Se puede duplicar la tensión (y por tanto multiplicar por cualquier potencia de dos utilizando dispositivos en cascada) por medios puramente electrónicos sin recurrir a un transformador. Se aplican las relaciones tensión-corriente, por lo que la duplicación no es una cuestión de obtener energía eléctrica gratuita que antes no existía. Duplicar la tensión y, por lo tanto, reducir la corriente disponible en la salida a veces no es bueno, pero a menudo esto no es un problema.
Hay muchas variaciones de circuitos duplicadores, pero todos los duplicadores y multiplicadores de tensión tienen principios de funcionamiento similares.
El duplicador de tensión de condensadores conmutados funciona con una entrada de corriente continua. Dos condensadores se cargan a la tensión de entrada mientras están en paralelo. Luego, cuando los dos interruptores se lanzan simultáneamente, se aíslan de la entrada, se conectan a la salida y se colocan en serie para que en la descarga, el doble de la entrada aparezca en la salida. Obviamente, al carecer de un demonio que lance los interruptores a un ritmo rápido, los interruptores de accionamiento manual no son prácticos. Se han implementado diversas estrategias de conmutación en el mundo real:
En los convertidores de c.a. a c.c., la corriente alterna en la entrada, además de suministrar la tensión a duplicar, también logra la conmutación por medio de polaridades oscilantes.
Un circuito chopper interno puede convertir la c.a. en c.a. antes de aplicarla a la sección duplicadora de tensión.
Un reloj externo (que a menudo también realiza otras funciones en la misma placa de circuito) puede lograr el picado y la multiplicación de la tensión.
En los circuitos integrados, los MOSFETs suelen proporcionar la acción de conmutación.
Un triplicador de tensión puede construirse apilando un doblador de tensión, normalmente de 5 Vpp a 1 kHz, y un simple rectificador de media onda, compuesto por un diodo y un condensador conectados desde un terminal de entrada al terminal de salida opuesto. La salida del doblador de 10 V en serie con la salida del rectificador de 5 V proporciona 15 V a la salida del triplicador. Los duplicadores y triplicadores, conectados en cascada, proporcionan teóricamente un número infinito de salidas enteras.
En la creación de prototipos de fuentes de alimentación accionadas por la línea, incluso sin transformador, existe un riesgo potencial de descarga. Tenga también en cuenta que los condensadores electrolíticos pueden explotar si se invierte la polaridad. Los circuitos multiplicadores en cascada deben ser construidos en una configuración de escalera para que el potencial de voltaje que aumenta progresivamente no pueda arquearse a través de las secciones individuales de menor potencial. De esta manera, toda la escalera no se destruye por un solo diodo o condensador en cortocircuito. Sin la configuración en escalera, un solo cortocircuito podría quemar los componentes adyacentes sucesivos, aplicando finalmente una sobretensión a todo el multiplicador, al equipo de prueba y al experimentador.
Los multiplicadores de tensión pueden generar millones de voltios para experimentos de alta energía. La tecnología de transformadores en tales aplicaciones requeriría elaboradas cajas llenas de líquido y aislamiento de alta tensión.
El método más utilizado para generar una salida de alta tensión y baja corriente es el multiplicador Cockcroft-Walton de varias etapas debido a su bajo coste y a sus modestos requisitos de aislamiento. La tensión cae bruscamente cuando se alimenta a una carga de baja impedancia. Se utilizó mucho en los televisores CRT, en los que se requería una tensión de aceleración del segundo ánodo de 30 kV, a pesar del elevado rizado. Al disponer de tensiones escalonadas, esta fuente se ha utilizado en aceleradores de partículas y para la polarización de tubos fotomultiplicadores. Se utilizan para alimentar equipos tan diversos como aceleradores de partículas, máquinas de rayos X, televisores de tubo de rayos catódicos, magnetrones en hornos de microondas, fotocopiadoras y matainsectos.
Los multiplicadores de tensión Cockcroft-Walton de varias etapas pueden configurarse en una sola escalera. Este multiplicador de tensión utiliza una corriente continua pulsante de bajo voltaje en la entrada para producir una tensión de salida teóricamente ilimitada. Con cada cambio de polaridad, la corriente fluye a través de diodos sucesivos para cargar condensadores adicionales, hasta llegar al final. Después de la energización inicial, se requiere una cantidad de tiempo definida para cargar todo el conjunto. Cada condensador tiene una constante de tiempo y el tiempo total depende de la tensión aplicada, la capacitancia de los condensadores y la longitud de la escalera. Se pueden instalar tomas intermedias para acceder a tensiones intermedias.
