Es posible utilizar los sencillos circuitos de diodo-condensador descritos anteriormente para duplicar la tensión de una fuente de CC precediendo el duplicador de tensión con un circuito chopper. En efecto, esto convierte la CC en CA antes de aplicarla al duplicador de tensión. Se pueden construir circuitos más eficientes conduciendo los dispositivos de conmutación desde un reloj externo, de manera que ambas funciones, el picado y la multiplicación, se realicen simultáneamente. Estos circuitos se conocen como circuitos de condensadores conmutados. Este enfoque es especialmente útil en aplicaciones alimentadas por baterías de bajo voltaje en las que los circuitos integrados requieren un suministro de voltaje mayor que el que puede proporcionar la batería. Frecuentemente, una señal de reloj está disponible a bordo del circuito integrado y se necesita poco o ningún circuito adicional para generarla.
Conceptualmente, quizás la configuración de condensadores conmutados más simple es la que se muestra esquemáticamente en la figura 5. Aquí dos condensadores se cargan simultáneamente a la misma tensión en paralelo. A continuación se desconecta la alimentación y los condensadores se ponen en serie. La salida se toma a través de los dos condensadores en serie, lo que resulta en una salida del doble de la tensión de alimentación. Hay muchos dispositivos de conmutación diferentes que podrían utilizarse en un circuito de este tipo, pero en los circuitos integrados se emplean frecuentemente dispositivos MOSFET.
Otro concepto básico es la bomba de carga, una versión de la cual se muestra esquemáticamente en la figura 6. El condensador de la bomba de carga, CP, se carga primero a la tensión de entrada. A continuación, se cambia para cargar el condensador de salida, CO, en serie con la tensión de entrada, lo que hace que CO se cargue finalmente al doble de la tensión de entrada. Pueden pasar varios ciclos antes de que la bomba de carga consiga cargar completamente el CO, pero una vez alcanzado el estado estacionario sólo es necesario que el CP bombee una pequeña cantidad de carga equivalente a la que se suministra a la carga desde el CO. Mientras el CO está desconectado de la bomba de carga, se descarga parcialmente en la carga, lo que provoca una ondulación en la tensión de salida. Esta ondulación es menor para frecuencias de reloj más altas, ya que el tiempo de descarga es más corto, y también es más fácil de filtrar. Alternativamente, los condensadores pueden hacerse más pequeños para una especificación de ondulación determinada. La frecuencia de reloj máxima práctica en los circuitos integrados suele ser de cientos de kilohercios.
Bomba de carga DicksonEditar
La bomba de carga Dickson, o multiplicador Dickson, consiste en una cascada de celdas de diodos/condensadores con la placa inferior de cada condensador accionada por un tren de pulsos de reloj. El circuito es una modificación del multiplicador Cockcroft-Walton, pero toma una entrada de CC con los trenes de reloj que proporcionan la señal de conmutación en lugar de la entrada de CA. El multiplicador Dickson normalmente requiere que las celdas alternas sean conducidas desde pulsos de reloj de fase opuesta. Sin embargo, dado que un duplicador de voltaje, mostrado en la figura 7, requiere sólo una etapa de multiplicación, sólo se requiere una señal de reloj.
El multiplicador de Dickson se emplea con frecuencia en circuitos integrados en los que la tensión de alimentación (de una batería, por ejemplo) es inferior a la requerida por el circuito. En la fabricación de circuitos integrados es ventajoso que todos los componentes semiconductores sean básicamente del mismo tipo. Los MOSFET suelen ser el bloque lógico estándar en muchos circuitos integrados. Por esta razón, los diodos suelen ser sustituidos por este tipo de transistores, pero cableados para que funcionen como diodos – una disposición denominada MOSFET cableado por diodos. La figura 8 muestra un duplicador de tensión Dickson que utiliza MOSFETs de tipo de mejora de canal n cableados con diodos.
Hay muchas variaciones y mejoras de la bomba de carga Dickson básica. Muchas de ellas tienen que ver con la reducción del efecto de la tensión de drenaje-fuente del transistor. Esto puede ser muy significativo si la tensión de entrada es pequeña, como una batería de bajo voltaje. Con elementos de conmutación ideales, la salida es un múltiplo integral de la entrada (dos para un duplicador), pero con una batería de una sola célula como fuente de entrada y conmutadores MOSFET, la salida será mucho menor que este valor, ya que gran parte de la tensión caerá a través de los transistores. Para un circuito que utilice componentes discretos, el diodo Schottky sería una mejor elección como elemento de conmutación por su bajísima caída de tensión en el estado de encendido. Sin embargo, los diseñadores de circuitos integrados prefieren utilizar el MOSFET, fácilmente disponible, y compensar sus insuficiencias con una mayor complejidad del circuito.
Como ejemplo, una pila alcalina tiene una tensión nominal de 1,5 V. Un duplicador de tensión que utilice elementos de conmutación ideales con una caída de tensión nula emitirá el doble, es decir, 3,0 V. Sin embargo, la caída de tensión drenaje-fuente de un MOSFET cableado por diodos cuando está en estado activado debe ser al menos la tensión de umbral de la puerta, que suele ser de 0,9 V. Este «duplicador» de tensión sólo conseguirá elevar la tensión de salida entre 0,6 V y 2,1 V. Si también se tiene en cuenta la caída a través del transistor de suavizado final, es posible que el circuito no pueda aumentar la tensión en absoluto sin utilizar múltiples etapas. Por otro lado, un diodo Schottky típico puede tener una tensión en estado activado de 0,3 V. Un duplicador que utilice este diodo Schottky dará como resultado una tensión de 2,7 V, o en la salida después del diodo de suavizado, 2,4 V.
Condensadores conmutados acoplados en cruzEditar
Los circuitos de condensadores conmutados acoplados en cruz son ideales para tensiones de entrada muy bajas. Los equipos inalámbricos accionados por batería, como los buscapersonas, los dispositivos bluetooth y similares, pueden requerir que una batería de una sola célula siga suministrando energía cuando se ha descargado a menos de un voltio.
Cuando el reloj ϕ 1 {\displaystyle \phi _{1}}
es bajo el transistor Q2 se apaga. Al mismo tiempo el reloj ϕ 2 {\displaystyle \phi _{2}\ }
es alto encendiendo el transistor Q1 dando como resultado que el condensador C1 se cargue hasta Vin. Cuando ϕ 1 {\displaystyle \phi _{1}\ }
se eleva la placa superior de C1 es empujado hasta el doble de Vin. Al mismo tiempo, el interruptor S1 se cierra para que esta tensión aparezca en la salida. Al mismo tiempo Q2 se enciende permitiendo que C2 se cargue. En el siguiente medio ciclo los papeles se invierten: ϕ 1 {\displaystyle \phi _{1}\ }
será baja, ϕ 2 {\displaystyle \phi _{2}\ }
será alta, S1 se abrirá y S2 se cerrará. Así, la salida se alimenta con 2Vin alternativamente desde cada lado del circuito.
La pérdida es baja en este circuito porque no hay MOSFETs cableados por diodos y sus problemas de tensión umbral asociados. El circuito también tiene la ventaja de que la frecuencia de ondulación se duplica porque hay efectivamente dos duplicadores de voltaje que suministran la salida desde relojes desfasados. La principal desventaja de este circuito es que las capacitancias parásitas son mucho más significativas que con el multiplicador Dickson y representan la mayor parte de las pérdidas en este circuito.