Spannungsverdoppler-Denken Sie darüber nach, ein Hochspannungsprüfgerät zu bauen? Ein solches Gerät ist notwendig, um Elektronik und Geräte zu testen oder zu bauen, die eine hohe Gleichspannung erfordern, wie Mikrowellenherde und Kathodenstrahlröhren. Während es möglich ist, einen Aufwärtstransformator und gleichrichter für diese Aufgabe zu verwenden, sind Transformatoren schwere und teure Komponenten. Als solche bieten sie nicht die beste Lösung. Ein Spannungsdoppel ist eine bessere Alternative, die nur wenige Komponenten zum Zusammenbau benötigt. Wir haben alle Details festgelegt, wenn Sie eines für Ihr Projekt erstellen möchten. Aber zuerst schauen wir uns die Definition und die Arten von Spannungsverdopplern an.
Spannungsverdoppler-Was ist ein Spannungsverdoppler?
Ein Spannungsverdoppler ist eine Spannungsmultiplikatorschaltung mit einem Multiplikationsfaktor von zwei. Es nimmt Wechselspannung als Eingang auf und erzeugt dann eine Gleichspannung, die dem Doppelten der Spitzeneingangsspannung entspricht.
Auf diese Weise macht die Schaltung zwei Dinge. Es übernimmt die Rolle eines Aufwärtstransformators, indem es die Spitzen-Wechselspannung und einen Gleichrichter erhöht, da es Wechselstrom in Gleichstrom umwandelt.
Spannungsverdoppler-Design
Quelle: Wikimedia Commons.
Da es sich um Spannungsmultiplikatoren handelt, bilden Doubler die Grundbausteine oder Einzelstufen von Schaltungen höherer Ordnung.
Spannungsvervierfachung (beachten Sie die vier Dioden und Kondensatoren)
Quelle: Wikimedia Commons.
Sie können ähnliche Stufen kaskadieren, um Spannungstripler, Vierlinge und mehr zu erstellen. Eine Dreifachspannung hat drei Dioden und Kondensatoren, während eine Vierfachspannung jeweils vier hat. Die Schaltung kann nach oben skaliert werden, um die Spannung zu erreichen, die Sie für das Projekt benötigen.
Spannungsverdoppler-Wie funktioniert eine Spannungsverdopplerschaltung?
Ein Spannungsverdoppler verfügt über vier diskrete Komponenten, die die Spannung verstärken und den Strom in eine Richtung fließen lassen. Dies sind zwei Dioden und zwei Kondensatoren.
Spannungsverdopplerschaltung
Quelle: Wikimedia Commons.
Die Schaltung ordnet die Komponenten so an, dass eine der Dioden während jedes Wechselspannungszyklus ein Leiter ist. Im positiven Halbzyklus bleibt Diode zwei ausgeschaltet, so dass nur ein Kondensator auf die AC-Spitzeneingangsspannung geladen wird.
Diode eins schaltet sich während der negativen Spitze aus, aber Diode zwei leitet und lädt den zweiten Kondensator. Die Schaltung hatte jedoch bereits im vorherigen Zyklus den Kondensator eins geladen. Daher wird diese Spannung zur eingehenden Wechselspannung addiert.
Das Ergebnis ist eine Verdoppelung der Spitzen-Wechselspannungsquelle am zweiten Kondensator, diesmal jedoch als Gleichstrom, da der Strom in eine Richtung fließt.
Als solcher fungiert ein Verdoppler als Ladungspumpe und liefert 2Vin.
Arten von Spannungsverdopplern
Halbwellenspannungsverdoppler
Vollwellenspannungsverdoppler
Spannungsverdoppler-Vorteile von Voltage Doubler
Eine billigere und leichtere Alternative zu Transformatoren.
Kann negative Spannung erzeugen, indem die Polarität der angeschlossenen Dioden und Kondensatoren umgekehrt wird.
Einfache Erhöhung des Spannungsmultiplikationsfaktors durch Kaskadierung identischer Spannungsverdoppler in der Schaltung.
DC-Spannungsverdopplerschaltung
Hier kommt der beste Teil. Wenn Sie eine Gleichspannungsverdopplerschaltung (Halb- oder Vollwelle) aufbauen möchten, benötigen Sie die folgenden Komponenten:
Leiterplatte (oder Steckplatine und Anschlussdrähte)
Zwei Dioden
Zwei Kondensatoren
Also, wie funktioniert die Schaltung? Betrachten wir im Detail sowohl die Halbwellen- als auch die Vollwellen-Gleichspannungsdoppelschaltungen. Aber zuerst, hier ist, wie der Input einfließt.
Spannungsverdoppler-AC-Eingangsspannung
Da die AC-Wellenform positive und negative Halbzyklen hat, beschreibt diese Erklärung unten, was nur in diesen beiden Zyklen passiert. Die Verdopplung erfolgt wiederholt, wenn die Leistung in den Stromkreis fließt.
AC-Wellenform, die die kontinuierlichen positiven und negativen Halbzyklen zeigt
Vm ist die Spitzenspannung und Vin ist die Eingangsspannung. Vm = Vin bei Spitzenspannung, also verwenden wir Vm in den Gleichungen.
Spannungsverdoppler-Halbwellenspannungsverdoppler
Da die Polarität wie im folgenden Diagramm dargestellt ist, verfälscht die Eingangsspannung die Diode D2. Seine N-Seite verbindet sich mit dem positiven Anschluss, während die P-Seite mit dem negativen Anschluss der AC-Quelle verbunden ist.
