Tensiunea poate fi dublată (și, prin urmare, înmulțită cu orice putere de doi folosind dispozitive în cascadă) prin mijloace pur electronice fără a recurge la un transformator. Raporturile tensiune-curent se aplică, astfel încât dublarea nu este o chestiune de a obține energie electrică gratuită care nu exista anterior. Dublarea tensiunii și, prin urmare, reducerea curentului disponibil la ieșire nu este uneori un lucru bun, dar de multe ori acest lucru nu reprezintă o problemă.
Există multe variante de circuite de dublare, dar toate aparatele de dublare și multiplicare a tensiunii au principii de funcționare similare.
Dublatorul de tensiune cu condensator comutat funcționează de la o intrare de curent continuu. Două condensatoare se încarcă la tensiunea de intrare în timp ce sunt în paralel. Apoi, când cele două întrerupătoare sunt acționate simultan, ele sunt izolate de la intrare, conectate la ieșire și plasate în serie astfel încât, la descărcare, la ieșire apare dublul intrării. Evident, în lipsa unui demon care să arunce întrerupătoarele într-un ritm rapid, întrerupătoarele acționate manual nu sunt practice. Au fost implementate o varietate de strategii de comutare în lumea reală:
În convertoarele c.a./c.c., curentul alternativ de la intrare, pe lângă faptul că furnizează tensiunea care trebuie dublată, realizează și comutarea prin intermediul polarităților oscilante.
Un circuit de tăiere intern poate converti c.c. în c.a. înainte de aplicarea la secțiunea de dublare a tensiunii.
Un ceas extern (care adesea îndeplinește și alte funcții pe aceeași placă de circuit) poate realiza tăierea și multiplicarea tensiunii.
În circuitele integrate, MOSFET-urile asigură frecvent acțiunea de comutare.
Un triplator de tensiune poate fi construit prin suprapunerea unui dublator de tensiune, de obicei de 5-Vpp la 1 kHz, și a unui redresor simplu de jumătate de undă, compus dintr-o diodă și un condensator conectat de la o bornă de intrare la borna de ieșire opusă. Ieșirea dublatorului de 10 V în serie cu ieșirea redresorului de 5 V furnizează 15 V la ieșirea triplatorului. Dublatoarele și triplatoarele, conectate în cascadă, furnizează teoretic un număr infinit de ieșiri întregi.
În prototiparea surselor de alimentare acționate de linie, chiar și fără transformator, există un potențial pericol de șoc. Atenție, de asemenea, la faptul că condensatorii electrolitici vor exploda dacă polaritatea este inversată. Circuitele multiplicatoare în cascadă ar trebui să fie construite într-o configurație în scară, astfel încât potențialul de tensiune care crește progresiv să nu se poată arcui peste secțiunile individuale cu potențial mai scăzut. În acest fel, întreaga scară nu este distrusă de o singură diodă sau condensator scurtcircuitat. Fără configurația în scară, un singur scurtcircuit ar putea arde componentele adiacente succesive, aplicând în cele din urmă o supratensiune întregului multiplicator, echipamentului de testare și experimentatorului.
Multiplicatoarele de tensiune pot genera milioane de volți pentru experimente de înaltă energie. Tehnologia transformatoarelor în astfel de aplicații ar necesita carcase elaborate umplute cu lichid și izolație de înaltă tensiune.
Metoda cea mai utilizată pe scară largă pentru generarea de înaltă tensiune, cu ieșire de curent redus, este multiplicatorul Cockcroft-Walton cu mai multe trepte, datorită costului său redus și cerințelor de izolație modeste. Tensiunea scade brusc atunci când este alimentat într-o sarcină cu impedanță mică. Această metodă a fost utilizată pe scară largă la televizoarele CRT, unde era necesară o tensiune de accelerare a anodului secundar de 30 kV, în ciuda ondulației ridicate. Deoarece sunt disponibile tensiuni în trepte, această sursă a fost utilizată în acceleratoarele de particule și pentru polarizarea tuburilor fotomultiplicatoare. Acestea sunt utilizate pentru a alimenta echipamente diverse, cum ar fi acceleratoarele de particule, aparatele cu raze X, televizoarele cu tuburi catodice, magnetronii din cuptoarele cu microunde, fotocopiatoarele și aparatele de stingere a insectelor.
Multiplicatoarele de tensiune Cockcroft-Walton cu mai multe trepte pot fi configurate într-o singură scară. Acest multiplicator de tensiune utilizează o tensiune continuă pulsatorie de joasă tensiune la intrare pentru a produce o tensiune de ieșire teoretic nelimitată. Cu fiecare schimbare de polaritate, curentul trece prin diode succesive pentru a încărca condensatoare suplimentare, până la capăt. După energizarea inițială, este necesară o perioadă de timp determinată pentru a încărca întregul ansamblu. Fiecare condensator are o constantă de timp, iar timpul total depinde de tensiunea aplicată, de capacitatea condensatoarelor și de lungimea scării. Pot fi instalate prize intermediare pentru a accesa tensiuni intermediare.
