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Multiplicadores de Tensão Sem Transformador Discretos e Carregadores de Capacitores para Multiplicação de Tensão

Introdução

Os transformadores fazem um bom trabalho ao elevar as tensões CA usando relações de enrolamento. A relação existente entre o enrolamento secundário com o primário faz com que a tensão CA seja multiplicada, enquanto a corrente CA é dividida. Ainda assim, transformadores de baixa voltagem podem ser volumosos e caros, enquanto transformadores de alta voltagem também apresentam problemas.

Os modernos fios magnéticos esmaltados, usados para isolar os fios enrolados em transformadores, podem ter uma classificação de kV impressionante, dependendo do tipo e espessura do isolamento, mas isso pode degradar rapidamente se superaquecido por falhas de sobrecorrente. Com altas voltagens, isso pode levar a arcos elétricos e potenciais problemas de incêndio.

Outra técnica de aumento de tensões baixas ou altas utiliza apenas diodos e capacitores. Ambos estão disponíveis com classificações de alta corrente e/ou alta voltagem. Tanto os dispositivos analógicos de baixa voltagem quanto os lasers de alta voltagem podem se beneficiar dessa técnica, assim como outros projetos sensíveis a custo e/ou espaço. Dobradores, quadruplicadores e multiplicadores de tensão são boas técnicas para um engenheiro ter em sua coleção de truques.

Princípio de Funcionamento

A multiplicação de uma forma de onda de CA pode ser realizada usando apenas diodos e capacitores. A forma mais simples é um duplicador discreto de tensão de meia onda (Figura 1). Durante o semiciclo negativo, o diodo D2 está polarizado diretamente, permitindo a passagem de corrente através dele. Essa corrente fluirá para o capacitor C2 e o carregará ao valor máximo da tensão de entrada (Vm). Isso pode ser visto como um limitador de tensão. O capacitor C2 carrega até Vpico – VD1 (queda de tensão direta dos diodos). O ânodo de D2 apresenta um aterramento com o lado positivo da forma de onda de CA durante seu semiciclo negativo.

Figura 1: O duplicador de tensão de meia onda usa C2 e D2 como um limitador de tensão, permitindo que a tensão do ciclo positivo se sobreponha à tensão carregada de C2. (Fonte: Vishay; redesenhado pelo autor)

Durante o semiciclo positivo, D2 é desativado pois está polarizado negativamente. Você pode visualizar melhor isso removendo D2, já que está em polarização reversa. C2 está em série com a fonte de voltagem, e D1 apresenta-se como 2 x Vpico para o capacitor C1, uma vez que ele está “aproveitando” o nível de tensão Vp do ciclo negativo. Em outras palavras, Vout = 2 x Vpico. Dependendo do tamanho do capacitor, pode levar alguns ciclos para carregar completamente (Figura 2).

Figura 2: O capacitor retificador carrega cada meia onda até atingir o dobro da tensão de pico. (Fonte: Vishay)

O mesmo princípio pode ser usado para criar duplicador de tensão de onda completa (Figura 3). O mesmo formato de onda se aplica, exceto que o capacitor de saída é carregado por ambos os ciclos de CA positivo e negativo. A versão de onda completa pode fornecer mais potência, mas uma corrente mais alta é retirada da fonte de CA. Em ambos os casos, a voltagem de saída diminuirá dependendo da magnitude da carga, que é determinada pelo dimensionamento dos capacitores.

Figura 3: A forma de onda CA é retificada em onda completa para dobrar a tensão de pico e fornecerá mais corrente do que o duplicador de tensão retificada em meia onda. Observe o terreno virtual. (Fonte: Vishay; redesenhado pelo autor)

Quadruplicando a Tensão de Pico

Um quadruplicador de tensão empilha dois duplicadores de tensão , cada um fornecendo 2 x Vpico da forma de onda CA de entrada. Aqui, as voltagens de pico a pico são dobradas (Figura 4). As tensões em cascata criam duas tensões de saída, uma em 2 x Vm e a outra em -2 x Vm.

Figura 4: Um quadruplicador de tensão pode criar uma tensão de alimentação positiva e negativa; cada um dobra a tensão de pico da forma de onda CA de entrada. (Fonte: Vishay; redesenhado pelo autor)

Aplicações de multiplicadores em baixa e alta tensão

Uma característica interessante dos multiplicadores de tensão passivos é que eles podem ser usados em aplicações de baixa e alta tensão. Até mesmo formas de onda digitais podem ser multiplicadas para criar uma voltagem mais alta regulada de uma fonte de tensão dupla.

Multiplicador de Tensão em Circuitos de Amplificador Operacional de Dupla Alimentação

Multiplicadores de tensão passivos, por exemplo, podem ser úteis para criar uma fonte de tensão negativa para um circuito AmpOp de dupla alimentação. Ambos os lados podem ser regulados para fornecer uma tensão de alimentação positiva e negativa estável para aplicações lineares. Observe, porém, que você criará um aterramento isolante ou flutuante que não será o aterramento do sistema.

