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Spannungsverdoppler:Eine billigere und leichtere Alternative zu Transformator-Gleichrichter-Schaltungen

Denken Sie darüber nach, ein Prüfgerät für hohe Gleichspannung zu bauen? Ein solches Gerät ist zum Testen oder Bauen von Elektronik und Geräten erforderlich, die eine hohe Gleichspannung benötigen, wie beispielsweise Mikrowellenöfen und Kathodenstrahlröhren. Es ist zwar möglich, für diese Aufgabe einen Aufwärtstransformator und Gleichrichter zu verwenden, aber Transformatoren sind schwere und teure Komponenten. Als solche bieten sie nicht die beste Lösung. Ein Spannungsdoppel ist eine bessere Alternative, die nur wenige Komponenten zum Zusammenbau erfordert. Wir haben alle Details dargelegt, wenn Sie einen für Ihr Projekt bauen möchten. Aber schauen wir uns zuerst die Definition und die Arten von Spannungsverdopplern an.

Was ist ein Spannungsverdoppler?

Ein Spannungsverdoppler ist eine Spannungsvervielfacherschaltung mit einem Multiplikationsfaktor von zwei. Es nimmt eine Wechselspannung als Eingang auf und erzeugt dann eine Gleichspannung, die dem Doppelten der Spitzeneingangsspannung entspricht.

Dadurch macht die Schaltung zwei Dinge. Er übernimmt die Rolle eines Aufwärtstransformators, indem er die AC-Spitzenspannung anhebt, und eines Gleichrichters, da er AC in DC umwandelt.

Spannungsverdoppler-Design

Quelle:Wikimedia Commons.

Als Spannungsvervielfacher bilden Verdoppler die Grundbausteine ​​bzw. Einzelstufen von Schaltungen höherer Ordnung.

Spannung vervierfachen (beachten Sie die vier Dioden und Kondensatoren)

Quelle:Wikimedia Commons.

Sie können ähnliche Stufen kaskadieren, um Spannungsverdreifacher, -vervierfacher und mehr zu erstellen. Eine dreifache Spannung hat drei Dioden und Kondensatoren, während eine vierfache Spannung jeweils vier hat. Die Schaltung kann nach oben skaliert werden, um die für das Projekt benötigte Spannung zu erreichen.

Wie funktioniert eine Spannungsverdopplerschaltung?

Ein Spannungsverdoppler besteht aus vier diskreten Komponenten, die die Spannung verstärken und den Strom in eine Richtung fließen lassen. Dies sind zwei Dioden und zwei Kondensatoren.

Spannungsverdopplungsschaltung

Quelle:Wikimedia Commons.

Die Schaltung ordnet die Komponenten so an, dass eine der Dioden während jedes Wechselspannungszyklus leitend wird. In der positiven Halbwelle bleibt Diode zwei ausgeschaltet, sodass nur ein Kondensator auf die AC-Spitzeneingangsspannung aufgeladen wird.

Diode eins schaltet während der negativen Spitze aus, aber Diode zwei leitet und lädt den zweiten Kondensator auf. Die Schaltung hatte jedoch bereits im vorherigen Zyklus den Kondensator eins geladen. Daher wird diese Spannung zur eingehenden Wechselspannung addiert.

Das Ergebnis ist eine Verdopplung der Spitzen-Wechselspannungsquelle am zweiten Kondensator, diesmal jedoch als Gleichstrom, da der Strom in eine Richtung fließt.

Somit fungiert ein Verdoppler als Ladungspumpe und liefert 2Vin.

Arten von Spannungsverdoppler

Vorteile des Spannungsverdopplers

Gleichspannungsverdopplungsschaltung

Hier kommt der beste Teil. Wenn Sie eine Gleichspannungsverdopplungsschaltung (Halb- oder Vollwelle) aufbauen möchten, benötigen Sie folgende Bauteile:

Also, wie funktioniert die Schaltung? Lassen Sie uns im Detail sowohl die Halbwellen- als auch die Vollwellen-DC-Spannungsverdopplerschaltungen betrachten. Aber zuerst sehen Sie hier, wie die Eingabe einfließt.

AC-Eingangsspannung

Da die AC-Wellenform positive und negative Halbwellen hat, beschreibt diese Erklärung unten, was nur in diesen beiden Zyklen passiert. Die Verdopplung tritt wiederholt auf, wenn der Strom in den Stromkreis fließt.

AC-Wellenform, die die kontinuierlichen positiven und negativen Halbwellen zeigt

Vm ist die Spitzenspannung und Vin ist die Eingangsspannung. Vm =Vin bei Spitzenspannung, also verwenden wir Vm in den Gleichungen.

Halbwellenspannungsverdoppler

Wenn die Polarität wie im Diagramm unten gezeigt ist, spannt die Eingangsspannung die Diode D2 in Sperrichtung vor. Seine N-Seite ist mit dem Pluspol verbunden, während die P-Seite mit dem Minuspol der Wechselstromquelle verbunden ist.

Polarität der Halbwellen-Gleichspannungsverdopplungsschaltung während der positiven Halbwelle

Andererseits wird D1 in Vorwärtsrichtung vorgespannt, da seine P- und N-Seiten mit den positiven bzw. negativen Anschlüssen verbunden sind.

Daher können Sie sich das Diagramm so vorstellen, dass die Diode D1 einen Kurzschluss (leitende Verbindung) bildet, während D2 ein offener Stromkreis ist. Sie können das Kirchhoffsche Spannungsgesetz verwenden, um die Spannung über dem Kondensator C1 (Vc1) zu erhalten.

