Los circuitos que elevan la tensión de una batería o de otra fuente de corriente continua fija son muy utilizados en las aplicaciones modernas. Si bien existen soluciones integradas de convertidores DC/DC tipo Boost, la implementación de circuitos para pruebas o incluso para aplicaciones no tan críticas, puede presentar algunas dificultades al desarrollador. Una forma simple de aumentar la tensión de una fuente es a través de multiplicadores clave. En este artículo enfocamos esta solución tomando como base circuitos integrados CMOS. Más información sobre el tema se pueden encontrar en varios artículos de este sitio.
Gran cantidad de equipos portátiles o de uso móvil utilizan pilas o baterías como fuente de alimentación.
Estas fuentes fijas atienden a las exigencias de la mayoría de los circuitos, sin embargo, en algunos casos es necesario tener más de una tensión disponible en un circuito y esa tensión puede ser mayor que la suministrada por su fuente original.
Los convertidores tipo boost se utilizan ampliamente en la alimentación de LEDs blancos y otros dispositivos que requieren tensiones por encima de las baterías y pilas convencionales.
Sin embargo, existen casos en que la tensión requerida es más alta, pero la corriente drenada por la carga alimentada es muy pequeña, en cuyo caso no se justifica el uso de un convertidor de mayor potencia.
La solución para este caso, en qué bajas corrientes son requeridas está en el uso de multiplicadores de tensión.
Así, partiendo de las configuraciones tradicionales, podemos elaborar configuraciones claves capaces de generar prácticamente cualquier tensión deseada, como veremos a continuación.
Las configuraciones tradicionales
Los dobladores de tensión, triplicadores y multiplicadores se han utilizado en fuentes de alimentación desde hace mucho tiempo. La configuración mostrada en la figura 1, por ejemplo, es tradicional en muchos electro-electrónicos, operando directamente a partir de la corriente alterna de la red de energía.
En ese doblador, en un semiciclo los capacitores se cargan en paralelo, para después, en el semiciclo siguiente, se descarguen en serie a través de la carga. Vea más sobre su funcionamiento en los artículos indicados en la introducción.
En la figura 2 tenemos el caso de un triplicador de tensión tradicional, muy usado en fuentes de MAT (Muy Alta Tensión) de cinescopios de monitores de video, televisores y cualquier otra aplicación que haga uso de un tubo de rayos catódicos.
Observe que en las dos figuras los circuitos diseñados son los mismos. Sólo ellos se dibujan en (a) y (b) de maneras diferentes, mostrando que la configuración puede tener su principio básico repetido indefinidamente.
En los Circuitos de Corriente Continua
Para que las configuraciones indicadas funcionen es necesario que su entrada sea una tensión alterna.
Así, en el caso de un circuito alimentado por batería, necesitamos utilizar un oscilador para generar una señal de excitación para tales circuitos multiplicadores.
Una forma muy simple de generar la señal de excitación de una plegadora es con un circuito CMOS, como muestra la figura 3.
Por supuesto, en un circuito de este tipo, que puede operar con tensiones de entrada de 3 a 15 V, la corriente disponible en la carga y descarga de los capacitores es muy baja.
Estas fuentes multiplicadoras sirven sólo para alimentar circuitos de muy bajo consumo. El mismo principio, sin embargo, puede ser aplicado a cargas mayores si se incluye en el circuito un paso de potencia.
La frecuencia de funcionamiento del circuito es importante tanto en términos de rendimiento tanto en términos de eventuales interferencias generadas que puedan afectar a otras etapas del circuito.
Los valores dados en este circuito son típicos, pudiendo el proyectista hacer cambios según la aplicación. Los diodos son de uso general como los 1N4148 o 1N914. También se pueden utilizar los 1N4002 aunque se exageran para la aplicación.
En la figura 4 mostramos 4 configuraciones que se pueden utilizar para generar las señales de excitación de los multiplicadores de tensión.
Todas ellas hacen uso de circuitos integrados CMOS convencionales. Nada impide, sin embargo, que se utilizan circuitos TTL e incluso hechas adaptaciones con etapas de potencia usando transistores bipolares o MOSFETs de potencia.
La frecuencia de operación de cada uno de los circuitos es dada por los resistores y condensadores los cuales pueden ser alterados. Los valores mostrados son típicos para aplicaciones comunes.
