Spannungsverdoppler
Englisch: voltage multiplier
Elektronische Schaltung, die durch Kondensatoren und Dioden eine höhere Ausgangsspannung als die Eingangsspannung liefert.
Spannungsvervielfacher: Kondensatorladungen stapeln um Spannung zu erhöhen
Ein Spannungsvervielfacher ist eine passive elektronische Schaltung, die eine niedrigere Wechsel- oder pulsierende Gleichspannungseingabe in eine höhere Gleichspannungsausgabe umwandelt, normalerweise mehrmals höher als die Quelle. Er lädt Kondensatoren in Reihe und verbindet sie dann während der Entladung parallel, um ihre Spannungsbeiträge wirksam zu addieren. Die Schaltung benötigt nur Dioden und Kondensatoren, was den Aufbau kostengünstig macht, aber dem Ausgangsstrom strenge Grenzen setzt.
Die häufigste Form ist der Spannungsverdoppler, der ungefähr die doppelte Spitzenspannung des Eingangs erzeugt. Ein Halbwellen-Verdoppler nutzt eine Diode und zwei Kondensatoren; ein Vollwellen-Verdoppler nutzt zwei Dioden und zwei Kondensatoren und arbeitet mit beiden Halbwellen eines Wechselzyklus, was eine glattere Ausgabe liefert. Höhere Vervielfacher wie Verdreifacher oder Vervierfacher addieren mehr Kondensator-Dioden-Paare in Reihe, obwohl praktische Ausführungen selten die fünffache Vervielfachung überschreiten, da die Ausgangsimpedanz schnell ansteigt und die Regelung schlecht wird.
Funktionsweise und Anwendungen
Während jedes Zyklus des Eingangssignals ermöglichen Dioden Kondensatoren, sich auf die Spitzenspannung zu laden, während sie Rückstrom blockieren. Die Dioden funktionieren als Einwegventile. Wenn Kondensatoren so angeordnet sind, dass ihre geladenen Spannungen in Reihe addieren, kann die Ausgangsspannung die zwei-, drei- oder vierfache Spitzeneingangsspannung erreichen. Die Schaltung liefert jedoch sehr wenig Strom; mit zunehmendem Laststrom fällt die Ausgangsspannung schnell ab, weil die Kondensatoren zwischen den Ladezyklen entladen werden und die Dioden sie nicht schnell genug wieder aufladen können.
Spannungsvervielfacher erscheinen in Hochspannungs-Niedrigstrom-Anwendungen: Kathodenstrahlröhren-Displays (CRT), Röntgengeräte, elektrostatische Abscheider und einige ältere Kopiergeräte-Stromversorgungen. Sie werden auch in Neonröhren-Stromversorgungen und in Labor- und Prüfgeräten verwendet. Moderne Schaltnetzteil-Stromversorgungen haben Vervielfacher für die Stromerzeugung großenteils ersetzt, aber Vervielfacher dienen weiterhin in speziellen Schaltungen, wo Einfachheit und niedrige Komponentenkosten wichtiger sind als hohe Stromstärke oder enge Regelung.
Die Hauptnachteile sind schlechte Spannungsregelung unter Last, hohe Ausgangsimpedanz und Empfindlichkeit gegenüber Eingangsfrequenz und Wellenformform. Ripplespannung (die im Ausgang verbleibende Wechselstromkomponente) ist erheblich und nimmt mit dem Laststrom zu. Da Kondensatoren sich in jedem Zyklus vollständig laden und entladen müssen, arbeiten Vervielfacher schlecht mit Niedrigfrequenz- oder Gleichstromeingaben. Trotz dieser Grenzen bleibt der Spannungsvervielfacher eine brauchbare Topologie in Niedrigstrom-Hochspannungs-Nischen, wo wenige einfache Komponenten einen Transformator und Gleichrichter ersetzen können.