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Circuitos multiplicadores CMOS (ART109)

 

Circuitos que elevem a tensão de uma bateria ou de outra fonte de corrente contínua fixa são muito utilizados nas aplicações modernas. Se bem que existam soluções integradas de conversores DC/DC tipo Boost, a implementação de circuitos para testes ou mesmo para aplicações não tão críticas, pode apresentar algumas dificuldades ao desenvolvedor. Uma forma simples de se aumentar a tensão de uma fonte é através de multiplicadores chaveados. Neste artigo focalizamos essa solução tomando como base circuitos integrados CMOS. Mais informações sobre o assunto podem ser encontradas em diversos artigos deste site como:

ART014 – Multiplicadores de tensão

NE0060 – Dobrador de tensão

NE0092 – Multiplicador de Tensão por 12

 

 

 

 

Grande quantidade de equipamentos portáteis, ou de uso móvel utilizam pilhas ou baterias como fonte de alimentação.

Essas fontes fixas atendem às exigências da maioria dos circuitos, no entanto, em alguns casos é preciso ter mais de uma tensão disponível num circuito e essa tensão pode ser maior do que a fornecida pela sua fonte original.

Os conversores tipo boost são largamente usados na alimentação de LEDs brancos e outros dispositivos que exigem tensões acima da fornecida por baterias e pilhas convencionais.

No entanto, existem casos em que a tensão exigida é mais alta, mas a corrente drenada pela carga alimentada é muito pequena, caso em que não se justifica o uso de um conversor de maior potência.

A solução para esse caso, em que baixas correntes são exigidas está no uso de multiplicadores de tensão.

Assim, partindo das configurações tradicionais, podemos elaborar configurações chaveadas capazes de gerar praticamente qualquer tensão desejada, como veremos a seguir.

 

As Configurações Tradicionais

Os dobradores de tensão, triplicadores e multiplicadores têm sido usados em fontes de alimentação desde há muito tempo. A configuração mostrada na figura 1, por exemplo, é tradicional em muitos eletro-eletrônicos, operando diretamente a partir da corrente alternada da rede de energia.

 

Nesse dobrador, num semiciclo os capacitores se carregam em paralelo, para depois, no semiciclo seguinte, se descarregarem em série através da carga. Veja mais sobre seu funcionamento nos artigos indicados na introdução.

Na figura 2 temos o caso de um triplicador de tensão tradicional, muito usado em fontes de MAT (Muito Alta Tensão) de cinescópios de monitores de vídeo, televisores e qualquer outra aplicação que faça uso de um tubo de raios catódicos.

 

Observe que nas duas figuras os circuitos desenhados são os mesmos. Apenas eles são desenhados em (a) e (b) de maneiras diferentes, mostrando que a configuração pode ter seu princípio básico repetido indefinidamente.

 

 

Nos Circuitos de Corrente Contínua

Para que as configurações indicadas funcionem é preciso que sua entrada seja uma tensão alternada.

Assim, no caso de um circuito alimentado por bateria, precisamos usar um oscilador para gerar um sinal de excitação para tais circuitos multiplicadores.

Uma forma muito simples de se gerar o sinal de excitação de um dobrador é com um circuito CMOS, conforme mostra a figura 3.

 

É claro que, num circuito desse tipo, que pode operar com tensões de entrada de 3 a 15 V, a corrente disponível na carga e descarga dos capacitores é muito baixa.

Essas fontes multiplicadoras servem então somente para alimentar circuitos de muito baixo consumo. O mesmo princípio, entretanto, pode ser aplicado à cargas maiores se incluirmos no circuito ume etapa de potência.

A freqüência de operação do circuito é importante tanto em termos de rendimento tanto em termos de eventual interferências geradas que possam afetar outras etapas do circuito.

Os valores dados neste circuito são típicos, podendo o projetista fazer alterações conforme a aplicação. Os diodos são de uso geral como os 1N4148 ou 1N914. Também podem ser usados os 1N4002 se bem que eles sejam exagerados para a aplicação.

Na figura 4 mostramos 4 configurações que podem ser usadas para gerar os sinais de excitação dos multiplicadores de tensão.

 

Todas elas fazem uso de circuitos integrados CMOS convencionais. Nada impede entretanto, que sejam usados circuitos TTL e até mesmo feitas adaptações com etapas de potência usando transistores bipolares ou MOSFETs de potência.

