Spannungsverdoppler mit 555-Timer-IC – Schritt-für-Schritt-Schaltplan & Anleitung

Wie baut man eine grundlegende Spannungsverdoppler-Schaltung?

Wie der Titel suggeriert, geht es heute um eine Schaltung, die am Ausgang eine doppelte Eingangsspannung liefert. Beispiel: 10 V Eingang → 20 V Ausgang.

Dies ist eine von vielen Spannungswandler-Schaltungen, aber eine günstige und effiziente Methode zur Spannungsverdopplung im Vergleich zu sperrigen Transformatoren für kleine Anwendungen.

Diese Schaltungen nutzen Kondensatoren zur Energiespeicherung und sind im Grunde Gleichrichterschaltungen. Schalt-Dioden (hier 1N4007) senken Kosten gegenüber MOSFETs oder BJTs.

Der Spannungsverdoppler gehört zur Familie der Spannungsvervielfacher. In diesem Artikel lernen wir den Aufbau mit 555-Timer und weiteren Bauteilen samt Kurzbeschreibung.

Verwandte Projekte:

• Duales Netzteil – 230VAC zu ±12VDC
• Wie baut man eine Spannungsverdreifacher-Schaltung?
• 12V auf 5V Wandler-Schaltung

Spannungsverdoppler-Schaltplan

Bauteile exakt wie in der folgenden Abbildung verbinden.

Benötigte Bauteile

1. 555-Timer-IC
2. Dioden – 1N4007
3. Widerstände – 10 kΩ und 33 kΩ
4. Kondensatoren – 22 µF und 0,01 µF
5. Eine Stromversorgung

555 Timer IC

Der 555-Timer-IC ist ein integrierter Schaltkreis für Zeit-, Impuls- und Oszillator-Anwendungen. 1972 eingeführt, wegen niedrigem Preis und Stabilität weiterhin weit verbreitet. Pin-Belegung:

Pin Nr.	Pin Name	Funktion
1	GND	Masse-Referenzspannung
2	TRIG	Steuert Ausgang
3	OUT	Wird auf ~1,7 V unter VCC oder Masse getrieben
4	RESET	Setzt Zeitintervall zurück
5	CTRL	Zugang zum internen Spannungsteiler
6	THR	Schwelle zum Stoppen des Zeitintervalls
7	DIS	Open-Collector-Ausgang zum Entladen des Kondensators
8	VCC	Positive Versorgungsspannung

Drei Betriebsarten: bistabil, monostabil, astabil.

• Bistabil: Zwei stabile Zustände (Low/High), gesteuert über Reset und Trigger.
• Monostabil: Ein einzelner Impuls bei Trigger-Auslösung.
• Astabil: Kontinuierlicher Impulsstrom mit präziser Frequenz, bestimmt durch zwei externe Widerstände und einen Kondensator.

Verwandte Projekte:

• Automatische Badbeleuchtungsschaltung – Schaltplan & Betrieb
• Automatische Türklingel mit Objekterkennung per Arduino

1N4007 Diode

1N4007 ist eine PN-Übergangs-Gleichrichterdiode. Erlaubt Stromfluss nur in einer Richtung. Anwendungen: Freilaufdioden, allgemeine Gleichrichtung von Netzteilen, Inverter, Konverter etc.

Pin Nr.	Pin Name	Ladung
1	Anode	+
2	Kathode	-

Das Verständnis eines Bauteils verbessert sich durch Kenntnis seiner elektrischen Kenndaten.

Parameter	Wert	Einheit
Durchlassspannung bei 1,0 A	1,1	V
Sperrstrom bei 25 °C	5	µA
Gesamtkapazität bei 1,0 MHz	15	pF
Max. Volllast-Sperrstrom bei 75 °C	30	µA
Mittlerer gleichgerichteter Vorwärtsstrom	1	A
Spitzen-periodische Sperrspannung	1000	V

Merkmale der 1N4007:

• Geringer Sperrstrom
• Niedrige Durchlassspannung
• Hohe Stoßstromfestigkeit

Verwandte Projekte:

• Einfache LED-Blinkschaltung mit 555 Timer IC
• PCB-Design LED-Flasher mit 555 Timer

Wichtige Praxisanwendungen:

1. Konverter
2. Schaltzwecke in Embedded Systems
3. Freilaufdioden-Anwendungen
4. Inverter
5. Allgemeine Netzteil-Gleichrichtung
6. Schutz vor Rückstrom für Mikrocontroller (Arduino, PIC)

Funktionsweise der Spannungsverdoppler-Schaltung

Die Schaltung arbeitet in zwei komplementären Hälften. Der erste Teil (555-Timer) arbeitet im astabilen Modus zur Erzeugung einer Rechteckwelle (~2 kHz über zwei Widerstände und einen Kondensator).

Der zweite Teil verdoppelt die Spannung: 2 Kondensatoren + 2 Dioden wie im Schaltplan verschaltet.

Bei LOW am Pin 3 des Timers wird Diode D1 leitend (vorwärtsgepolart) und lädt Kondensator C3 direkt von der Versorgung auf → C3 lädt auf Eingangsspannung.

Bei HIGH am Pin 3 sperrt D1 (rückwärtsgepolart), blockiert weiteres Laden von C3 (geladen auf ~Versorgungsspannung). Gleichzeitig wird D2 leitend und lädt C4 über die Energie aus C3 UND direkt von der Versorgung. C4 erhält damit die doppelte Eingangsspannung.

Theoretisch: Ausgang = 2 × Eingang. Praktisch: Lade-/Entladevorgänge sind nicht verlustfrei, Energie nicht vollständig übertragbar, Laden nicht ideal. Bei 5 V Eingang gemessen ~8,7–8,8 V statt theoretischer 10 V.

Verwandte Projekte:

• LED-Roulette mit 555 Timer & 4017 Counter
• Einfacher berührungsempfindlicher Schalter mit 555 Timer & BC547 Transistor

Nachteile

Trotz Einfachheit und einfacher Spannungsverdopplung gibt es Nachteile:

1. Ausgangsstrom < 50 mA. Nur für sehr stromarme Anwendungen geeignet.
2. Ausgang durch Kondensator-Lade/Entlade-Zyklen und Schaltelemente (Dioden) generell instabil. Regler-IC (z. B. 78xx) kann Ausgang glätten, verbraucht aber selbst Strom – Berechnungen/Anpassungen nötig, um Stromgrenze nicht zu überschreiten.

Verwandte Projekte:

• Einfache LED-Blinkschaltung mit 555 Timer IC
• Klatschschaltung mit IC 555 Timer & ohne Timer

Vorsichtsmaßnahmen

1. Eingangsspannung 3–12 V (Timer-IC-Limitation). Außerhalb → Bauteilschäden.
2. Schaltung liefert nicht sofort doppelte Spannung beim Einschalten – Kondensatoren müssen erst laden/entladen, bis sich Ausgang einpendelt.
3. Laststrom nicht über Schaltkreislimit (ca. 50–70 mA) hinausgehen lassen.
4. Kondensator C4 wird auf doppelte Versorgungsspannung geladen → Spannungsfestigkeit von C4 mindestens doppelte Eingangsspannung (andere Kondensatoren: mindestens Versorgungsspannung).
5. Lade-/Entladezeiten von Kondensatoren variieren unregelmäßig → Abweichungen von Theorie. Prozesse nicht energieeffizient/energieschlüssig → Verluste. Beispiel: 5 V Eingang → ~8,7 V Ausgang; 12 V Eingang → ~18–20 V Ausgang.

Verwandte Projekte:

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