde um trem de pulsos de clock aciona a placa inferior de cada um dos capacitores.
O circuito é considerado uma modificação do multiplicador Cockcroft-Walton, mas com a única exceção de que o sinal de comutação é fornecido pela entrada CC com trens de relógio em vez de uma entrada CA, como é o caso do multiplicador de Cockcroft-Walton.
O requisito básico de um multiplicador de Dickson é que os pulsos do relógio das fases opostas entre si conduzam as células alternativas. Porém, no caso de um dobrador de tensão, representado na Figura 7, apenas um único sinal de clock é necessário, pois existe apenas um estágio de multiplicação.
Figura 7. Duplicador de tensão da bomba de carga Dickson
Os circuitos nos quais os multiplicadores de Dickson são usados principalmente e geralmente são circuitos integrados, nos quais a tensão de alimentação, como a de qualquer bateria, é menor do que a requerida pelos circuitos.
O fato de todos os semicondutores usados nisso serem basicamente similares atua como uma vantagem para os fabricantes do circuito integrado.
O bloco lógico padrão encontrado e usado com mais frequência em muitos circuitos integrados são os dispositivos MOSFET.
Essa é uma das razões pelas quais os diodos são frequentemente substituídos por transistores desse tipo, mas também são conectados a uma função em forma de diodo.
Esse arranjo também é conhecido como MOSFET com cabo de diodo. O diagrama da Figura 8 mostra um duplicador de tensão de Dickson usando esse tipo de dispositivo MOSFET de aprimoramento de canal n de cabo de diodo.
Figura 8. Dobrador de tensão de Dickson usando MOSFETs com fio de diodo
O formato básico da bomba de carga Dickson passou por muitas melhorias e variações. A maioria dessas melhorias está na área de redução do efeito produzido pela tensão da fonte de drenagem do transistor. Essa melhoria é considerada significativa no caso de a tensão de entrada ser pequena, como no caso de uma bateria de baixa tensão.
A tensão de saída é sempre um múltiplo integral da tensão de entrada (duas vezes no caso de um dobrador de tensão) quando elementos de comutação ideais são usados.
Porém, no caso de uma bateria de célula única ser usada como fonte de entrada em conjunto com os comutadores MOSFET, a saída nesses casos é muito menor que esse valor, pois haverá uma queda de tensão nos transistores.
Devido à queda de tensão extremamente baixa no estado ligado de um circuito usando componentes discretos, o diodo Schottky é considerado uma boa opção como elemento de comutação.
Mas os projetistas de circuitos integrados preferem usar o MOSFET, uma vez que é mais facilmente disponível, o que compensa a presença de deficiências e alta complexidade no circuito presente nos dispositivos MOSFET.
Para ilustrar isso, vamos dar um exemplo: uma tensão nominal de ajuste de 1,5V está presente em uma bateria alcalina.
A saída pode ser dobrada para 3,0V usando um dobrador de tensão, juntamente com os elementos de comutação ideais que possuem queda de tensão zero.
Mas a queda de tensão da fonte de drenagem do MOSFET com diodo quando no estado ligado deve ser pelo menos igual à tensão de limiar do portão, que geralmente é de 0,9V.
O dobrador de tensão pode aumentar com êxito a tensão de saída apenas em cerca de 0,6V a 2,1V.
O aumento de tensão no circuito não pode ser alcançado sem o uso de vários estágios, caso a queda no transistor de suavização final também seja considerada e contabilizada.
Por outro lado, a tensão do estágio de um diodo Schottky típico é de 0,3 V. A tensão de saída produzida por um duplicador de tensão estará na faixa de 2,7V se você usar um diodo Schottky ou 2,4V se você usar um diodo de suavização.
Capacitores de acoplamento cruzado comutados
Os circuitos de capacitores comutados com acoplamento cruzado são conhecidos porque a tensão de entrada é muito baixa. Uma bateria de célula única pode ser necessária em equipamentos alimentados por uma bateria sem fio, como pagers e dispositivos Bluetooth, para fornecer energia continuamente quando descarregada a menos de um volt.
Figura 9. Duplicador de voltagem do capacitor comutado de acoplamento cruzado
O transistor Q2 desliga caso o relógio esteja baixo. Ao mesmo tempo, o transistor Q1 liga se o relógio estiver alto e isso resulta na carga do capacitor C1 na tensão Vn. A placa superior C1 é empurrada para dobrar o Vin, caso o Ø1 suba.
Para permitir que essa tensão apareça como uma saída, o interruptor S1 fecha ao mesmo tempo. Além disso, ao mesmo tempo, o C2 pode ser carregado ativando o Q2.
As funções dos componentes são revertidas no próximo meio ciclo: Ø1 será baixo, S1 será aberto, Ø2 será alto e S2 será fechado.
Portanto, alternativamente, de cada lado do circuito, a tensão de saída é fornecida com 2Vin. a perda ocorrida neste circuito é baixa, pois há falta de MOSFETs com fio de diodo e os problemas de tensão de limite associados.
Uma das outras vantagens do circuito é que ele dobra a frequência de ondulação, pois existem dois duplicadores de tensão presentes que fornecem efetivamente a saída dos relógios de fase.
A desvantagem básica desse circuito é que as capacidades parasitárias do multiplicador de Dickinson são muito menos significativas que esse circuito e, portanto, representam a maioria das perdas incorridas nesse circuito.
Cortesia: https://en.wikipedia.org/wiki/Voltage_doubler
FONTE
Nota: Este foi traduzido do Inglês para português (auto)
Pode conter erros de tradução
Olá, se tiver algum erro de tradução (AUTO), falta de link para download etc…
Veja na FONTE até ser revisado o post.
Status (Não Revisado)
Se tiver algum erro coloque nos comentários