Spannungsvervielfacher

Spannungsvervielfacher sind die Schaltkreise, in denen wir eine sehr hohe Gleichspannung von der Versorgung mit niedriger Wechselspannung erhalten. Eine Spannungsvervielfacherschaltung erzeugt eine Spannung in einem Vielfachen der Spitzeneingangsspannung von Wechselstrom. Wenn die Spitzenspannung von Wechselspannung 5 Volt beträgt, erhalten wir 15 Volt Gleichstrom am Ausgang, im Fall einer Spannungsverdreifachungsschaltung. Das Multimeter liest nur den RMS-Wert (Root Mean Voltage) der Wechselspannung. Wir müssen den RMS-Wert mit 1,414 (Root 2) multiplizieren, um den Spitzenwert zu erhalten.

Im Allgemeinen sind Transformatoren dazu da, die Spannung zu erhöhen, aber manchmal sind Transformatoren aufgrund ihrer Größe und Kosten nicht durchführbar. Spannungsvervielfacherschaltungen können mit wenigen Dioden und Kondensatoren aufgebaut werden, daher sind sie kostengünstig und im Vergleich zu Transformatoren sehr effektiv. Spannungsvervielfacherschaltungen sind Gleichrichterschaltungen sehr ähnlich, die zur Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom verwendet werden. Spannungsvervielfacherschaltungen wandeln jedoch nicht nur Wechselstrom in Gleichstrom um, sondern können auch eine sehr hohe Gleichspannung erzeugen.

Diese Schaltungen sind sehr nützlich, wenn eine hohe Gleichspannung mit niedriger Wechselspannung erzeugt werden muss und ein niedriger Strom erforderlich ist, wie in Mikrowellenherden, CRT-Monitoren (Kathodenstrahlröhren) in Fernsehgeräten und Computern. Der CRT-Monitor benötigt eine hohe Gleichspannung bei geringem Strom.

Vollwellenspannungsverdoppler

Wie der Name schon sagt, wird die Eingangsspannung durch diese Schaltung verdoppelt. Die Bedienung ist Vollwellenspannungsverdoppler ist sehr einfach:

Während des positiven Halbzyklus der Sinuswelle des Wechselstroms wird die Diode D1 in Vorwärtsrichtung vorgespannt und D2 in Rückwärtsrichtung vorgespannt, so dass der Kondensator C1 über D1 auf den Spitzenwert der Sinuswelle (Vpeak) aufgeladen wird. Und während des negativen Halbzyklus der Sinuswelle ist D2 in Vorwärtsrichtung vorgespannt und D1 in Vorwärtsrichtung vorgespannt, so dass der Kondensator C2 über D2 auf Vpeak geladen wird.

Jetzt werden beide Kondensatoren auf Vpeak geladen, sodass wir die 2 Vpeak (Vpeak + Vpeak) über C1 und C2 ohne angeschlossene Last erhalten. Es hat nach dem Vollweggleichrichter benannt.

Halbwellenspannungsverdopplerschaltung

Zuvor haben wir auch eine Spannungsverdopplerschaltung mit einem 555-Timer im Astable-Modus und einer Gleichstromquelle erstellt. Dieses Mal verwenden wir 220 V AC und 9-0-9 Transformator, um 220 V AC herunterzufahren, damit wir den Spannungsvervielfacher auf dem Steckbrett demonstrieren können.

Während des ersten positiven Halbzyklus der Sinuswelle (AC) wird die Diode D1 in Vorwärtsrichtung vorgespannt und der Kondensator C1 wird durch den D1 aufgeladen. Der Kondensator C1 wird bis zur Spitzenspannung von AC, dh Vpeak, aufgeladen.

Während des negativen Halbzyklus der Sinuswelle leitet die Diode D2 und D1 ist in Sperrrichtung vorgespannt. D1 blockiert die Entladung des Kondensators C1. Nun lädt sich der Kondensator C2 mit der kombinierten Spannung des Kondensators C1 (Vpeak) und der negativen Spitze der Wechselspannung auf, die auch Vpeak ist. Der Kondensator C2 lädt also bis zu 2 V Spitzenspannung auf. Daher beträgt die Spannung am Kondensator C2 das Zweifache der Vpeak von AC.

Im nächsten positiven Zyklus entlädt sich der Kondensator C2 in die Last, wenn die Last angeschlossen ist, und wird im nächsten Zyklus wieder aufgeladen. Wir können also sehen, dass es in einem Zyklus geladen und im nächsten Zyklus entladen wird, sodass die Welligkeitsfrequenz gleich der Eingangssignalfrequenz ist, dh 50 Hz (Wechselstromnetz).

