Spannungsverdoppler: Leichtgewichtige, kostengünstige Alternative zu Transformator-Gleichrichter-Schaltungen

Denken Sie darüber nach, ein Hochspannungs-DC-Testgerät zu bauen? Ein solches Gerät ist notwendig zum Testen oder Bauen von Elektronik und Geräten, die hohe DC-Spannung benötigen, wie Mikrowellenöfen und Kathodenstrahlröhren. Während es möglich ist, einen Hochspannungstransformator und Gleichrichter dafür zu verwenden, sind Transformatoren schwere und teure Komponenten. Daher bieten sie nicht die beste Lösung. Ein Spannungsverdoppler ist eine bessere Alternative, die nur wenige Bauteile zum Zusammenbau benötigt. Wir haben alle Details aufgeführt, wenn Sie einen für Ihr Projekt bauen möchten. Zunächst sehen wir uns Definition und Typen von Spannungsverdopplern an.

Was ist ein Spannungsverdoppler?

Ein Spannungsverdoppler ist ein Spannungsvervielfacherschaltkreis mit einem Vervielfachungsfaktor von zwei. Er nimmt AC-Spannung als Eingang und erzeugt eine DC-Spannung, die dem Zweifachen der Scheitel-Eingangsspannung entspricht.

Damit übernimmt die Schaltung zwei Funktionen: Sie fungiert als Hochspannungstransformator, indem sie die Scheitel-AC-Spannung erhöht, und als Gleichrichter, da sie AC in DC umwandelt.

Spannungsverdoppler Design

Quelle: Wikimedia Commons.

Da sie Spannungsvervielfacher sind, bilden Verdoppler die grundlegenden Bausteine oder Einzelstufen höherer Schaltungen.

Spannungsvervierfacher (beachten Sie die vier Dioden und Kondensatoren)

Quelle: Wikimedia Commons.

Sie können ähnliche Stufen kaskadieren, um Spannungsverdreifacher, vervierfacher und mehr zu erstellen. Ein Spannungsverdreifacher hat drei Dioden und Kondensatoren, ein Vervierfacher vier jeweils. Die Schaltung kann nach oben skaliert werden, um die für das Projekt benötigte Spannung zu erreichen.

Wie funktioniert ein Spannungsverdoppler-Schaltkreis?

Ein Spannungsverdoppler verfügt über vier diskrete Bauteile, die die Spannung verstärken und den Strom in eine Richtung fließen lassen: zwei Dioden und zwei Kondensatoren.

Spannungsverdoppler Schaltung

Quelle: Wikimedia Commons.

Die Schaltung ordnet die Komponenten so an, dass während jedes AC-Spannungszyklus eine der Dioden leitet. Im positiven Halbzyklus bleibt Diode 2 gesperrt, sodass nur ein Kondensator auf die AC-Scheitel-Eingangsspannung geladen wird.

Im negativen Scheitelzyklus sperrt Diode 1, aber Diode 2 leitet und lädt den zweiten Kondensator. Da der Schaltkreis jedoch bereits Kondensator 1 im vorherigen Zyklus geladen hat, addiert sich diese Spannung zur eingehenden AC-Spannung.

Das Ergebnis ist eine Verdopplung der AC-Scheitelspannung am zweiten Kondensator, diesmal jedoch als DC, da der Strom nur in eine Richtung fließt.

Als solches wirkt ein Verdoppler als Ladungspumpe (Charge Pump), die 2×Vin liefert.

Typen von Spannungsverdopplern

• Halbwellen-Spannungsverdoppler (Half Wave Voltage Doubler)
• Vollwellen-Spannungsverdoppler (Full Wave Voltage Doubler)

Vorteile des Spannungsverdopplers

• Günstigere und leichtere Alternative zu Transformatoren.
• Kann negative Spannung erzeugen, indem man die Polarität der angeschlossenen Dioden und Kondensatoren umkehrt.
• Einfache Erhöhung des Vervielfachungsfaktors durch Kaskadierung identischer Spannungsverdoppler in der Schaltung.

DC-Spannungsverdoppler-Schaltung

Hier kommt der beste Teil. Wenn Sie einen DC-Spannungsverdoppler-Schaltkreis (Halb- oder Vollwelle) bauen möchten, benötigen Sie folgende Komponenten:

• Leiterplatte (oder Steckplatine und Verbindungsdrähte)
• Zwei Dioden
• Zwei Kondensatoren

Wie funktioniert die Schaltung im Detail? Sehen wir uns sowohl den Halbwellen- als auch den Vollwellen-DC-Spannungsverdoppler an. Zunächst: Wie fließt der Eingang ein.

AC-Eingangsspannung

Da die AC-Wellenform positive und negative Halbwellen hat, beschreibt die folgende Erklärung, was in diesen beiden Zyklen passiert. Die Verdopplung erfolgt repetitiv, während die Leistung in den Schaltkreis fließt.

AC-Wellenform mit kontinuierlichen positiven und negativen Halbwellen

Vm ist die Scheitelspannung, Vin die Eingangsspannung. Vm = Vin bei Scheitelspannung, daher verwenden wir Vm in den Gleichungen.