A freqüência de operação de cada um dos circuitos é dada pelos resistores e capacitores os quais podem ser alterados. Os valores mostrados são típicos para aplicações comuns.

 

Circuitos Práticos

Partindo das configurações básicas que vimos podemos elaborar diversos circuitos práticos interessantes, lembrando sempre que as correntes máximas de saída são de poucos miliampères e que a medida direta da tensão só pode ser feita com instrumentos que tenham uma resistência de entrada muito alta.

Multímetros comuns “carregam” tais circuitos, fazendo com que a tensão caia e seja dada uma falsa indicação de seu valor.

Na figura 5 temos uma primeira aplicação prática que consiste em um dobrador capaz de fornecer tensões positivas de saída (a) ou negativas (b).

 

Entrando com 5 V teremos uma saída de 10 V. Os diodos são de uso geral como os 1N4148 ou equivalentes.

A corrente máxima de saída é da ordem de algumas centenas  de microampères, o que deve ser levado em conta nas aplicações práticas.

Tomamos como base o circuito integrado 4093, mas nada impede que qualquer inversor CMOS pode ser usado neste circuito.

Uma aplicação interessante para o caso de se necessitar alimentar um amplificador operacional ou um comparador de tensão de muito baixo consumo é a apresentada na figura 6.

 

Esse circuito consiste numa fonte simétrica de 10 + 10 V que opera a partir de uma entrada simples de 5 V. Trata-se de um dobrador positivo e de um dobrador negativo num mesmo circuito.

Três inversores do 4049 formam um oscilador que determina o ritmo de operação do inversor e ao mesmo tempo excitam as outras três portas inversoras no setor negativo do multiplicador de tensão.

Os valores dos componentes são típicos podendo ser f eitas alterações, conforme a aplicação. Também podem ser usados inversores TTL em configurações equivalentes, com as devidas alterações de valores dos componentes.

Precisando de uma corrente maior de saída num dobrador de tensão, podemos ligar inversores em paralelo, conforme mostra a figura 7.

 

Neste circuito, a capacidade de corrente dobra, mas ainda assim é da ordem de microampères.

A freqüência de operação é determinada basicamente pelo  capacitor de 2,2 nF e pelo resistor de 4,7 k ohms. Esses componentes podem ser alterados no sentido de se obter o melhor rendimento.

Outras tensões de entrada podem ser utilizadas, com a troca do diodo zener por um que tenha o dobro da tensão de entrada. Os diodos D1 a D3 são do tipo 1N4148 ou equivalentes.

Finalmente, podemos obter a multiplicação de tensão utilizando todos os seis inversores de um circuito integrado 4049, conforme mostra o circuito da figura 8.

 

Neste circuito temos a multiplicação da tensão por 5, obtendo-se entre 50 e 80 V de saída quando a tensão de entrada varia entre 10 e 15 V.

Observe que o teorema da conservação de energia é válido aqui, como em qualquer outro caso em que ocorram transformações desse tipo. Quanto maior a tensão de saída, menor será a intensidade da corrente obtida.

A freqüência de operação depende de R1 e C7, componentes que podem ter seus valores alterados no sentido de se obter melhor rendimento.

Também é importante observar que outros inversores podem ser usados na mesma configuração e que diversas dessas etapas podem ser associadas no sentido de se aumentar ainda mais a tensão de saída.

Por exemplo, ligando-se D6 à entrada de uma etapa com mais seis inversores (sem osciladores), podemos multiplicar por 10 a tensão de entrada, obtendo entre 100 e 150 V de saída quando a tensão de entrada variar entre 10 e 15 V.

Um circuito desse tipo pode perfeitamente ser usado para acender uma lâmpada neon em série com um resistor de 220 k ohms a 1 M ohms num sistema de sinalização.

Novamente fica claro que a corrente máxima que esses circuitos podem fornecer é extremamente baixa, servindo somente para alimentação de etapas de baixo consumo ou polarização.

 

Conclusão

As etapas descritas neste artigo podem servir para diversas implementações de geradores de tensões mais altas do que as disponíveis numa fonte fixa.

Partindo desses circuitos, o projetista pode perfeitamente verificar se seu projeto funciona e eventualmente partir para conversores boost integrados. No entanto, podem até existir casos em que a implementação dessas configurações, pela sua simplicidade seja mais vantajosa.

 

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