Generadores de alta tensión.  Parte 2

 Rectificador y multiplicador de tensión.

De manera casi unánime, para obtener tensiones muy altas se recurre a circuitos multiplicadores de voltaje mediante redes de condensadores y diodos ya que resulta bastante complicado o no conveniente pasar directamente de tensiones de decenas de voltios a decenas de miles. Para alimentar los tubos de rayos catódicos en los televisores se emplean tensiones del orden de los 25 kV que se obtienen triplicando la salida del transformador de MAT.

Cuando se trabaja con voltajes superiores a los 10 KV, las posibilidades de chispas, fugas coronas y otros efectos de alta tensión son el mayor problema a resolver por el constructor de estos aparatos. Por ello en los circuitos multiplicadores comerciales los componentes del multiplicador y los cables de entrada y salida suelen estar muy bien aislados con gruesas capas de silicona. Pretender hacer un circuito sin un buen planteamiento de los aislantes es lanzarse a un fracaso casi seguro.

Empleando la técnica descrita a continuación yo he construido varios circuitos multiplicadores que han alcanzado el espantoso voltaje de mas de 300.000 voltios, con chispas de mas de 40 cm de longitud que hacían el ruido de una buena traca de petardos. Y tengo que decir que me siento muy satisfecho de su funcionamiento, flexibilidad y facilidad de fabricación.

Circuitos multiplicadores de voltaje.

A lo largo del siglo XX se desarrollaron diversos máquinas y circuitos para obtener altos voltajes de corriente continua. Entre ellos están lo generadores Van del Graaf, los carretes de Rumkoff y otros como los multiplicadores de voltaje a partir de una corriente alterna de alta tensión que son los que describimos aquí. Estos circuitos se desarrollaron durante por Cockroft y Walton en 1932 como fuente de alta tensión para un acelerador de partículas para experimentación nuclear. En la página http://wavecrypt.webcindario.com, puede encontrarse mas información sobre alto voltaje.

A continuación se representa el circuito que corresponde a la celda básica de un multiplicador de tensión

Como se puede ver esta formado por dos diodos y dos condensadores. Su suponemos que el consumo de corriente es nulo, El voltaje en continua Vout, es dos veces el voltaje de pico de la corriente alterna de entrada Vin. La salida es de tensión positiva. Esta celda básica, teóricamente, se puede repetir cuantas veces sea necesario aunque en la práctica a partir de diez veces su rendimiento no resulta aceptable.

En el circuito anterior se han conectado cinco etapas multiplicadoras en serie con lo cual, el voltaje de salida (positivo) es aproximadamente 10 veces el voltaje de pico de la entrada.

Para obtener voltajes positivos en vez de negativos basta con invertir el sentido de los diodos, pero resulta mas conveniente construir un subconjunto que simplemente cambiando las entradas y las salidas para que proporcione voltajes negativos o positivos.

 

 

Como puede verse, si consideramos masa (o común ) el terminal 2 y conectamos la entrada de alterna al 1, La salida 4 proporcionara frente a 2 una salida positiva. Para obtener salidas negativas se conecta la entrada de alterna a 3, consideremos masa a 4 y la salida la obtenemos en 2 (considerando masa en 4).

 Valores de los componentes.

Generalmente los diodos y los condensadores de toda la red de multiplicadores tienen el mismo valor. Esta claro que la tensión inversa máxima de los diodos y de los condensadores debe ser al menos dos veces la tensión de pico de la entrada aunque se aconseja dejar un margen suficientemente amplio.

No vamos a desarrollar las formulas para calcular el rizado, tan solo alguna receta suficiente para conseguir un buen funcionamiento del circuito. En teoría cuanto mayor sean estos condensadores menos rizado tiene el generador. No obstante cuanto mayor sea esta capacidad mas energía se almacena en ellos con lo cual si el valor es demasiado grande cualquier descarga accidental se transformara en un rayo con capacidad para destruir muchos circuitos. El valor mínimo de estos condensadores puede considerarse para un rizado de un 5 % de la tensión de nominal de suministro. Este valor disminuye con la frecuencia de operación y aumenta con la corriente esperada de consumo.

Como caso practico, un circuito multiplicador que opere a 20 kHz, alimentado con corriente alterna de entre 10 y 15.000 voltios y una corriente de 2 mA o menos puede operar con un rizado bastante aceptable empleando condensadores de 1 nF. Si operamos a la mitad de frecuencia o pensamos en el doble de intensidad, o si necesitamos la mitad de rizado el valor de estos condensadores deberá ser el doble.

Algunas veces he pensado en emplear un transformador de neón con una salida de 15 kV de pico para alimentar un multiplicador. Pensaba en obtener corrientes del orden de los 20 mA, para lo que debía emplear condensadores de al menos 400 nf a 15.000 voltios. Con un pequeño calculo ( E= 1/2 CV2) se calcula que la energía almacenada en cada condensador es de 50 julios, mas o menos el equivalente a la de una bala de pistola. Suficiente para destruir los diodos u otros componentes en caso de una descarga accidental. Si en vez de operar a 50 Hz operásemos a 20 khz los condensadores pueden ser 400 veces inferiores y su energía almacenada 400 veces menor. Como se puede ver es evidente la ventaja de operar a las frecuencias mas altas posibles. Los condensadores son menores, lo cual produce un aumento en la fiabilidad y una enorme reducción del coste de los componentes y el tamaño.

