Hay varias formas de subir un voltaje relativamente bajo dos o tres veces, o incluso cientos de veces, pero también hay muchos riesgos.
La primera parte de esta serie de EDN sobre alta tensión revisó las configuraciones elevadoras de voltaje, que tienen un techo. Para llegar mucho más arriba se usan los llamados multiplicadores de voltaje. El diseño y lo que hay que considerar cambian por completo cuando la salida pasa de unos 100 V y, después, cuando entra en el rango de más de 1.000 V.
Por suerte, muchos de estos sistemas de alta tensión necesitan poca corriente (100 mA o menos), lo que simplifica el problema. Las aplicaciones de estos voltajes de verdad altos incluyen máquinas de rayos X, experimentos de física, dirección de haces, modelado de campos eléctricos, simulación de rayos y pruebas electrostáticas, entre muchas otras. Es más común de lo que se cree.
¿Por qué no usar un transformador?
La pregunta obvia es por qué no basta con un transformador con la relación de vueltas adecuada para multiplicar la entrada por 10, por 1.000 o por lo que haga falta. En teoría se puede. Pero a medida que crecen la relación de vueltas y el voltaje del secundario aparecen problemas, como la ineficiencia adicional por las pérdidas del transformador (quizás aceptable) y la ruptura dieléctrica del aislamiento del alambre, entre otros. No significa que sea imposible, pero las consideraciones prácticas lo vuelven un camino difícil.
El enfoque con transformador se ha usado comercialmente en muchas aplicaciones con una configuración llamada convertidor flyback (referencia 1). Fue el caso del tubo de rayos catódicos (CRT) de los televisores masivos que dominaron el mundo del video durante más de 50 años, hasta que llegaron las pantallas planas LED y LCD. El diseño flyback usa un transformador especial, bobinado como una combinación de transformador e inductor que almacena energía.
¿Cómo funciona un multiplicador de voltaje?
Existen varias topologías que multiplican el voltaje de entrada solo con componentes pasivos. En general, combinan diodos y condensadores en una serie de etapas, y cada etapa aprovecha el voltaje de la anterior. Estos multiplicadores son circuitos rectificadores especializados que entregan, en teoría, un múltiplo entero del pico de la entrada alterna, por ejemplo 2, 3 o 4 veces. Suelen armarse como una pila de rectificadores de media onda o de onda completa.
El circuito de la figura 1 muestra un multiplicador de tres etapas. Cada ciclo de la entrada alterna carga los distintos condensadores, y cada condensador termina cargado, tras ciclos sucesivos, al valor pico de la onda sinusoidal de entrada. Con una línea de 120 VAC rms, el pico es de 170 V. Como cada condensador se carga por separado y después quedan apilados en serie, el voltaje de salida es la suma de los voltajes de cada condensador.
Figura 1. En la configuración básica del multiplicador, una escalera de diodos y condensadores dispuestos como rectificadores se carga desde la línea alterna y suma sus voltajes en serie a la salida. (Fuente de la imagen: Spellman High Voltage Electronics Corporation)
En este circuito no hay conmutación visible, y aun así pasa de cargar a apilar el voltaje almacenado con una disposición rectificadora estándar. Los diodos actúan como interruptores pasivos y evitan que los condensadores se descarguen cuando el voltaje de entrada empieza a bajar. Dejan pasar la corriente hacia los condensadores, pero no de vuelta hacia la fuente. Si se necesita alta tensión negativa, eso es lo único fácil de estos multiplicadores. Basta con invertir la polaridad de todos los diodos y condensadores.
Lo que exige a los componentes
Estas configuraciones parecen fáciles de implementar, pero no lo son. Los diodos y condensadores deben soportar un voltaje de ruptura inverso de al menos el doble del pico que ven. Aun partiendo de una línea de 120 VAC (170 V de pico), un multiplicador de 10 veces necesita componentes de al menos 1.700 V, más un factor de 2 o más como margen de seguridad.
Hay otros problemas en diseños de alta tensión como estos. Entregan muy poca corriente a ese voltaje. En cuanto la carga empieza a consumir, la carga almacenada baja y con ella el voltaje. En muchos casos eso es demasiado restrictivo, aunque muchas aplicaciones de alta tensión necesitan poca corriente, por ejemplo para crear un campo eléctrico.
Además, la física de la alta tensión tiene muchos puntos donde pasan cosas "raras", y subir el voltaje no es un proceso lineal. EDN lo compara con el agua cuando cruza las temperaturas de congelación o de ebullición. Un ejemplo son las descargas corona que salen de las puntas afiladas. Son peligrosas por sí mismas, picotean los contactos metálicos y pueden perforar los aislantes.
¿Por qué importa hasta una soldadura?
