Gerador Cockcroft-Walton - Cockcroft–Walton generator

Este acelerador de partículas Cockcroft-Walton foi usado durante o desenvolvimento da bomba atômica . Construído em 1937 pela Philips de Eindhoven , agora está no National Science Museum em Londres , Inglaterra .
Acelerador Cockcroft-Walton de 750 kV usado como o injetor de partículas inicial do acelerador KEK japonês , Tsukuba, Japão. O gerador CW está à direita, a fonte de partículas à esquerda.

O Cockcroft-Walton ( CW ) gerador , ou multiplicador , é um circuito eléctrico que gera uma alta DC tensão a partir de uma baixa tensão CA ou CC pulsante de entrada. Foi nomeado em homenagem aos físicos britânico e irlandês John Douglas Cockcroft e Ernest Thomas Sinton Walton , que em 1932 usou este projeto de circuito para alimentar seu acelerador de partículas , realizando a primeira desintegração nuclear artificial da história. Eles usaram essa cascata multiplicadora de voltagem para a maioria de suas pesquisas, que em 1951 lhes valeram o Prêmio Nobel de Física por "Transmutação de núcleos atômicos por partículas atômicas aceleradas artificialmente". O circuito foi descoberto em 1919, por Heinrich Greinacher , um físico suíço . Por esse motivo, essa cascata de duplicação às vezes também é chamada de multiplicador de Greinacher . Os circuitos Cockcroft-Walton ainda são usados ​​em aceleradores de partículas. Eles também são usados ​​em dispositivos eletrônicos do dia a dia que requerem altas tensões, como máquinas de raio X , fornos de microondas e fotocopiadoras .

Operação

Um multiplicador Cockcroft-Walton de dois estágios
Um multiplicador CW de onda completa de três estágios

O gerador CW é um multiplicador de tensão que converte energia elétrica CA ou CC pulsante de um nível de tensão baixa para um nível de tensão CC mais alto. É composto por uma rede em escada multiplicadora de tensão de capacitores e diodos para gerar altas tensões. Ao contrário dos transformadores , este método elimina a necessidade de núcleo pesado e o volume de isolamento / encapsulamento necessário. Usando apenas capacitores e diodos, esses multiplicadores de tensão podem aumentar tensões relativamente baixas para valores extremamente altos, ao mesmo tempo que são muito mais leves e baratos que os transformadores. A maior vantagem de tais circuitos é que a tensão em cada estágio da cascata é igual a apenas duas vezes a tensão de entrada de pico em um retificador de meia onda. Em um retificador de onda completa, é três vezes a tensão de entrada. Tem a vantagem de exigir componentes de custo relativamente baixo e ser fácil de isolar. Também é possível derivar a saída de qualquer estágio, como em um transformador multitapped.

Para entender a operação do circuito, consulte o diagrama da versão de dois estágios à direita. Suponha que o circuito seja alimentado por uma tensão alternada V i com um valor de pico de V p e, inicialmente, os capacitores estejam descarregados. Depois que a tensão de entrada é ligada

  • Quando a tensão de entrada V i atinge seu pico negativo - V p , a corrente flui através do diodo D1 para carregar o capacitor C1 para uma tensão de V p .
  • Quando V i inverte a polaridade e atinge seu pico positivo + V p , ele aumenta a tensão do capacitor para produzir uma tensão de 2 V p na placa direita de C1 . Como D1 tem polarização reversa, a corrente flui de C1 através do diodo D2 , carregando o capacitor C2 para uma tensão de 2 V p .
  • Quando V i inverte a polaridade novamente, a corrente de C2 flui através do diodo D3 , carregando o capacitor C3 também para uma tensão de 2 V p .
  • Quando V i inverte a polaridade novamente, a corrente de C3 flui através do diodo D4 , carregando o capacitor C4 também para uma tensão de 2 V p .