El multiplicador de tensión Cockcroft-Walton es un tipo entre muchas bombas de carga, llamado así por la forma característica en que fuerzan una carga eléctrica a lo largo de una serie de condensadores en forma de tubo, cada uno de los cuales almacena la carga hasta que se invierte la polaridad, momento en el que se descargan.
En general, una bomba de carga es un multiplicador de tensión que está optimizado para su uso con una entrada de corriente continua. Se podría cortar la corriente continua mediante un oscilador y aplicarla a un transformador, pero una de las ventajas de la tecnología de multiplicación de tensión es que se elimina el pesado transformador con sus enormes requisitos de espacio. En nuestra época de dispositivos móviles, la bomba de carga es una ventaja.
Una bomba de carga puede basarse en diodos, pero la configuración habitual implica MOSFETs conmutados con pequeños condensadores cerámicos. La eficiencia de la bomba de carga es alta, como se requiere en los teléfonos móviles. En los diseños que utilizan componentes discretos, se prefieren los diodos Schottky, formados por la unión de un semiconductor con un metal, debido a su baja caída de tensión directa. En una bomba de carga implementada como CI, son habituales los MOSFET de alta eficiencia con baja impedancia de entrada.
Una bomba de carga también puede invertir la polaridad en la salida con respecto a la entrada. Además de aumentar la tensión, una bomba de carga puede reducir a la mitad o, en la configuración en cascada, dividir la entrada por cualquier número entero. El uso de altas frecuencias de reloj permite utilizar una menor capacitancia debido a las constantes de tiempo más cortas. La tensión de salida se regula mediante cambios en el ciclo de trabajo de la salida del reloj. Una ventaja de la bomba de carga es que puede cambiar entre los modos buck y boost, compensando el drenaje de la batería entre las cargas.
Cuando se necesitan múltiples salidas de voltaje de corriente continua, la bomba de carga es mucho más compacta y menos costosa que una fuente de alimentación lineal, que se ve obstaculizada por un transformador con tomas secundarias. Los condensadores pueden ser electrolíticos o cerámicos dependiendo de la velocidad de conmutación.
Los duplicadores e inversores de tensión pueden construirse alrededor del CI temporizador 555 con dos diodos externos y tres o cuatro condensadores externos. Cuando se requieren suministros positivos y negativos para alimentar un op-amp, la bomba de carga puede configurarse como un inversor de tensión.
Si un CI requiere múltiples tensiones como, por ejemplo, una única fuente primaria de alta corriente y fuentes auxiliares de baja corriente, una bomba de carga es el convertidor de potencia ideal. Otras aplicaciones son las EEPROM y las memorias flash.
Con menos componentes y sin inductor, la bomba de carga simple requiere menos espacio en la placa de circuito impreso y es más eficiente que la fuente de alimentación lineal.
Las desventajas son modestas: está limitada a cargas de amperios fraccionados y, como todas las SMPS, genera algunas interferencias electromagnéticas y no es tan eficiente como las fuentes de alimentación similares construidas alrededor de inductores, que pueden alimentar cargas más grandes pero son más caras.
Todos los multiplicadores de tensión utilizan una configuración compuesta por diodos y condensadores para multiplicar hasta un nivel de tensión deseado por el usuario final, un pico de tensión de CA (derivado, en orden de variabilidad creciente, de la compañía eléctrica, de la reserva in situ o del inversor local) o suministrado por la batería, la energía hidráulica o la corriente continua salvaje de una turbina eólica.
Los diodos y los condensadores se utilizan conjuntamente para formar multiplicadores de tensión. Estos circuitos son capaces de multiplicar el voltaje por un factor de cuatro o más para producir teóricamente cualquier voltaje, bien en el rango de los kilovoltios. Esta tecnología se utiliza con buenos resultados en la distribución eléctrica transcontinental de alta tensión para realizar transiciones de tensión y de sistema. Pero los diodos y condensadores deben tener una capacidad de ruptura inversa adecuada del doble de la tensión de pico debido a las altas tensiones producidas en los equipos de varias etapas.
En el diseño y diagnóstico de los multiplicadores de tensión, los osciloscopios de señal mixta o la instrumentación relacionada son esenciales para visualizar lo digital en yuxtaposición con las señales analógicas. Por ejemplo, a pequeña escala, el funcionamiento intermitente de la fuente de alimentación puede interrumpir el flujo de datos digitales, y al visualizar ambas formas de onda en tiempo real, se pueden analizar estos problemas.