Tensão pode ser duplicada (e portanto multiplicada por qualquer potência de dois usando dispositivos em cascata) através de meios puramente electrónicos sem recorrer a um transformador. Aplicam-se as relações tensão-corrente, pelo que duplicar não é uma questão de obter energia eléctrica gratuita que não existia anteriormente. Dobrar a tensão e assim reduzir a corrente disponível na saída não é uma coisa boa, mas muitas vezes isto não é um problema.
Existem muitas variações de circuitos duplos, mas todos os duplicadores e multiplicadores de tensão têm princípios de funcionamento semelhantes.
O duplicador de tensão do condensador comutado funciona a partir de uma entrada dc. Dois condensadores carregam na tensão de entrada enquanto estão em paralelo. Então, quando os dois interruptores são acionados simultaneamente, eles são isolados da entrada, conectados à saída e colocados em série de forma que na descarga, o dobro da entrada aparece na saída. Obviamente, sem um demónio para atirar os interruptores a uma velocidade rápida, interruptores operados manualmente não são práticos. Uma variedade de estratégias de comutação no mundo real foram implementadas:
Em conversores ac-to-dc, a corrente alternada na entrada, além de fornecer a tensão a ser duplicada, também realiza comutação por meio de polaridades oscilantes.
Um circuito de corte interno pode converter dc em ac antes da aplicação na seção de duplicação de tensão.
Um relógio externo (muitas vezes também realizando outras funções na mesma placa de circuito) pode realizar corte e multiplicação de tensão.
Em circuitos integrados, os MOSFETs frequentemente fornecem a acção de comutação.
Um triplicador de voltagem pode ser construído empilhando um duplicador de voltagem, tipicamente 5-Vpp a 1 kHz, e um simples rectificador de meia-onda, composto por um díodo e condensador ligado de um terminal de entrada ao terminal de saída oposto. A saída do duplicador de 10 V em série com a saída do retificador de 5 V fornece 15 V na saída do tripler. Os duplicadores e triplicadores, em cascata, fornecem teoricamente um número infinito de saídas inteiras.
No prototipagem de fontes de alimentação em linha, mesmo sem transformador, existe um risco potencial de choque. Cuidado também que os capacitores eletrolíticos explodirão se a polaridade for invertida. Circuitos multiplicadores em cascata devem ser construídos em uma configuração de escada de forma que o potencial de tensão progressivamente crescente não possa arcar através de seções individuais de menor potencial. Desta forma, a escada inteira não é destruída por um único díodo ou condensador em curto-circuito. Sem a configuração de escada, um único curto-circuito poderia queimar componentes adjacentes sucessivos, eventualmente aplicando sobretensão a todo o multiplicador, equipamento de teste e experimentador.
Os multiplicadores de tensão podem gerar milhões de volts para experiências de alta energia. A tecnologia de transformação em tais aplicações exigiria elaboradas caixas cheias de líquido e isolamento de alta tensão.
O método mais amplamente utilizado para gerar alta tensão e baixa corrente é o multiplicador Cockcroft-Walton multiestágio devido ao seu baixo custo e modestas exigências de isolamento. A tensão cai abruptamente quando alimentada em uma carga de baixa impedância. Ele foi usado extensivamente em aparelhos de TV CRT onde uma tensão de 30-kV de segundo anodo acelerador era necessária, apesar da alta ondulação. Como as tensões escalonadas estão disponíveis, esta fonte tem sido utilizada em aceleradores de partículas e para enviesamento em tubos fotomultiplicadores. Eles são usados para alimentar equipamentos tão diversos como aceleradores de partículas, máquinas de raios X, TVs de tubos de raios catódicos, magnetrões em fornos de microondas, fotocopiadoras e zapperes de bugs.
Multi-stage Cockcroft-Walton multiplicadores de tensão podem ser configurados em uma única escada. Este multiplicador de voltagem usa um dc pulsante de baixa voltagem na entrada para produzir voltagem de saída teoricamente ilimitada. A cada mudança de polaridade, a corrente flui através de díodos sucessivos para carregar capacitores adicionais, até o fim. Após a energização inicial, é necessária uma quantidade de tempo definida para carregar todo o conjunto. Cada condensador tem uma constante de tempo e o tempo total depende da tensão aplicada, capacitância dos condensadores e comprimento da escada. As torneiras intermediárias podem ser instaladas para acessar tensões intermediárias.
