Spannungsverdreifacher-Schaltung bauen: Schritt-für-Schritt-Anleitung

Spannungsverdreifacher-Schaltung: Schaltplan & Funktionsweise

Was ist ein Spannungsverdreifacher?

Eine Spannungsverdreifacher-Schaltung verdreifacht die Eingangsspannung – die Ausgangsspannung beträgt das Dreifache der Spitzen-Eingangsspannung. Sie lässt sich einfach mit Dioden und Kondensatoren aufbauen. Der Spannungsverdreifacher ist eine Art Multiplikatorschaltung, die Ausgangsspannungen vom Zwei-, Drei- oder Vierfachen der Spitzen-Eingangsspannung liefert.

Spannungsmultiplikatoren werden eingesetzt, wenn hohe Spannung bei geringem Strom benötigt wird. Sie ermöglichen Verkleinerung oder Weglassen von Transformatoren. Nützlich zur Umwandlung niedriger AC-Spannung in hohe DC-Spannung bei geringem Strombedarf.

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Benötigte Bauteile

• 3 Stk. 1N4007 Dioden
• 3 Stk. 22 µF Kondensatoren
• 9-0-9 Abwärtstransformator
• Digitales Multimeter

Diode (1N4007)

Eine Diode ist ein unidirektionales Bauelement – Strom fließt nur in eine Richtung. Anwendungen: Gleichrichter, Signalverarbeitung, Clipping/Clamping, Signalerkennung, Signalmischung etc. Zwei Anschlüsse: Anode & Kathode. Strom fließt Anode → Kathode.

Funktionsprinzip: Halbleiter. Zwei Typen basierend auf freien Elektronen: N-Typ & P-Typ.

N-Typ: viele freie Elektronen, wenige positive Löcher. Elektronen = Majoritätsladungsträger, Löcher = Minoritätsladungsträger. P-Typ: viele Löcher, wenige Elektronen. Löcher = Majoritätsladungsträger, Elektronen = Minoritätsladungsträger.

Bei Kontakt von P- und N-Bereich diffundieren Majoritätsladungsträger gegeneinander. Durch Konzentrationsunterschied wandern Elektronen zum P-Bereich, Löcher zum N-Bereich. Rekombination erzeugt Schicht positiver Ionen auf N-Seite & negativer Ionen auf P-Seite entlang der Grenzlinie – Sperrschicht (Depletion Layer), da keine freien Ladungen mehr vorhanden.

Nach Sperrschichtbildung keine weitere Diffusion wegen elektrischem Feld der Sperrschicht.

P-Seite an Pluspol, N-Seite an Minuspol der Batterie = Vorwärtsrichtung (Forward Bias). Spannung von Null an steigend: anfangs kein Strom, da nicht genug Spannung für Überwindung der Potenzialbarriere der Sperrschicht. Ab Überschreiten der Schwellenspannung fließt Strom.

N-Seite an Minuspol, P-Seite an Pluspol = Sperrrichtung (Reverse Bias). Elektronen im P-Bereich ziehen zum Minuspol, Löcher im N-Bereich zum Pluspol. Sperrschicht verbreitert sich → Diode blockiert Strom. Daher unidirektional.

Kondensator

Ein Kondensator speichert Energie in Form von Ladung. Weit verbreitet in Elektronik. Zwei Metallplatten mit Dielektrikum dazwischen. Bei angelegter elektrischer Spannung entsteht elektrisches Feld zwischen den Platten. Positive Ladung sammelt sich auf negativer Platte, negative auf positiver.

Prozess läuft bis beide Platten ausreichend geladen – voll geladener Kondensator. Beide Platten haben gleiche Ladung mit entgegengesetzter Polarität. Elektrisches Feld entsteht. Warum Dielektrikum? Moleküle sind polar – richten sich nach Ladung auf Platten aus: mehr Elektronen zur negativen Platte, mehr Elektronen von positiver Platte abgestoßen. Nach Entfernen der Batterie hält Kondensator Ladung lange – Energiespeicher. Bei Last an den Anschlüssen entlädt sich Kondensator, Strom fließt.

Anwendungen: Bypass-Kondensator an ICs zum Filtern von Netzteilrauschen (Ripples, Schwankungen durch Schalten). Bei Netzausfall temporäre Stromversorgung. In Gleichrichtern: Ausgang ist welliger Strom, durch Laden/Entladen des Kondensators zu glattem DC. Signalfilter: Filterdesign in Signalverarbeitung, Radios zur Frequenzabstimmung. Energiespeicherung: längere Lebensdauer als Batterien, schnellere Ladung/Entladung.

Spannungsverdreifacher-Schaltplan

Die Schaltung ist sehr einfach. Auf Steckbrett (Breadboard) oder gelötet auf Lochrasterplatte aufbauen. Schaltplan folgen.

Transformator 9V-Anschluss an Pluspol des ersten Kondensators. Dessen Minuspol an Pluspol der ersten Diode, deren Minuspol an 0V des Transformators. Zweite Diode: Minuspol an Pluspol der ersten Diode, Pluspol an Minuspol des zweiten Kondensators, dessen Pluspol an 0V des Transformators.

Dritter Kondensator: Pluspol an Minuspol der zweiten Diode, Minuspol an Pluspol der dritten Diode, deren Minuspol an 0V des Transformators.

9-0-9 Transformator wandelt 220V Netzspannung herunter. Erste positive Halbwelle: Diode D1 leitet vorwärts, Kondensator C1 lädt über D1 auf Spitzenwert (Vpeak). Negative Halbwelle: D2 leitet vorwärts, D1 sperrt. C1 entlädt nicht über D1. C2 lädt auf kombinierte Spannung von C1 (Vpeak) + negative Spitzenspannung der AC = 2×Vpeak.

Zweite positive Halbwelle: D1 & D3 leiten, D2 sperrt. C3 lädt auf gleiche Spannung wie C2 = 2×Vpeak. C1 & C3 in Reihe → Gesamtspannung = Vpeak + 2×Vpeak = 3×Vpeak. So erhalten wir verdreifachten Ausgangswert.

Analytisch korrekt, aber praxisbedingt: Spannungsabfälle an Dioden. Ausgangsspannung nicht exakt dreifach:

V_out = 3 × V_peak – Spannungsabfälle an Dioden

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Funktionsweise der Spannungsverdreifacher-Schaltung

Eingangsspannung am Transformator, Ausgangsspannung an dritter Diode messen. Multimeter auf 20V-Bereich, Eingang messen, dann Bereich wechseln & Ausgang messen. Projekt nutzt 9V-Transformator. RMS-Wert → Spitzenwert: V_peak = 9 × √2 = 12,7 V.

Analytisch: Ausgang = 12,7 × 3 = 38,1 V.

Praxis: ca. 37,3 V. Diodeabfall = 38,1 – 37,3 = 0,8 V.