La tensione può essere raddoppiata (e quindi moltiplicata per qualsiasi potenza di due usando dispositivi a cascata) per via puramente elettronica senza ricorrere a un trasformatore. Si applicano i rapporti tensione-corrente, quindi il raddoppio non è una questione di ottenere energia elettrica gratuita che non esisteva prima. Raddoppiare la tensione e quindi ridurre la corrente disponibile in uscita a volte non è una buona cosa, ma spesso questo non è un problema.
Ci sono molte varianti di circuiti di raddoppio, ma tutti i raddoppiatori e moltiplicatori di tensione hanno principi operativi simili.
Il raddoppiatore di tensione a condensatore commutato funziona da un ingresso DC. Due condensatori si caricano alla tensione d’ingresso mentre sono in parallelo. Poi, quando i due interruttori sono lanciati simultaneamente, sono isolati dall’ingresso, collegati all’uscita e messi in serie in modo che, scaricandosi, il doppio dell’ingresso appare all’uscita. Ovviamente, mancando un demone per lanciare gli interruttori ad un ritmo rapido, gli interruttori azionati manualmente non sono pratici. Una varietà di strategie di commutazione del mondo reale sono state implementate:
Nei convertitori ac-dc, la corrente alternata in ingresso, oltre a fornire la tensione da raddoppiare, realizza anche la commutazione per mezzo di polarità oscillanti.
Un circuito chopper interno può convertire la corrente continua in alternata prima dell’applicazione alla sezione del raddoppiatore di tensione.
Un clock esterno (che spesso svolge anche altre funzioni sullo stesso circuito) può realizzare il chopping e la moltiplicazione della tensione.
Nei circuiti integrati, i MOSFET spesso forniscono l’azione di commutazione.
Un tripler di tensione può essere costruito impilando un duplicatore di tensione, tipicamente 5-Vpp a 1 kHz, e un semplice raddrizzatore a semionda, composto da un diodo e un condensatore collegati da un terminale di ingresso al terminale di uscita opposto. L’uscita del duplicatore a 10 V in serie con l’uscita del raddrizzatore a 5 V fornisce 15 V all’uscita del tripler. Doppiatori e triplicatori, in cascata, forniscono teoricamente un numero infinito di uscite intere.
Nella prototipazione di alimentatori lineari anche senza trasformatore, c’è un potenziale rischio di shock. Attenzione anche ai condensatori elettrolitici che esplodono se la polarità è invertita. I circuiti moltiplicatori in cascata dovrebbero essere costruiti in una configurazione a scala in modo che il potenziale di tensione progressivamente crescente non possa attraversare le singole sezioni a potenziale inferiore. In questo modo, l’intera scala non viene distrutta da un singolo diodo o condensatore in corto circuito. Senza la configurazione ladder, un singolo corto potrebbe bruciare i successivi componenti adiacenti, applicando infine una sovratensione all’intero moltiplicatore, all’attrezzatura di prova e allo sperimentatore.
I moltiplicatori di tensione possono generare milioni di volt per esperimenti ad alta energia. La tecnologia dei trasformatori in tali applicazioni richiederebbe elaborati involucri riempiti di liquido e un isolamento ad alta tensione.
Il metodo più utilizzato per generare un’uscita ad alta tensione e bassa corrente è il moltiplicatore multistadio Cockcroft-Walton per il suo basso costo e i modesti requisiti di isolamento. La tensione scende bruscamente quando viene alimentata in un carico a bassa impedenza. Era molto usato nei televisori CRT dove era richiesta una seconda tensione di accelerazione anodica di 30 kV nonostante l’alto ripple. Poiché sono disponibili tensioni a gradini, questa sorgente è stata utilizzata negli acceleratori di particelle e per la polarizzazione nei tubi fotomoltiplicatori. Sono usati per alimentare apparecchiature diverse come acceleratori di particelle, macchine a raggi X, televisori a tubo catodico, magnetron nei forni a microonde, fotocopiatrici e zapper per insetti.
I moltiplicatori di tensione Cockcroft-Walton a più stadi possono essere configurati in una singola scala. Questo moltiplicatore di tensione usa una bassa tensione dc pulsante all’ingresso per produrre una tensione di uscita teoricamente illimitata. Ad ogni cambio di polarità, la corrente scorre attraverso diodi successivi per caricare ulteriori condensatori, fino alla fine. Dopo l’energizzazione iniziale, è necessaria una certa quantità di tempo per caricare l’intero gruppo. Ogni condensatore ha una costante di tempo e il tempo totale dipende dalla tensione applicata, dalla capacità dei condensatori e dalla lunghezza della scala. I rubinetti intermedi possono essere installati per accedere a tensioni intermedie.