Carregamento de Capacitor para Geração de Pulsos de Alta Energia

Um banco Marx, também conhecido como gerador ou “stack”, é um circuito elétrico usado para gerar pulsos breves de alta energia para experimentos ou simulações. O circuito consiste em vários capacitores que são carregados em paralelo e, em seguida, rapidamente conectados em série usando lacunas de faísca como interruptores. Com os capacitores conectados em série, um pulso de alta voltagem é gerado, e a lacuna final conecta o “stack” em série de capacitores à carga. A saída de alta tensão do circuito é limitada pelo número de capacitores e sua carga, então a saída está na forma de um curto pulso de alta energia.

Da mesma forma, capacitores de disco cerâmico de alta voltagem são usados em aplicações que exigem capacidade de tensão operacional de até 50kV, capacitância de mais de 5000pF, baixa indutância e um fator de dissipação (DF) bem abaixo de 0,5%. Diodos de alta voltagem com furo passante de 20kV e montagem superficial de 15kV também estão prontamente disponíveis, com tempos de recuperação de 30nseg.

Como exemplo de projeto, um carregador pronto para uso com capacidade nominal de 1.500 J/s pode converter 500 V em 4 kV (Figura 5). Um banco de capacitores pode ser configurado usando a série 715C da Vishay, como exemplo. Estes são capacitores de disco de alta voltagem — 50kV (AC) ou 10kV (DC) — com um baixo fator de dissipação de 0,2% a 1kHz. Eles podem facilmente ser conectados em paralelo para fornecer correntes de pulso que se adequam à aplicação de projeto, e são idealmente adequados para uso em circuitos de multiplicadores de tensão.

Figura 5: Os bancos de capacitores de driver de laser de alta potência podem aproveitar as vantagens dos capacitores de disco cerâmico de alta tensão da série 715C da Vishay.   (Fonte: Vishay; redesenhado pela Mouser Electronics)

A série 715C da Vishay utiliza dielétricos cerâmicos à base de estrôncio, que apresentam efeitos piezoelétricos negligenciáveis e baixa indutância. O revestimento de epóxi proporciona alta resistência ao isolamento e proteção ambiental. Esses capacitores cerâmicos de camada única são ideais para fontes de energia de alta voltagem, como raio-X, CO2, soldagem, industrial e praticamente qualquer fonte de alimentação de alta voltagem. Os valores de capacitância de 560pF a 8.000pF estão disponíveis com voltagens nominais de 10kVDC a 50kVDC. Os SCRs, ou tiristores, para operações de alta voltagem podem ser usados como um interruptor de alta voltagem para aplicações de descarga completa ou parcial.

Os engenheiros podem usar fórmulas padrão para determinar o tamanho da fonte de alimentação e calcular o tempo de carga. Usar essas fórmulas é a maneira mais simples de estimar a energia necessária para uma aplicação.

Usando um sistema padrão de carregamento de capacitor de alta voltagem (1500J/s), para um capacitor com carga de 500V para 4000V, escolhemos o Vishay 8000pF 715C10KTD80 como parte de um banco de 20 capacitores resultando em 0,1µF que será carregado para 2,5kV.

A energia por pulso será:

Usando plugins com taxa de disparo de 20Hz e capacitância em Farads:

A taxa de carga — energia por pulso vezes a taxa de repetição — será:

Estamos usando uma fonte de 1500J/s para garantir que superemos qualquer tempo morto — ou tempo de estabilização — que geralmente é necessário.

Para descarga parcial, o tempo permitido para o capacitor descarregar determina quanta energia é necessária para recarregar o banco de capacitores. Além disso, a largura de pulso pode variar de várias centenas de microssegundos a dezenas de milissegundos. A voltagem máxima e a voltagem de queda são usadas aqui:

Conclusão

Os multiplicadores de tensão discretos são úteis em projetos sensíveis a espaço e custo. Eles oferecem vantagens sobre outras abordagens de aumento de alta voltagem, como transformadores. Multiplicadores de tensão discretos não apenas eliminam a necessidade de transformadores em muitos projetos de sistemas, mas também podem mitigar riscos como arco elétrico e possíveis problemas de incêndio em projetos de alta voltagem.

Embora os multiplicadores de tensão exibam uma versatilidade impressionante em aplicações de baixa e alta voltagem, carregadores de capacitores ressaltam sua capacidade de gerar pulsos breves e de alta energia ao utilizar o carregamento paralelo de capacitores e a conexão em série. Além disso, o uso habilidoso de capacitores de alta voltagem, como a série Vishay 715C, em conjunto com multiplicadores de tensão, fornece uma abordagem eficaz para amplificar a voltagem operacional, destacando seu papel essencial na criação de pulsos de energia de curta duração e alta voltagem em diversos circuitos elétricos.

Artigo publicado por Jon Gabay no blog da Mouser Electronics: Discreta Transformerless Voltage Multipliers and Cap Chargers for Voltage Multiplication

Traduzido pela Equipe Embarcados. Visite a página da Mouser Electronics no Embarcados

Sem licença Creative Commons
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