A cada mudança na polaridade de entrada, a corrente sobe pela "pilha" de capacitores através dos diodos, até que estejam todos carregados. Todos os capacitores são carregados com uma tensão de 2 V p , exceto C1 , que é carregado com V p . A chave para a multiplicação da tensão é que enquanto os capacitores são carregados em paralelo, eles são conectados à carga em série. Como C2 e C4 estão em série entre a saída e o terra, a tensão total de saída (sob condições sem carga) é V o = 4 V p .

Este circuito pode ser estendido a qualquer número de estágios. A tensão de saída sem carga é duas vezes a tensão de entrada de pico multiplicada pelo número de estágios N ou, de forma equivalente, a oscilação de tensão de entrada de pico a pico ( V pp ) vezes o número de estágios

O número de estágios é igual ao número de capacitores em série entre a saída e o terra.

Uma maneira de ver o circuito é que ele funciona como uma "bomba" de carga, bombeando carga elétrica em uma direção, subindo pela pilha de capacitores. O circuito CW, junto com outros circuitos de capacitores semelhantes, é freqüentemente chamado de bomba de carga . Para cargas substanciais, a carga nos capacitores é parcialmente esgotada e a tensão de saída cai de acordo com a corrente de saída dividida pela capacitância.

Características

Na prática, o CW tem várias desvantagens. Conforme o número de estágios é aumentado, as tensões dos estágios superiores começam a "cair", principalmente devido à impedância elétrica dos capacitores nos estágios inferiores. E, ao fornecer uma corrente de saída, a ondulação de tensão aumenta rapidamente conforme o número de estágios é aumentado (isso pode ser corrigido com um filtro de saída, mas requer uma pilha de capacitores para suportar as altas tensões envolvidas). Por essas razões, multiplicadores de CW com grande número de estágios são usados ​​apenas onde uma corrente de saída relativamente baixa é necessária. A queda pode ser reduzida aumentando a capacitância nos estágios inferiores, e a ondulação pode ser reduzida aumentando a frequência da entrada e usando uma forma de onda quadrada. Ao conduzir o CW a partir de uma fonte de alta frequência, como um inversor , ou uma combinação de um inversor e transformador HV, o tamanho físico geral e o peso da fonte de alimentação CW podem ser substancialmente reduzidos.

Os multiplicadores de CW são normalmente usados ​​para desenvolver tensões mais altas para aplicações de corrente relativamente baixa, como tensões de polarização variando de dezenas ou centenas de volts a milhões de volts para experimentos de física de alta energia ou testes de segurança contra raios . Multiplicadores de CW também são encontrados, com um número maior de estágios, em sistemas de laser , fontes de alimentação de alta tensão, sistemas de raios-X , retroiluminação LCD , amplificadores de tubo de onda viajante , bombas de íons , sistemas eletrostáticos , ionizadores de ar , aceleradores de partículas , cópia máquinas , instrumentação científica, osciloscópios , aparelhos de televisão e tubos de raios catódicos , armas de eletrochoque , zappers de insetos e muitas outras aplicações que usam CC de alta tensão.

Galeria de imagens

1.2 MV acelerador Cockcroft-Walton de 6 estágios no Clarendon Lab, Oxford University em 1948
Acelerador 3 MV CW no Kaiser Wilhelm Institute , Berlin em 1937, considerado o CW mais poderoso na época (as duas escadas de 4 estágios produziram polaridade oposta). Observe as três figuras humanas no centro superior para ver a escala.
Painel de controle da máquina Kaiser Wilhelm
Multiplicador em cascata de diodo semicondutor de 3 estágios (verde) no suprimento de ânodo de um aparelho de televisão de tubo de raios catódicos

Veja também

Um circuito semelhante é o gerador de Marx , que tem uma estrutura em "escada" semelhante, mas consiste em resistores, capacitores e centelhadores. O gerador de Marx produz pulsos curtos, enquanto o gerador CW produz uma corrente contínua constante. Ao contrário do multiplicador (gerador) Cockcroft – Walton, o gerador Marx precisa de ar para os centelhadores e não pode ser imerso em óleo como isolante.

Notas

Leitura adicional

links externos