Como funciona um multiplicador de tensão?

Se você precisar de alta tensão, um multiplicador de tensão é uma das maneiras mais fáceis de obtê-la. Um multiplicador de tensão é um tipo especializado de circuito retificador que converte uma tensão CA em uma tensão CC mais alta. Inventados por Heinrich Greinacher em 1919, eles foram usados ​​no projeto de um acelerador de partículas que realizou a primeira desintegração nuclear artificial, então você sabe que eles estão falando sério.

Teoricamente, a saída do multiplicador é um número inteiro vezes a tensão de entrada de pico CA e, embora possam trabalhar com qualquer tensão de entrada, o principal uso dos multiplicadores de tensão é quando tensões muito altas, da ordem de dezenas de milhares ou mesmo milhões de volts. , são precisos. Eles têm a vantagem de serem relativamente fáceis de construir e são mais baratos que um transformador de alta tensão equivalente com a mesma classificação de saída. Se você precisa de faíscas para sua ciência maluca, talvez um multiplicador de tensão possa fornecê-las para você.

O circuito multiplicador precisa de uma fonte de alimentação CA para funcionar. Para simplificar, vamos supor que um lado da fonte esteja aterrado e permaneça com potencial zero, e o outro varie entre mais e menos U (100 V no exemplo). Aqui está o que acontece:

Como podemos ver, terminaremos com 400 V entre o terra e a saída (pontos a e b na última figura), quadruplicando efetivamente a tensão de alimentação.

Esta é uma explicação idealizada e, como você pode imaginar, a realidade é sempre mais complicada. Por exemplo, os capacitores não carregam instantaneamente e, portanto, não atingem a tensão total até que vários ciclos tenham passado, dependendo da corrente de carga que a fonte de alimentação pode fornecer.

O multiplicador que acabamos de discutir tem dois estágios. Cada estágio é formado por dois capacitores e dois diodos e cada um adiciona duas vezes a tensão da fonte de alimentação, então por exemplo um multiplicador de cinco estágios terá uma saída dez vezes a tensão de entrada. Observe que cada componente do circuito vê no máximo o dobro da tensão de entrada de pico fornecida pela fonte, portanto você pode usar componentes de baixa tensão e muitos estágios para obter uma tensão de saída muito alta.

Porém, a tensão de saída cairá assim que você conectar uma carga ao circuito, de acordo com esta fórmula. Aqui podemos ver que precisamos de alta frequência e alta capacitância para minimizar a queda de tensão, e que esta queda aumenta com a corrente, e também muito rapidamente com o número de estágios. Na verdade, por depender do cubo do número de estágios, um multiplicador com dez estágios tem 1000 vezes mais queda de tensão do que um com um único estágio.

Outra situação que surge quando estão presentes tensões muito altas é a descarga corona, que é uma descarga elétrica que surge quando a intensidade do campo elétrico ao redor de um condutor é alta o suficiente. Corona atua como uma carga indesejada no multiplicador, reduzindo a potência de saída. Uma forma de minimizar o corona é reduzir a curvatura dos condutores, evitando cantos vivos, pontas salientes e fios de pequeno diâmetro. Por esta razão são utilizados terminais e condutores de grande diâmetro. É claro que isso complica o projeto de multiplicadores de tensão muito alta, mas ao mesmo tempo é responsável por sua aparência impressionante, como na imagem principal.

O multiplicador de alta tensão tem uma história venerável em aceleradores de partículas, e até um prêmio Nobel de Física foi concedido por pesquisas que foram possíveis graças a ele. No entanto, à medida que novas tecnologias chegaram, em particular sistemas quadrupolos de radiofrequência, esses magníficos multiplicadores foram retirados. Com certeza sentiremos falta deles e é claro que isso não o impede de construir o seu próprio.