Halbwellen-Gleichspannungsverdoppler-Polarität während des positiven Halbzyklus
Auf der anderen Seite wird D1 vorwärts verzerrt, weil seine P- und N-Seite mit dem positiven bzw. negativen Anschluss verbunden sind.
Daher können Sie das Diagramm so umgestalten, dass diode D1 einen Kurzschluss (leitende Verbindung) bildet, während D2 ein offener Stromkreis ist. Sie können das Kirchhoffsche Spannungsgesetz verwenden, um die Spannung über den Kondensator C1 (Vc1) zu erhalten.
Vm – Vc1 = 0
Also Vc1 = Vm
Während des negativen Halbzyklus ändert sich die Polarität, wie unten gezeigt.
Halbwellen-Gleichspannungsverdoppler-Polarität während des negativen Halbzyklus
Während dieser Welle liegt die Vin-Forward-Vorspannung diode D2 vor. Seine N- und P-Seite sind mit dem negativen bzw. positiven Anschluss verbunden. D1 wird jedoch umgekehrt verzerrt.
Daher können Sie das Diagramm neu zeichnen, wobei D1 einen offenen Stromkreis bildet, während D2 einen Kurzschluss bildet.
Mit Dem Kirchhoffschen Spannungsgesetz können wir mit dieser Formel die Spannung über den Kondensator C2 bestimmen.
-Vm – Vm + Vc2 = 0
-Vm ist die Eingangsspannung (bei negativer Polarität)
Die zweite Vm ist die Spannung über C1, die während des vorherigen Zyklus aufgeladen wurde.
Daher ist Vc2 = Vm + Vm, was 2Vm entspricht.
Wenn Sie eine Last über den Kondensator C2 anschließen, erhalten Sie die doppelte Spitzeneingangsspannung, wodurch der Verdopplungseffekt entsteht.
C1 fungiert als Speichergerät, da kein Rückweg zum Entladen vorhanden ist. Aber während des negativen Halbzyklus verbindet es sich mit der Spannungsquelle in Reihe, so dass sich die Spannung der beiden Quellen summiert.
Vollwellenspannungsverdoppler
Wenn wir es mit einem Vollwellenverdoppler zu tun haben, messen wir die Spannung über beide Kondensatoren C1 und C2. Während des positiven Zyklus verzerrt Vin vorwärts D1, aber umgekehrte Verzerrungen D2.
Vollwellen-Gleichspannungsverdoppler-Polarität während des positiven Halbzyklus
Während dieser Zeit gibt es keinen Widerstand über D1, so dass es den Kondensator C1 kurzschließt und auflädt. D2 fungiert jedoch aufgrund seines hohen Widerstands als offener Kreislauf. Daher wird C2 nicht berechnet.
Unter Verwendung des Kirchhoffschen Gesetzes,
Vm – Vc1 = 0
Daher ist Vc1 = Vm
Im negativen Halbzyklus wird D1 umgekehrt verzerrt, aber die Polarität vorwärts verzerrt D2.
Vollwellen-Gleichspannungsverdoppler-Polarität während des negativen Halbzyklus
In Anwendung des Kirchhoffschen Gesetzes,
-Vm + Vc2 = 0
Also Vc2 = Vm
Denken Sie daran, dass C1 im vorherigen Zyklus aufgeladen wurde, so dass beide an der Spitzenspannung Vm sind. Wenn Sie also eine Last über beide Kondensatoren anschließen, erhalten Sie 2Vm.
Was ist der Unterschied?
Wenn Sie sich die Gleichungen ansehen, sind sie sich etwas ähnlich, also was ist der Unterschied zwischen einem Halbwellen- und Vollwellenspannungsverdoppler?
Der ehemalige Kondensator C1 lädt ihn während des ersten Zyklus auf und entlädt ihn dann während des zweiten Zyklus. Es entsteht das Problem, eine Welligkeitsspannung zu erzeugen, die der Versorgungsfrequenz entspricht, was es schwierig macht, die Welligkeitsfrequenz zu glätten. Daher ist die Ausgangsspannungskurve nicht sehr glatt.
Ripple-Spannungsdiagramm vor und nach der Glättung
Quelle: Wikipedia (englisch)
Ein Vollwellenspannungsverdoppler verhält sich jedoch eher wie zwei Halbwellengleichrichter. Daher ist die Ausgangsspannungskurve glatter.
Es ist erwähnenswert, dass wir sowohl bei Halbwellen- als auch bei Vollwellenschaltungen davon ausgehen müssen, dass die Kondensatoren C1 und C2 zunächst keine Ladung haben.
Spannungsverdoppler-Anwendungen von Voltage Doubler
Ionenpumpen
Fernseher CRT
Röntgensysteme
Kopiergerät
Radargerät
Wanderwellenröhren
Mikrowellenherde
Bug-Zapper
Zusammenfassung
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Spannungsverdoppler in vielen Geräten wichtige Schaltkreise sind, da sie billig herzustellen sind und nicht so viel wiegen wie Transformatoren.
Das heißt, die Transformator-Gleichrichter-Schaltungen erzeugen viel glattere DC-Ausgangsspannungskurven, aber unter Berücksichtigung der Vor- und Nachteile für jeden haben Spannungsverdoppler den Vorteil.
Darüber hinaus können Sie dem Verdoppler Filterkreise hinzufügen, um den Ausgang entsprechend einer Transformator-Gleichrichter-Kombination zu glätten.
Wenn Sie die Komponenten benötigen, um diese Schaltungen herzustellen, kontaktieren Sie uns, um sie zu unschlagbaren und erschwinglichen Preisen zu erhalten.