Multiplicatorul de tensiune Cockcroft-Walton este un tip dintre numeroasele pompe de sarcină, denumite astfel datorită modului caracteristic în care forțează o sarcină electrică de-a lungul unei serii de condensatori în formă de țeavă, fiecare dintre aceștia stocând sarcina până la inversarea polarității, după care se descarcă.
În general, o pompă de sarcină este un multiplicator de tensiune care este optimizat pentru utilizarea cu o intrare de curent continuu. Ați putea tăia curentul continuu prin intermediul unui oscilator și să-l aplicați la un transformator, dar unul dintre avantajele tehnologiei de multiplicare a tensiunii este că se elimină transformatorul greu, cu cerințele sale masive de spațiu. În epoca noastră a dispozitivelor mobile, pompa de sarcină este un atu.
O pompă de sarcină se poate baza pe diode, dar configurația obișnuită implică MOSFET-uri comutate cu mici condensatori ceramici. Eficiența pompei de sarcină este ridicată, așa cum este necesar în telefoanele mobile. În proiectele care utilizează componente discrete, diodele Schottky, formate prin joncțiunea unui semiconductor cu metalul, sunt preferate datorită căderii lor scăzute de tensiune directă. Într-o pompă de sarcină implementată ca un circuit integrat, MOSFET-urile de înaltă eficiență cu impedanță de intrare scăzută sunt uzuale.
O pompă de sarcină poate, de asemenea, să inverseze polaritatea la ieșire față de cea de intrare. Pe lângă amplificarea tensiunii, o pompă de sarcină poate înjumătăți sau, în configurația în cascadă, diviza intrarea cu orice număr întreg. Utilizarea unor frecvențe de ceas ridicate permite utilizarea unei capacități mai mici datorită constantelor de timp mai scurte. Tensiunea de ieșire este reglată prin modificări ale ciclului de lucru al ceasului de ieșire. Un avantaj al pompei de sarcină este acela că poate trece de la modul buck la modul boost, compensând descărcarea bateriei între încărcări.
Dacă sunt necesare mai multe ieșiri de tensiune continuă, pompa de sarcină este mult mai compactă și mai puțin costisitoare decât o sursă de alimentare liniară, care este îngreunată de un transformator cu prize secundare. Condensatoarele pot fi electrolitice sau ceramice, în funcție de viteza de comutare.
Dublatoarele și invertoarele de tensiune pot fi construite în jurul circuitului integrat cu temporizator 555 cu două diode externe și trei sau patru condensatori externi. Când sunt necesare alimentări pozitive și negative pentru a alimenta un amplificator operațional, pompa de sarcină poate fi configurată ca un invertor de tensiune.
Dacă un circuit integrat necesită tensiuni multiple ca de exemplu o singură sursă primară de curent mare și surse auxiliare de curent mic, o pompă de sarcină este convertorul de putere ideal. Alte aplicații sunt EEPROM-urile și memoriile flash.
Cu mai puține componente și fără inductor, pompa de sarcină simplă necesită mai puțin spațiu pe placa de circuit imprimat și este mai eficientă decât sursa de alimentare liniară.
Dezavantajele sunt modeste: este limitată la sarcini de amperi fracționari și, ca toate SMPS-urile, generează unele interferențe electromagnetice și nu este la fel de eficientă ca sursele de alimentare similare construite în jurul inductorilor, care pot alimenta sarcini mai mari, dar sunt mai scumpe.
Toate multiplicatoarele de tensiune folosesc o configurație compusă din diode și condensatori pentru a multiplica la un nivel de tensiune dorit de utilizatorul final, o tensiune de vârf de curent alternativ (derivată, în ordinea creșterii variabilității, de la utilități, de la un invertor de rezervă la fața locului sau de la un invertor local) sau furnizată de baterii, hidro sau de curent continuu sălbatic de la o turbină eoliană.
Diodele și condensatorii sunt utilizate în mod concertat pentru a forma multiplicatoare de tensiune. Aceste circuite sunt capabile să înmulțească tensiunea cu un factor de patru sau mai mult pentru a produce, teoretic, orice tensiune, cu mult în domeniul kilovolților. Tehnologia este utilizată cu succes în distribuția electrică transcontinentală de înaltă tensiune pentru a face tranziții de tensiune și de sistem. Dar diodele și condensatorii trebuie să aibă valori nominale de rupere inversă adecvate, de două ori mai mari decât tensiunea de vârf, din cauza tensiunilor ridicate produse în echipamentele cu mai multe trepte.
În proiectarea și diagnosticarea multiplicatoarelor de tensiune, osciloscoapele cu semnale mixte sau instrumentele aferente sunt esențiale pentru vizualizarea semnalelor digitale în juxtapunere cu cele analogice. De exemplu, la scară mică, funcționarea intermitentă a sursei de alimentare poate perturba fluxul de date digitale, iar prin afișarea ambelor forme de undă în timp real, aceste probleme pot fi analizate.