Hasta las "cosas chicas", como una soldadura, son un problema para el efecto corona. Uno podría suponer que una soldadura estándar bien hecha no da problemas, pero actúa como punto de partida de una descarga corona. Por eso en alta tensión se usa con frecuencia la "soldadura de bola", con uniones grandes y esféricas (figura 2). La forma lisa y de gran diámetro ayuda a controlar el campo eléctrico local y suprime la aparición del efecto corona.
Figura 2. En alta tensión cada detalle de la construcción física es crítico. Una soldadura estándar favorece la descarga corona, así que las uniones se hacen como bolas sin esquinas. (Fuente de la imagen: Maker Forums)
Si está tentado de armar su propio circuito de alta tensión, piénselo con mucho cuidado. Probablemente no sea buena idea, porque hay mucho más que el esquemático y la lista de materiales (BOM), y esa misma lista lleva piezas muy particulares.
Es un mundo de verdad peligroso, donde "tener cuidado" no basta y el menor error o descuido tiene consecuencias mortales. El espaciado físico, las especificaciones de los componentes, las propiedades del aislamiento, las imperfecciones microscópicas y la ruptura de los materiales son solo algunos de los problemas. La protección del circuito también es particular. Los fusibles especiales y otros dispositivos contra sobrevoltaje y sobrecorriente son indispensables.
Eso no detiene a la gente, como muestra una publicación de alguien que arma un multiplicador de decenas de kilovoltios (referencia 5). EDN recomienda no intentarlo en casa, ni siquiera en el laboratorio, sin alguien con experiencia en construcción de alta tensión al lado que pueda pedir ayuda, aunque a esa altura suele ser tarde. Y si se pretende fabricar y vender el producto, quedan además los complejos temas regulatorios.
El avión del MIT sin piezas móviles
Hay muchos ejemplos de multiplicadores de alta tensión en proyectos llamativos. Un equipo del MIT construyó y probó un avión de pocos metros de envergadura sin piezas móviles (figura 3, con detalles en las referencias 6 y 7). Se impulsa con un flujo de iones negativos, atraídos por un campo electrostático positivo de alta tensión en el borde trasero del ala.
Figura 3. La alta tensión es clave en aplicaciones muy poco habituales, como este avión del MIT, que avanza gracias a una corriente de iones a lo largo del ala. Los iones son atraídos por la "valla" de 20 kV del borde de fuga. (Fuente de la imagen: MIT)
El avión vuela libre, sin cable, y lleva a bordo una batería (nominalmente de 200 V DC) para su fuente de 600 W (figura 4), diseñada por el Power Electronics Research Group del Research Laboratory of Electronics del MIT. Usa un regulador conmutado seguido de un transformador elevador de 1:15 y luego un multiplicador Cockcroft-Walton de onda completa y seis etapas, que entrega 20 kV DC (ver referencias 8 a 10).
Figura 4. Dentro del avión del MIT, un subsistema de potencia DC/DC convierte los 200 V DC de las baterías en una onda alterna y la transforma en 20 kV DC con la topología de multiplicador Cockcroft-Walton. (Fuente de la imagen: MIT)
Cockcroft-Walton en los aceleradores de partículas
Los multiplicadores Cockcroft-Walton tienen un papel muy grande en la física experimental avanzada, donde se usan a menudo como "inyectores" iniciales de distintos aceleradores de partículas. La unidad de 750 kV de la figura 5 se puso en servicio en 1975 en el CERN y se retiró hace poco. Hoy las unidades más grandes llegan a unos pocos megavoltios.
La figura 5 muestra ese generador Cockcroft-Walton del CERN, que produce hasta 750 kV. No es un equipo "de escritorio", porque mide unos 12 pies (cerca de 3,5 metros) de alto. (Fuente de la imagen: CERN)
El mundo de los elevadores y multiplicadores de alta tensión es extraño, pero importante. Algunas de estas arquitecturas dan voltajes apenas más altos y otras llegan al rango de los kilovoltios. Sobre unos 60 V la seguridad ya es un tema. En los cientos y miles de voltios aparecen además las características de los materiales y fenómenos eléctricos que hacen del diseño y la construcción a esos niveles un mundo muy distinto.
Referencias
- Wikipedia, "Flyback converter"
- Spellman High Voltage Electronics Corporation, "High-Voltage Reference Manual"
- All About Circuits, "Voltage Multipliers (Doublers, Triplers, Quadruplers, and More)"
- Instructables, "High Voltage Multiplier"
- MIT, "MIT engineers fly first-ever plane with no moving parts"
- MIT Electric Aircraft Initiative, "MIT engineers fly first-ever plane with no moving parts in propulsion system"
- Georgia State University Hyperphysics, "Cockroft-Walton Accelerators"
- Wikipedia, "Cockcroft–Walton generator"
- Wenzel Associates, TechLib, "Cockcroft-Walton voltage multipliers"
- CERN, "The 750kV Cockcroft-Walton generator and Faraday cage"