Circuitos Prácticos
A partir de las configuraciones básicas que hemos visto podemos elaborar diversos circuitos prácticos interesantes, recordando siempre que las corrientes máximas de salida son de pocos miliamperios y que la medida directa de la tensión sólo puede ser hecha con instrumentos que tengan una resistencia de entrada muy alta.
Multímetros comunes "cargan" tales circuitos, haciendo que la tensión caiga y se dé una falsa indicación de su valor.
En la figura 5 tenemos una primera aplicación práctica que consiste en un doblador capaz de proporcionar tensiones positivas de salida (a) o negativas (b).
Entrando con 5 V tendremos una salida de 10 V. Los diodos son de uso general como los 1N4148 o equivalentes. La corriente máxima de salida es del orden de algunos cientos de microampères, lo que debe tenerse en cuenta en las aplicaciones prácticas.
Tomamos como base el circuito integrado 4093, pero nada impide que cualquier inversor CMOS puede ser usado en este circuito.
Una aplicación interesante para el caso de que se necesita alimentar un amplificador operacional o un comparador de tensión de muy bajo consumo es la presentada en la figura 6.
Este circuito consiste en una fuente simétrica de 10 + 10 V que opera a partir de una entrada simple de 5 V. Se trata de un doblador positivo y de un doblado negativo en un mismo circuito.
Tres inversores del 4049 forman un oscilador que determina el ritmo de operación del inversor y al mismo tiempo excita las otras tres puertas inversoras en el sector negativo del multiplicador de tensión.
Los valores de los componentes son típicos y pueden ser modificados según la aplicación. También se pueden utilizar inversores TTL en configuraciones equivalentes, con los debidos cambios en los valores de los componentes.
Precisando una corriente mayor de salida en un doblador de tensión, podemos conectar inversores en paralelo, como muestra la figura 7.
En este circuito, la capacidad de corriente se dobla, pero aún así es del orden de microampères.
La frecuencia de operación se determina básicamente por el capacitor de 2,2 nF y el resistor de 4,7 k ohms. Estos componentes se pueden cambiar para obtener el mejor rendimiento.
Otras tensiones de entrada pueden ser utilizadas, con el cambio del diodo zener por uno que tenga el doble de la tensión de entrada. Los diodos D1 a D3 son del tipo 1N4148 o equivalentes.
Finalmente, podemos obtener la multiplicación de tensión utilizando todos los seis inversores de un circuito integrado 4049, como muestra el circuito de la figura 8.
En este circuito tenemos la multiplicación de la tensión por 5, obteniéndose entre 50 y 80 V de salida cuando la tensión de entrada varía entre 10 y 15 V.
Observe que el teorema de la conservación de energía es válido aquí, como en cualquier otro caso en que ocurran transformaciones de ese tipo. Cuanto mayor sea la tensión de salida, menor será la intensidad de la corriente obtenida.
La frecuencia de operación depende de R1 y C7, componentes que pueden tener sus valores alterados en el sentido de obtener mejor rendimiento.
También es importante observar que otros inversores pueden ser usados ??en la misma configuración y que varios de estos pasos pueden ser asociados en el sentido de aumentar aún más la tensión de salida.
Por ejemplo, si se conecta D6 a la entrada de una etapa con otros seis inversores (sin osciladores), podemos multiplicar por 10 la tensión de entrada, obteniendo entre 100 y 150 V de salida cuando la tensión de entrada varía entre 10 y 15 V.
Un circuito de este tipo se puede utilizar perfectamente para encender una lámpara de neón en serie con una resistencia de 220 k ohms a 1 M ohms en un sistema de señalización.
De nuevo queda claro que la corriente máxima que estos circuitos pueden proporcionar es extremadamente baja, sirviendo sólo para alimentación de etapas de bajo consumo o polarización.
Conclusión
Los pasos descritos en este artículo pueden servir para diversas implementaciones de generadores de tensiones más altas que las disponibles en una fuente fija.
A partir de estos circuitos, el proyectista puede perfectamente verificar si su proyecto funciona y eventualmente partir para convertidores de impulso integrados. Sin embargo, pueden incluso existir casos en que la implementación de estas configuraciones, por su simplicidad sea más ventajosa.