O multiplicador de tensão Cockcroft-Walton é um tipo entre muitas bombas de carga, nomeado pela maneira característica na qual elas forçam uma carga elétrica ao longo de uma série de capacitores em forma de tubo, cada um dos quais armazena a carga até a inversão da polaridade, onde eles descarregam.
Em geral, uma bomba de carga é um multiplicador de tensão que é otimizado para uso com uma entrada dc. Pode-se cortar o dc por meio de um oscilador e aplicá-lo a um transformador, mas uma das vantagens na tecnologia de multiplicação de tensão é que o transformador pesado com ele é eliminado com as enormes necessidades de espaço. Na nossa era de dispositivos móveis, a bomba de carga é um bem.
Uma bomba de carga pode ser baseada em díodos, mas a configuração habitual envolve MOSFETs comutados com pequenos condensadores de cerâmica. A eficiência da bomba de carga é alta, como exigido em telefones celulares. Em projetos que utilizam componentes discretos, os diodos Schottky, formados pela junção de um semicondutor com metal, são preferidos por causa de sua baixa queda de tensão para frente. Em uma bomba de carga implementada como um CI, MOSFETs de alta eficiência com baixa impedância de entrada são comuns.
Uma bomba de carga também pode inverter a polaridade na saída em relação à entrada. Além de aumentar a tensão, uma bomba de carga pode reduzir pela metade ou, em configuração em cascata, dividir a entrada por qualquer número inteiro. A utilização de frequências de relógio elevadas permite a utilização de uma capacidade inferior devido às constantes de tempo mais curtas. A tensão de saída é regulada por alterações no ciclo de funcionamento da saída do relógio. Uma vantagem da bomba de carga é que ela pode alternar entre os modos de carga e de reforço, compensando a drenagem da bateria entre as cargas.
Quando múltiplas saídas de tensão dc são necessárias, a bomba de carga é muito mais compacta e menos cara que uma fonte de alimentação linear, que é sobrecarregada por um transformador com torneiras secundárias. Os condensadores podem ser electrolíticos ou cerâmicos, dependendo da velocidade de comutação.
Dobradores e inversores de tensão podem ser construídos em torno do CI temporizador 555 com dois díodos externos e três ou quatro condensadores externos. Quando são necessárias fontes positivas e negativas para alimentar um circuito integrado, a bomba de carga pode ser configurada como um inversor de tensão.
Se um circuito integrado necessitar de múltiplas tensões como, por exemplo, uma única fonte primária de alta corrente e fontes auxiliares de baixa corrente, uma bomba de carga é o conversor de potência ideal. Outras aplicações são EEPROMs e memórias flash.
Com menos componentes e sem indutor, a bomba de carga simples requer menos espaço na placa de circuito impresso e é mais eficiente que a fonte de alimentação linear.
As desvantagens são modestas: é limitada a cargas de amperes fracionários e, como todas as SMPSs, gera alguma interferência eletromagnética e não é tão eficiente quanto as fontes de alimentação similares construídas em torno de indutores, que podem alimentar cargas maiores, mas são mais caras.
Todos os multiplicadores de tensão utilizam uma configuração composta por díodos e condensadores para multiplicar até um nível de tensão desejado pelo utilizador final, uma tensão de pico de ac (derivada de, em ordem de variabilidade crescente, utilidade, backup no local ou inversor local) ou bateria fornecida, hydro ou wild dc de uma turbina eólica.
Díodos e condensadores são utilizados em conjunto para formar multiplicadores de tensão. Estes circuitos são capazes de multiplicar a tensão por um fator de quatro ou mais para produzir teoricamente qualquer tensão, bem dentro da faixa de quilovolts. A tecnologia é utilizada com bom efeito na distribuição elétrica transcontinental de alta tensão para fazer transições de tensão e de sistema. Mas os díodos e capacitores devem ter adequados índices de reversibilidade de tensão de duplo pico devido às altas tensões produzidas em equipamentos multi-estágio.
No projeto e diagnóstico de multiplicadores de tensão, osciloscópios de sinal misto ou instrumentação relacionada são essenciais na visualização digital em justaposição com sinais analógicos. Por exemplo, em uma pequena escala, a operação intermitente de fornecimento de energia pode interromper o fluxo de dados digitais, e ao exibir ambas as formas de onda em tempo real, estes problemas podem ser analisados.