Spannungsverdoppler

Spannungsvervielfacher, bei der Verdopplung auch als Spannungsverdoppler bezeichnet, sind in der Elektronik eine Form von Ladungspumpe, welche mit Hilfe von Kondensatoren und Dioden eine Spannungsvervielfachung erzielen. Sie erzeugen aus einer zugeführten Wechselspannung eine betragsmäßig höhere Gleichspannung, als mit einem Gleichrichter erreicht werden kann.^[1]

Allgemeine Funktion

Im Gegensatz zu Ladungspumpen, welche mit Gleichspannung versorgt werden und zu den Gleichspannungswandlern (englisch DC-DC Converter) gezählt werden, weisen sie aufgrund der Wechselspannungsspeisung keinen Oszillator auf und als Schalter kommen im Regelfall potentialgesteuerte Schalter wie Dioden zur Anwendung.

Es werden wie bei jeder Ladungspumpe in einer halben Periode der Wechselspannung bestimmte Kondensatoren zunächst aufgeladen und in der zweiten Periode durch die geänderte Polarität der Eingangsspannung in Reihe geschaltet, wodurch eine höhere Ausgangsspannung erzielt wird. Wird die Struktur von Spannungsverdopplungsgliedern kaskadiert, können sehr hohe Gleichspannungen erzeugt werden und diese Schaltungen werden als Hochspannungskaskade bezeichnet. Die gebildete Gleichspannung liegt betragsmäßig immer über dem Scheitelwert der zugeführten Wechselspannung.

Vorteile

Der Vorteil einer Spannungsverdopplung statt der Verwendung eines Transformators mit entsprechend hohen Windungszahlverhältnis und daran anschließender Gleichrichtung besteht in folgenden Punkten:

• Häufig wird als Stromquelle auf der Eingangsseite ein Transformator zur galvanischen Trennung eingesetzt. Dieser muss dabei mit der Isolation, dem Wicklungsaufbau und in der Fertigung nicht auf die hohe Ausgangsspannung ausgelegt werden.
• Bei Spannungsvervielfachern in kaskadierter Ausführung verteilt sich die hohe Ausgangsspannung auf mehrere Dioden, wodurch diese eine geringere Sperrspannung aufweisen müssen als ein Gleichrichter für eine direkt hoch transformierte Wechselspannung.

Nachteile

• Nachteilig ist an diesen Schaltungen, dass die pulsierende Ausgangsspannung nicht in jedem Fall zum direkten Betrieb digitaler Schaltungen geeignet ist. Hierfür sind weitere Maßnahmen zur Glättung und Stabilisierung nötig.^[2]
• Der Transformator bzw. die Stromquelle muss zwar nicht für die höhere Ausgangsspannung ausgelegt sein, jedoch zumindest bei mehrstufigen Schaltungen einen deutlich höheren Strom als den Ausgangsstrom liefern können.^[2] Der Eingangsstrom errechnet sich gegenüber dem Ausgangsstrom mit "n" für die Stufenzahl zu: I_ein = n • I_aus.^[3]
• Die Elektrolytkondensatoren zumindest der Endstufen müssen für den hohen Spitzenspannungswert ausgelegt sein und hinreichend große Kapazitätswerte zur Stabilisierung der Ausgangsspannung haben.

Typen

Im Folgenden sind einige der wichtigsten Spannungsvervielfacher dargestellt.^[4]

Villard-Schaltung

Villard-Schaltung in Kombination mit einem Transformator

Links Eingangsspannung, rechts Ausgangsspannung an der Diode

Die Villard-Schaltung stellt eine Grundschaltung dar und besteht aus einem Kondensator C und einer Diode D wie in nebenstehender Schaltskizze dargestellt. Der Transformator ist funktioniell nicht unbedingt notwendig: Er dient der galvanischen Trennung und um die Eingangswechselspannung auf entsprechend hohe Wechselspannung für die Speisung der Villard-Schaltung anzuheben.

Die Villard-Schaltung stellt eine Klemmschaltung dar: Nach einigen Perioden ist der Kondensator auf den Spitzenwert der vom Transformator sekundärseitig gelieferten Wechselspannung aufgeladen. Die vom Transformator gelieferte Spannung ist im Spannungsdiagramm links dargestellt. Nach einigen Perioden schwingt die Ausgangsspannung U_a zwischen 0 V und dem zweifachen Wert der sekundärseitigen Wechselspannung wie im nebenstehender Zeitdiagramm rechts dargestellt.

Durch Umpolung der Diode D kann eine negative Ausgangsspannung erzielt werden.