Il moltiplicatore di tensione Cockcroft-Walton è un tipo tra molte pompe di carica, chiamato così per il modo caratteristico in cui forzano una carica elettrica lungo una serie di condensatori simili a tubi, ognuno dei quali immagazzina la carica fino a quando la polarità si inverte, dopodiché si scarica.
In generale, una pompa di carica è un moltiplicatore di tensione che è ottimizzato per l’uso con un ingresso cc. Si potrebbe tagliare la corrente continua per mezzo di un oscillatore e applicarla a un trasformatore, ma uno dei vantaggi della tecnologia di moltiplicazione della tensione è che il pesante trasformatore con i suoi enormi requisiti di spazio viene eliminato. Nella nostra era di dispositivi mobili, la pompa di carica è una risorsa.
Una pompa di carica può essere basata su diodi, ma la configurazione usuale prevede MOSFET commutati con piccoli condensatori ceramici. L’efficienza della pompa di carica è alta, come richiesto nei telefoni cellulari. Nei progetti che utilizzano componenti discreti, i diodi Schottky, formati dalla giunzione di un semiconduttore con un metallo, sono preferiti per la loro bassa caduta di tensione diretta. In una pompa di carica implementata come IC, i MOSFET ad alta efficienza con bassa impedenza di ingresso sono comuni.
Una pompa di carica può anche invertire la polarità in uscita rispetto all’ingresso. Oltre a potenziare la tensione, una pompa di carica può dimezzare o, nella configurazione in cascata, dividere l’ingresso per qualsiasi numero intero. L’uso di alte frequenze di clock permette di utilizzare una capacità inferiore a causa delle costanti di tempo più brevi. La tensione di uscita è regolata dai cambiamenti nel duty cycle dell’uscita del clock. Un vantaggio della pompa di carica è che può passare tra le modalità buck e boost, compensando lo scarico della batteria tra una carica e l’altra.
Se sono necessarie più uscite di tensione continua, la pompa di carica è molto più compatta e meno costosa di un alimentatore lineare, che è gravato da un trasformatore con rubinetti secondari. I condensatori possono essere elettrolitici o ceramici a seconda della velocità di commutazione.
Doppiatori di tensione e invertitori possono essere costruiti intorno al circuito integrato 555 timer con due diodi esterni e tre o quattro condensatori esterni. Quando sono necessarie alimentazioni positive e negative per alimentare un op-amp, la pompa di carica può essere configurata come un invertitore di tensione.
Se un IC richiede tensioni multiple come per esempio una singola sorgente primaria ad alta corrente e sorgenti ausiliarie a bassa corrente, una pompa di carica è il convertitore di potenza ideale. Altre applicazioni sono EEPROM e memorie flash.
Con meno componenti e nessun induttore, la semplice pompa di carica richiede meno spazio sul PCB ed è più efficiente dell’alimentatore lineare.
I lati negativi sono modesti: è limitata a carichi frazionari e, come tutti gli SMPS, genera alcune interferenze elettromagnetiche e non è efficiente come alimentatori simili costruiti intorno a induttori, che possono alimentare carichi maggiori ma sono più costosi.
Tutti i moltiplicatori di tensione utilizzano una configurazione composta da diodi e condensatori per moltiplicare ad un livello di tensione desiderato dall’utente finale, una tensione di picco in ca (derivata da, in ordine di crescente variabilità, utilità, backup in loco o inverter locale) o alimentato a batteria, idroelettrico o dc selvaggio da una turbina eolica.
Diodi e condensatori sono utilizzati in concerto per formare moltiplicatori di tensione. Questi circuiti sono in grado di moltiplicare la tensione per un fattore di quattro o più per produrre teoricamente qualsiasi tensione, ben nella gamma di kilovolt. La tecnologia è usata con buoni risultati nella distribuzione elettrica transcontinentale ad alta tensione per fare transizioni di tensione e di sistema. Ma i diodi e i condensatori devono avere un’adeguata capacità di rottura inversa di due volte la tensione di picco a causa delle alte tensioni prodotte nelle apparecchiature multistadio.
Nella progettazione e nella diagnosi dei moltiplicatori di tensione, gli oscilloscopi a segnale misto o la relativa strumentazione sono essenziali per visualizzare il digitale in giustapposizione ai segnali analogici. Per esempio, su piccola scala, il funzionamento intermittente dell’alimentazione può interrompere il flusso di dati digitali, e visualizzando entrambe le forme d’onda in tempo reale, questi problemi possono essere analizzati.