Halbwellen-Spannungsverdoppler

Bei der im Diagramm gezeigten Polarität sperrt die Eingangsspannung Diode D2 (Reverse Bias). Ihre N-Seite verbindet sich mit dem positiven, die P-Seite mit dem negativen Anschluss der AC-Quelle.

Halbwellen-DC-Spannungsverdoppler Polarität im positiven Halbzyklus

Andererseits wird D1 vorwärts gepolt (Forward Bias), da P- und N-Seite mit positiver bzw. negativer Spannung verbunden sind.

Man kann das Diagramm so umdeuten: Diode D1 bildet einen Kurzschluss (leitende Verbindung), während D2 einen Öffnungsschaltkreis bildet. Mit dem Kirchhoffschen Spannungsgesetz lässt sich die Spannung am Kondensator C1 (Vc1) bestimmen.

Vm – Vc1 = 0 → Vc1 = Vm

Im negativen Halbzyklus ändert sich die Polarität wie unten gezeigt.

Halbwellen-DC-Spannungsverdoppler Polarität im negativen Halbzyklus

In dieser Welle polt Vin Diode D2 vorwärts. Ihre N- und P-Seite verbinden sich mit negativem bzw. positivem Anschluss. D1 wird jedoch rückwärts gepolt.

Man kann das Diagramm neu zeichnen: D1 bildet einen Öffnungsschaltkreis, D2 einen Kurzschluss.

Mit dem Kirchhoffschen Spannungsgesetz bestimmen wir die Spannung an Kondensator C2:

-Vm – Vc1 + Vc2 = 0

-Vm ist die Eingangsspannung (negative Polarität)

Das zweite Vm ist die Spannung an C1, die im vorherigen Zyklus geladen wurde.

Daher: Vc2 = Vm + Vm = 2 Vm.

Schließt man eine Last an Kondensator C2 an, erhält man das Doppelte der Scheitel-Eingangsspannung – der Verdopplungseffekt.

C1 fungiert als Speicher, da es keinen Rückweg zur Entladung hat. Im negativen Halbzyklus schaltet es sich in Reihe mit der Spannungsquelle, sodass sich die Spannungen der beiden Quellen addieren.

Vollwellen-Spannungsverdoppler

Bei einem Vollwellenverdoppler messen wir die Spannung an beiden Kondensatoren C1 und C2. Im positiven Zyklus polt Vin D1 vorwärts, sperrt aber D2.

Vollwellen-DC-Spannungsverdoppler Polarität im positiven Halbzyklus

In dieser Periode liegt kein Widerstand an D1 vor, es kurzschließt und lädt Kondensator C1. D2 wirkt jedoch aufgrund seines hohen Widerstands als Öffnungsschaltkreis. Daher wird C2 nicht geladen.

Mit Kirchhoffschem Gesetz:

Vm – Vc1 = 0 → Vc1 = Vm

Im negativen Halbzyklus wird D1 rückwärts gepolt, die Polarität polt D2 jedoch vorwärts.

Vollwellen-DC-Spannungsverdoppler Polarität im negativen Halbzyklus

Anwendung von Kirchhoffschem Gesetz:

-Vm + Vc2 = 0 → Vc2 = Vm

Erinnern Sie sich: C1 wurde im vorherigen Zyklus geladen, beide liegen also an der Scheitelspannung Vm. Schließt man eine Last an beide Kondensatoren an, erhält man 2 Vm.

Was ist der Unterschied?

Betrachtet man die Gleichungen, sind sie etwas ähnlich – was ist der Unterschied zwischen Halbwellen- und Vollwellenspannungsverdoppler?

Der erstere lädt Kondensator C1 im ersten Zyklus und entlädt ihn im zweiten. Dies erzeugt das Problem einer Rippelspannung, die der Versorgungsfrequenz entspricht, was das Glätten der Rippelfrequenz erschwert. Daher ist die Ausgangsspannungskurve nicht sehr glatt.

Rippelspannungsdiagramm vor und nach Glättung

Quelle: Wikipedia

Ein Vollwellenspannungsverdoppler verhält sich eher wie zwei Halbwellengleichrichter. Daher ist die Ausgangsspannungskurve glatter.

Es sei angemerkt, dass wir bei sowohl Halbwellen- als auch Vollwellenschaltungen annehmen müssen, dass die Kondensatoren C1 und C2 initial keine Ladung haben.

Anwendungen des Spannungsverdopplers

• Ionenpumpen
• Fernseher Kathodenstrahlröhren (CRT)
• Röntgensysteme
• Kopiergeräte
• Radargeräte
• Laufwellenröhren (Traveling Wave Tubes)
• Mikrowellenöfen
• Insektenvernichter (Bug Zappers)

Zusammenfassung

Zusammenfassend sind Spannungsverdoppler lebenswichtige Schaltungen in vielen Geräten, da sie günstig herzustellen sind und nicht so schwer wie Transformatoren wiegen.

Zwar erzeugen Transformator-Gleichrichter-Schaltungen viel glattere DC-Ausgangsspannungskurven, aber unter Abwägung der Vor- und Nachteile haben Spannungsverdoppler die Nase vorn.

Zusätzlich können Sie Filterschaltungen zum Verdoppler hinzufügen, um den Ausgang zu glätten und an eine Transformator-Gleichrichter-Kombination anzupassen.

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