Voltage Tripler Circuit

Um die Spannungsverdreifachungsschaltung aufzubauen, müssen wir nur 1 weitere Diode und einen Kondensator zur obigen Halbwellen-Spannungsverdopplungsschaltung gemäß dem nachstehenden Schaltplan hinzufügen.

Wie wir in der Spannungsverdopplerschaltung gesehen haben, wird der Kondensator C1 im ersten positiven Halbzyklus auf Vpeak und der Kondensator C2 im negativen Halbzyklus auf 2 Vpeak geladen.

Während des zweiten positiven Halbzyklus leiten die Dioden D1 und D3 und D2 wird in Sperrrichtung vorgespannt. Auf diese Weise lädt der Kondensator C2 den Kondensator C3 auf die gleiche Spannung wie sich selbst auf, die 2 Vpeak beträgt.

Jetzt sind die Kondensatoren C1 und C3 in Reihe geschaltet und die Spannung an C1 beträgt Vpeak und die Spannung an C3 beträgt 2 Vpeak. Die Spannung an der Reihenschaltung von C1 und C3 beträgt also Vpeak + 2Vpeak = 3 Vpeak, und wir erhalten die dreifache Eingangsspannung Vpeak Volt.

Spannungsvierfachschaltung

Da wir eine Spannungsverdreifachungsschaltung durch Hinzufügen einer Diode und eines Kondensators in der Halbwellenspannungsverdopplerschaltung aufgebaut haben, müssen wir erneut nur eine weitere Diode und einen Kondensator zur Spannungsverdreifachungsschaltung hinzufügen, um die Spannungsvervierfachungsschaltung (4-fache Eingangsspannung) aufzubauen.

Wir haben in der Spannungs-Tripler-Schaltung gesehen, dass der Kondensator C1 im ersten positiven Halbzyklus auf Vpeak geladen ist, C2 im negativen Halbzyklus auf 2 Vpeak geladen ist und C3 im zweiten positiven Halbzyklus ebenfalls auf 2 Vpeak geladen ist.

Während der zweiten negativen Halbwelle leiten nun die Dioden D2 und D4, und der Kondensator C4 wird durch den Kondensator C3, der ebenfalls bei 2 Vpeak liegt, auf den 2-V-Peak geladen. Und wir erhalten viermal Vpeak (4Vpeak) über den Kondensator C2 und C4, da beide Kondensatoren 2 Vpeak haben.

In Spannungsvervielfacherschaltungen ist die Spannung praktisch nicht genau das Vielfache der Spitzenspannung. Die resultierende Spannung ist aufgrund eines Spannungsabfalls an den Dioden geringer als die Vielfachen. Die resultierende Spannung wäre also:

Vout = Multiplikator * Vpeak - Spannungen fallen über Dioden ab

Der Nachteil dieser Art von Multiplikatorschaltungen ist die hohe Welligkeitsfrequenz und es ist sehr schwierig, den Ausgang zu glätten, obwohl die Verwendung des großen Kondensatorwerts dazu beitragen kann, die Welligkeit zu verringern. Der Vorteil der Schaltung besteht darin, dass wir aus einer Niederspannungsquelle eine sehr hohe Spannung erzeugen können.

Wir können eine viel höhere Spannung erzeugen und die 5-fache, 6-fache, 7-fache und mehr Spannung der AC-Spitzenspannung erhalten, indem wir mehr Dioden und Kondensatoren hinzufügen. Wir können die hohe negative Spannung auch erzeugen, indem wir nur die Polarität der Dioden und Kondensatoren in dieser Schaltung umkehren. Theoretisch können wir die Spannung unendlich multiplizieren, aber praktisch ist dies aufgrund der Kapazität der Kondensatoren, des geringen Stroms, der hohen Welligkeit und vieler anderer Faktoren nicht möglich.

Video:

Anmerkungen:

• Die Spannung wird sich nicht sofort vervielfachen, sondern langsam ansteigen und nach einiger Zeit auf das Dreifache der Eingangsspannung eingestellt.
• Die Nennspannung der Kondensatoren sollte mindestens doppelt so hoch sein wie die Eingangsspannung.
• Die Ausgangsspannung ist nicht genau das Vielfache der Spitzen-Eingangsspannung, sie ist kleiner als die Eingangsspannung.