Diodos. Los diodos deben soportar al menos el doble de la tensión de los condensadores y deben ser lo suficientemente rápidos para operar a las frecuencias decididas. Muchos diodos como los empleados en hornos microondas son adecuados para trabajar a la frecuencia de la red, pero no lo son para trabajar a 20 Khz que es el caso en que estamos.

Construcción practica, de un generador de 300.000 voltios 1 mA. 

La fotografía a continuación muestra la etapa rectificadora y multiplicadora. Esta compuesta por 12 etapas que dan un total de multiplicación por 24. Teóricamente alimentando con 15.000 voltios a 20 kHz debería proporcionar 360.000 voltios. En la practica no llega a alcanzar esta tensión salvo en circuito abierto.

El conjunto esta montado en un tubo de poliéster transparente de 50 mm de diámetro y 600 mm de longitud. El cilindro esta lleno de aceite de parafina para aislar los componentes. Este aislamiento es mucho mas ventajoso que embeber los componentes en resina ya que se pueden ver las posibles coronas interior y resulta muy fácil su reparación. A cambio hay que tener cuidado para evitar que se salga el aceite. Se puede emplear aceite de transformador, pero el aceite de parafina es mas limpio y suficientemente aislante y además es incoloro y transparente.

  

Los componentes azules y amarillos son exactamente el mismo condensador de 1 nF 15 Kv, la diferencia de color se debe a que son de distinto fabricante.

El tubo esta cerrado en su parte inferior con un tapón de metacrilato pegado. En la parte superior se cierra con un tapón con una junta tórica que se fija mediante unos tornillos de plástico. El sistema resulta hermético y no pierde aceite. Tanto en el cierre inferior como en el superior hay dos conectores de dos contactos.  

En el interior del tubo hay una placa de metacrilato de 10 x 30 x 550 mm con un conector en cada extremo que se acoplan con los de los cierres. Sobre esta placa se montan los componentes según el esquema expuesto anteriormente, de manera que simplemente sacando la placa e invirtiendo su sentido se puede pasar de generación de voltaje positivo a negativo. Como se puede ver en las fotografías, se deja una pequeña cámara de aire en el interior del tubo para permitir la dilatación del aceite.

 La placa de plástico contribuye a dar estabilidad mecánica a la red de condensadores y diodos. Para mejorar la estabilidad conviene, de cuando en cuando, atar los componentes a la placa mediante un hilo de material no conductor. (nylon por ejemplo)

 

 

El sistema de montaje empleado tiene varias ventajas. Es económico, es fácil de fabricar, permite invertir la polaridad con solo girar la placa de componentes, es fácilmente reparable ya que en el caso de que se estropee un componente se desarma la placa y se sustituye.

En mi caso el tubo completo de multiplicador se fija en una U ( de 200 x 200 mm aprox.) construida con chapa de aluminio de 2 mm de espesor. Las conexiones de alterna de sacan por debajo con cable aislante de alta tensión. (tener en cuenta que se alimenta a 15 kV).

La salida cuenta con un conector hembra de los del tipo banana, sellado con Araldit para evitar fugas de aceite. En una de las fotografías anteriores el terminal positivo esta conectado a una esfera de aluminio de las empleadas en los generadores Van der Graaff. Si se dispone de una de ellas es muy conveniente, ya que las tensiones que aquí se manejan no son "moco de pavo".

Si se coloca una esfera como la descrita, y acercamos (empleando una vara de un metro de material aislante) un electrodo conectado a tierra, saltaran chispas de mas de 25 cm de longitud con un buen ruido. En caso de no conectar la esfera, del terminal de salida saldrá una especia de chorro de iones de color azulado y ruido parecido al del aire a presión de casi 5 cm de longitud. Si colocamos aquí un electrodo terminado en punta este chorro será aun mas potente.

Materiales para fabricar el multiplicador.

Los condensadores empleados son cerámicos de 1 nF / 15 KV. Pueden conseguirse en RS, numero de catalogo 119-097, a un precio de 2,53 euros.

Los diodos empleados son Philips modelo BY 8224, están caracterizados para 30 kV y 3 mA con 100 ns de tiempo de recuperación . En RS el numero de catalogo es el 294-3937 y tienen un costo de 0,45 euros.

El tubo de plástico transparente, se puede comprar en Resopal o en RS, numero de catalogo 282-2262, tiene un coste de 30 euros. El aceite de parafina puede obtenerse en Riesgo.



Conclusión:

El diño del multiplicador de tensión embebido en aceite de parafina resulto tremendamente practico. De hecho en diferentes momento hubo que sustituir condensadores y diodos averiados, lo que se realizo sin problemas. Cuando esta en funcionamiento pueden verse corrientes del aceite de parafina inducidas por los potenciales electrostáticos. Los diodos utilizados resultaron pequeños y se estropearon frecuentemente. Resultaría conveniente instalar una resistencia de 5 M a la salida para limitar la corriente. Este multiplicador produce chispas de mas de 30 cm de longitud que resultan estremecedoras.



El circuito oscilador de potencia presentado en este trabajo funciono bien. Por contra tiene el problema de estar alimentado en CC lo que encarece el circuito especialmente si se requieren altas potencias ya que es necesaria la fuente de alimentación completa.. Este circuito se ha superado con un nuevo diseño en el que la red es directamente rectificada filatrada y chopeada por un oscilador de medio puente mucho mas robusto que el aquí presentado. El circuito en cuestión resulta mas simple y barato y además se suministra las transparencias para realizar el circuito impreso, con lo que se simplifica el montaje. Ver aquí el circuito Choper.



Profesor Frank de Copenhague.