Greinacher-Schaltung

Greinacher Schaltung

Die Greinacher-Schaltung ist eine Weiterentwicklung, die die ausgangsseitige Spitzenspannungen der Villard-Schaltung durch eine zusätzliche Diode D₂ und einen Speicherkondensator C₂ erweitert und damit eine Gleichspannung mit vergleichsweise geringem Rippelstrom liefert. Die Ausgangsspannung beträgt im unbelasteten Fall:

$U_A = 2 \cdot \hat{U}_E' - 2 \cdot U_D$

mit $\hat{U}_E'$ als der sekundärseitigen Scheitelwertspannung des Transformators Tr und U_D als der Flussspannung der beiden Dioden, die bei Siliziumdioden etwa 0,7 V pro Diode beträgt.

Die Schaltung wurde von Heinrich Greinacher im Jahr 1913 in Zürich entwickelt und 1914 veröffentlicht. ^[5] Für den Betrieb seines Ionometers benötigte er eine Gleichspannung von 200 V bis 300 V, wofür die damals in Zürich verfügbare Wechselspannung von 110 V zu gering war. ^[6]

Die Weiterentwicklung in Form einer Kaskade wird als Hochspannungskaskade, in der Literatur mitunter auch als Villard-Schaltung bezeichnet und findet unter anderem in Teilchenbeschleunigern wie dem Cockcroft-Walton-Beschleuniger Anwendung, für den John Cockcroft und Ernest Walton 1932 unabhängig von Greinacher ebenfalls diese Schaltung entwickelten.

Delon-Schaltung

Delon-Brückenschaltung

Delon-Schaltung zur Spannungsvervierfachung

Die einfache Delon-Schaltung ist ebenfalls ein Spannungsverdoppler und zählt zu den so genannten Brückenschaltungen. Die positive Halbwelle lädt über die Diode D₁ den Kondensator C₁ auf den Scheitelwert der sekundärseitigen Wechselspannung auf während die Diode D₂ sperrt. Die negative Halbwelle lädt über die Diode D₂ den Kondensator C₂ auf den Scheitelwert der sekundärseitigen Wechselspannung auf. Die Ausgangsspannung ist die Summe der Gleichspannungen an den beiden Kondensatoren mit dem Wert:

$U_A = 2 \cdot \hat{U}_E' - 2 \cdot U_D$

Die Delon-Schaltung besitzt eine besondere Bedeutung für Elektrogeräte, welche sowohl an den im amerikanischen Raum üblichen Netzspannungen mit 110 V und in den Stromnetzen in Europa mit 230 V betrieben werden sollen und keinen Weitbereichseingang aufweisen. In diesem Fall wird der primärseitige Brückengleichrichter durch die Delon-Schaltung erweitert: Bei Betrieb mit 230 V ist die Delon-Schaltung deaktiviert und nur der Brückengleichrichter aktiv, welche eine Ausgangssgleichspannung von ca. 315 V liefert. Bei Betrieb an 110 V wird durch einen Schalter die Zwischenanzapfung zwischen den Kondensatoren mit einem der Wechselspannungseingänge verbunden. Durch die Spannungsverdopplung liegt an der Serienschaltung ca. eine gleich hohe Gleichspannung von 315 V an. Daran angeschlossene primärgetakte Schaltnetzteile können so unabhängig von den verschiedenen Netzspannungen immer mit Eingangsspannungen von ca. 315 V betrieben werden.

Die Delon-Schaltung kann auch zur Vervierfachung eingesetzt werden, wie in nebenstehender Abbildung dargestellt. Damit kann die Ausgangsspannung auf den Wert:

$U_A = 4 \cdot \hat{U}_E' - 4 \cdot U_D$

vervielfältigt werden.

Einzelnachweise

1. ↑ Ralf Kories, Heinz Schmidt-Walter: Taschenbuch der Elektrotechnik. 6. Auflage. Harri Deutsch, 2004, ISBN 3-8171-1734-5 (Kapitel 10.2.2).
2. ↑ ^{a b} Spannungsverdoppler
3. ↑ Gleichrichterschaltungen mit Spannungsvervielfachung
4. ↑ Maciej A. Noras: Voltage level shifting, Trek Application Note Number 6001, 2004, Online (engl.)
5. ↑ Heinrich Greinacher: The Ionometer and its Application to the Measurement of Radium and Röntgen Rays, Physikalische Zeitschrift, Ausgabe 15, 1914, Seiten 410 bis 415
6. ↑ Jagdish Mehra, Helmut Rechenberg: The Historical Development of Quantum Theory: Schrödinger in Vienna and Zurich 1887-1925: Part 1. Springer, 2001, S. 284.

Literatur

• Ralf Kories, Heinz Schmidt-Walter: Taschenbuch der Elektrotechnik. 6. Auflage. Harri Deutsch, 2004, ISBN 3-8171-1734-5.
• Manfred Seifart: Analoge Schaltungen. 3. Auflage. VEB Verlag Technik Berlin, 1989, ISBN 3-341-00740-7.

Weblinks

Weitere gute Quellen:

• Gleichrichterschaltungen mit Spannungsvervielfachung
• rn-wissen.de
• RWTH-Aachen, Institut für Hochspannungstechnik