Spannungsvervielfacher erklärt: Verdoppler, Verdreifacher, Vervierfacher und Cockcroft-Walton-Design

Ein Spannungsvervielfacher ist ein spezialisierter Gleichrichter, der einen DC-Ausgang erzeugt, der ein ganzzahliges Vielfaches des AC-Spitzenwerts am Eingang ist – häufig 2×, 3× oder 4×. In der Praxis kann eine 100 V Peak AC-Quelle mit einem Verdoppler etwa 200 V DC erzeugen, oder mit einem Vervierfacher 400 V DC, wobei reale Belastung diese Werte reduziert.

Typen von Spannungsvervielfachern

Spannungsverdoppeler

Die meisten Labor-Netzteile nutzen einen Verdoppler, um eine 120 V oder 240 V AC-Quelle auf etwa 300 V DC hochzusetzen. Ein als Verdoppler konfigurierter Vollwellen-Brücke liefert dieselbe DC-Spannung aus entweder 120 V oder 240 V Netz, die dann einen Schaltregler für niedrigere Spannungen speist.

Halbwellen-Spannungsverdoppeler

Der Halbwellen-Verdoppeler kombiniert einen Klammer und einen Halbwellengleichrichter. Der Klammer lädt Kondensator C2 auf den negativen Peak des Eingangs (≈5 V minus Diodenabfall), dann lässt der Gleichrichter C2 während des positiven Halbzyklus zur Generatorspannung addieren. Der resultierende Ausgang stabilisiert sich bei etwa 10 V (≈8,6 V mit realistischen Diodenabfällen).

*SPICE 03255.eps C1 2 0 1000p D1 1 2 diode C2 4 1 1000p D2 0 1 diode V1 4 0 SIN(0 5 1k) .model diode d .tran 0.01m 5m .end

Illustration: v(4) ist der Eingang, v(1) die Klammer-Stufe, v(2) die Halbwellengleichrichter-Stufe, und v(3) der finale Ausgang.

Vollwellen-Spannungsverdoppeler

Durch Stapeln zweier Halbwellengleichrichter in Reihe lädt der Vollwellen-Verdoppeler einen Kondensator am negativen Halbzyklus und den anderen am positiven Halbzyklus. Die beiden Kondensatoren liefern zusammen eine verdoppelte Spannung mit höherer Rippeltoleranz.

*SPICE 03273.eps *R1 3 0 100k *R2 5 3 100k D1 0 2 diode D2 2 5 diode C1 3 0 1000p C2 5 3 1000p V1 2 3 SIN(0 5 1k) .model diode d .tran 0.01m 5m .end

Ergebnis: v(5) erreicht den vollen Ausgang innerhalb eines einzelnen Eingangszyklus.

Herleitung von Vollwellen-Verdopplern aus Halbwellengleichrichtern

Die Kombination zweier entgegengesetzter Halbwellengleichrichter und Neureferenzierung der Masse ergibt eine ±5 V Versorgung (≈±4,3 V mit Diodenabfällen). Der Ausgang über den beiden Ausgängen beträgt dann 10 V.

Spannungsverdreifacher

Ein Verdreifacher ist im Wesentlichen ein Verdoppeler, der auf einem Halbwellengleichrichter gestapelt ist. Die Halbwellen-Stufe fügt ~5 V hinzu, der Verdoppeler ~10 V, was insgesamt ~15 V (≈12,9 V mit Diodenabfällen) relativ zur Masse ergibt.

*SPICE 03283.eps C3 3 0 1000p D3 0 4 diode C1 2 3 1000p D1 1 2 diode C2 4 1 1000p D2 3 1 diode V1 4 3 SIN(0 5 1k) .model diode d .tran 0.01m 5m .end

Spannungsvervierfacher

Das Stapeln zweier Verdoppeler-Stufen erzeugt einen Vervierfacher. Jeder Verdoppeler trägt ~10 V (≈8,6 V realistisch) bei, sodass der kombinierte Ausgang ~20 V (≈17,2 V) beträgt. Zwei DC-Ausgänge sind verfügbar: einer am intermediären Verdoppeler und einer an der finalen Stufe.

*SPICE 03441.eps *C22 4 5 1000p *C11 3 0 1000p D11 0 5 diode D22 5 3 diode C1 2 3 1000p D1 1 2 diode C2 4 1 1000p D2 3 1 diode V1 4 3 SIN(0 5 1k) .model diode d .tran 0.01m 5m .end

Wellenformen zeigen sukzessives Klemmen auf höheren Ebenen: v(5), v(4), und v(1).

Sicherheit und praktische Überlegungen

• Typische Simulationsparameter (5 V, 1 kHz, 1 nF) erzeugen Mikroampere-Ströme; für Milliampere Laststrom 0,1–1,0 µF Kondensatoren bei kHz-Schaltungen verwenden.
• Für 50/60 Hz Netzwerkbetrieb sollten Kondensatoren mehrere hundert bis einige tausend µF betragen, um hunderte Milliampere zu liefern.
• Immer korrekte Polarität und Spannungsfestigkeit bei Elektrolytkondensatoren beachten – umgekehrte Polarität kann Explosionen verursachen.
• Netzdirekt betriebene Schaltungen (ohne Transformator) sind gefährlich; in abgeschirmten Gehäusen aufbewahren und nie ohne Sicherheitsvorkehrungen auf Steckbrettern aufbauen.

Cockcroft-Walton-Vervielfacher

Der Cockcroft-Walton ist eine Kaskade von Halbwellen-Verdopplern. Mit acht Stufen (x8) kann er ~30 V aus einem 5 V Peak-Eingang liefern, unter Berücksichtigung von Diodenabfällen. Obwohl jede hinzugefügte Stufe weniger inkrementelle Spannung liefert, vermeidet die Topologie die Notwendigkeit eines Hochspannungstransformators.

D1 7 8 diode C1 8 6 1000p D2 6 7 diode C2 5 7 1000p D3 5 6 diode C3 4 6 1000p D4 4 5 diode C4 3 5 1000p D5 3 4 diode C5 2 4 1000p D6 2 3 diode D7 1 2 diode C6 1 3 1000p C7 2 0 1000p C8 99 1 1000p D8 0 1 diode V1 99 0 SIN(0 5 1k) .model diode d .tran 0.01m 50m .end

Reale Anwendungen umfassen Photomultiplier-Röhren (bis 2000 V) und Ionengeneratoren für Luftreinigung. Die Reihe von Abgriffen ersetzt Widerstandsteiler, reduziert Wärme und verbessert Effizienz.

Wichtigste Erkenntnisse

• Ein Spannungsvervielfacher skaliert die AC-Spitzenspannung auf einen höheren DC-Pegel.
• Der einfachste ist der Halbwellen-Verdoppeler; Vollwellen-Verdoppeler verbessern die Rippelleistung.
• Verdreifacher kombinieren einen Verdoppeler mit einem Peak-Detektor; Vervierfacher stapeln zwei Verdoppeler.
• Cockcroft-Walton-Vervielfacher liefern skalierbare Hochspannung ohne kostspielige Transformatoren.

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