Vm – Vc1 =0

Also Vc1 =Vm

Während der negativen Halbwelle ändert sich die Polarität, wie unten gezeigt.

Polarität der Halbwellen-DC-Spannungsverdopplerschaltung während der negativen Halbwelle

Während dieser Welle spannt Vin die Diode D2 in Vorwärtsrichtung vor. Seine N- und P-Seiten sind mit den negativen bzw. positiven Anschlüssen verbunden. D1 wird jedoch in Sperrrichtung vorgespannt.

Als solches können Sie das Diagramm neu zeichnen, wobei D1 einen offenen Stromkreis bildet, während D2 einen Kurzschluss bildet.

Unter Verwendung des Kirchhoffschen Spannungsgesetzes können wir die Spannung am Kondensator C2 mit dieser Formel bestimmen.

-Vm – Vm + Vc2 =0

-Vm ist die Eingangsspannung (bei negativer Polarität)

Die zweite Vm ist die Spannung über C1, die während des vorherigen Zyklus aufgeladen wurde.

Daher ist Vc2 =Vm + Vm, was 2 Vm entspricht.

Wenn Sie eine Last über den Kondensator C2 anschließen, erhalten Sie die doppelte Spitzeneingangsspannung, wodurch der Verdopplungseffekt entsteht.

C1 fungiert als Speichergerät, da ihm ein Rückweg zur Entladung fehlt. Aber während der negativen Halbwelle wird es mit der Spannungsquelle in Reihe geschaltet, sodass sich die Spannung der beiden Quellen summiert.

Vollwellen-Spannungsverdoppler

Bei einem Vollwegverdoppler messen wir die Spannung an beiden Kondensatoren C1 und C2. Während des positiven Zyklus spannt Vin D1 in Vorwärtsrichtung, aber D2 in Sperrichtung vor.

Polarität der Vollwellen-DC-Spannungsverdopplerschaltung während der positiven Halbwelle

Während dieser Zeit gibt es keinen Widerstand über D1, also schließt er den Kondensator C1 kurz und lädt ihn auf. D2 wirkt jedoch aufgrund seines hohen Widerstands als offener Stromkreis. Daher wird C2 nicht belastet.

Verwendung des Kirchhoffschen Gesetzes,

Vm – Vc1 =0

Daher ist Vc1 =Vm

In der negativen Halbwelle wird D1 in Sperrichtung vorgespannt, aber die Polarität in Durchlassrichtung spannt D2 vor.

Polarität der Vollwellen-DC-Spannungsverdopplerschaltung während der negativen Halbwelle

Anwendung des Kirchhoffschen Gesetzes,

-Vm + Vc2 =0

Also Vc2 =Vm

Denken Sie daran, dass C1 im vorherigen Zyklus aufgeladen wurde, sodass beide auf der Spitzenspannung Vm liegen. Wenn Sie also eine Last über beide Kondensatoren anschließen, erhalten Sie 2 Vm.

Was ist der Unterschied?

Wenn Sie sich die Gleichungen ansehen, sind sie etwas ähnlich, also was ist der Unterschied zwischen einem Halbwellen- und einem Vollwellen-Spannungsverdoppler?

Ersteres lädt den Kondensator C1 während des ersten Zyklus und entlädt ihn dann während des zweiten Zyklus. Es entsteht das Problem, eine Brummspannung zu erzeugen, die gleich der Versorgungsfrequenz ist, was es schwierig macht, die Brummfrequenz zu glätten. Daher ist die Ausgangsspannungskurve nicht sehr glatt.

Brummspannungsdiagramm vor und nach der Glättung

Quelle:Wikipedia

Ein Vollweg-Spannungsverdoppler verhält sich jedoch eher wie zwei Einweg-Gleichrichter. Daher ist die Ausgangsspannungskurve glatter.

Es ist erwähnenswert, dass wir sowohl bei Halbwellen- als auch bei Vollwellenschaltungen davon ausgehen müssen, dass die Kondensatoren C1 und C2 anfänglich keine Ladung haben.

Anwendungen des Spannungsverdopplers

Zusammenfassung

Zusammenfassend sind Spannungsverdoppler wichtige Schaltungen in vielen Geräten, da sie billig herzustellen sind und nicht so viel wiegen wie Transformatoren.

Allerdings erzeugen die Transformator-Gleichrichter-Schaltungen viel glattere DC-Ausgangsspannungskurven, aber unter Berücksichtigung der jeweiligen Vor- und Nachteile haben Spannungsverdoppler den Vorteil.

Zusätzlich können Sie dem Verdoppler Filterschaltungen hinzufügen, um den Ausgang zu glätten, damit er zu einer Transformator-Gleichrichter-Kombination passt.

Wenn Sie die Komponenten benötigen, um diese Schaltungen herzustellen, kontaktieren Sie uns, um sie zu unschlagbaren und erschwinglichen Preisen zu erhalten.


Industrietechnik

  1. Sensibler Spannungsdetektor
  2. Gleichungen und Gesetze für Gleichstromkreise
  3. Beispielschaltungen und Netzlisten
  4. Digitale Signale und Gates
  5. Freigabe- und Interlock-Schaltungen
  6. Differentiator- und Integratorschaltungen
  7. Stromversorgungskreise
  8. Strom in Stromkreisen
  9. Wechselstrom-Induktorschaltungen
  10. AC-Kondensatorschaltungen