Quelltext der Seite Spannungsverdoppler

Ein '''Spannungsverdoppler''' ist ein [[Spannungsvervielfacher]] und somit eine Form von [[Ladungspumpe]]. Ladungspumpen funktionieren mit Hilfe von [[Kondensator (Elektrotechnik)|Kondensatoren]] und [[Diode]]n. Sie erzeugen aus einer zugeführten [[Wechselspannung]] eine betragsmäßig höhere [[Gleichspannung]], als mit einem [[Gleichrichter]] erreicht werden kann.<ref name="taschenbet"/> Die Besonderheit eines Spannungsverdopplers gegenüber anderen Spannungsvervielfachern besteht darin, dass es hierfür erweiterte Schaltungsmöglichkeiten gibt.

== Allgemeine Funktion ==
Im Gegensatz zu Ladungspumpen, welche mit Gleichspannung versorgt werden und zu den [[Gleichspannungswandler]]n ({{EnS|''DC-DC Converter''}}) gezählt werden, weisen Spannungsverdoppler aufgrund der Wechselspannungsspeisung keinen [[Oszillator]] auf. Als Schalter kommen im Regelfall potentialgesteuerte Schalter wie [[Diode]]n zur Anwendung. 

Wie bei jeder Ladungspumpe werden während der ersten Halbwelle der Wechselspannung bestimmte Kondensatoren zunächst aufgeladen und in der zweiten Halbwelle durch die geänderte Polarität der Eingangsspannung [[Reihenschaltung|in Reihe]] geschaltet, wodurch eine höhere Ausgangsspannung erzielt wird. Wird die Struktur von Spannungsverdopplungsgliedern [[Kaskadierung|kaskadiert]], können sehr hohe Gleichspannungen erzeugt werden. Diese Schaltungen werden als [[Hochspannungskaskade]] bezeichnet. Die erzeugte Gleichspannung liegt betragsmäßig immer über dem [[Scheitelwert]] der zugeführten Wechselspannung.

=== Vorteile ===
Der Vorteil einer Spannungsverdopplung statt der Verwendung eines [[Transformator]]s mit entsprechend hohem Windungszahlverhältnis und daran anschließender Gleichrichtung besteht in folgenden Punkten:

* Häufig wird als Spannungsquelle auf der Eingangsseite ein [[Transformator]] zur [[Galvanische Trennung|galvanischen Trennung]] eingesetzt. Dieser muss dabei mit der Isolation, dem Wicklungsaufbau und in der Fertigung nicht auf die hohe Ausgangsspannung ausgelegt werden.
* Bei Gleichrichtern 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.
* Unter bestimmten Verhältnissen ist die Gleichrichterkaskade leichter als ein Transformator
* Bei mehrstufiger Kaskadierung können grundsätzlich alle Teilspannungen abgegriffen werden

=== Nachteile ===
* Es besteht keine galvanische Trennung zwischen Ein- und Ausgang
* Werden [[Elektrolytkondensator]]en verwendet, so können diese durch Alterung an Kapazität verlieren, oder einen Kurzschluss verursachen, wie im Artikel zum Elektrolytkondensator beschrieben.

== Typen ==
Im Folgenden sind einige der wichtigsten Spannungsvervielfacher dargestellt.<ref name="nr6001"/>

=== Villard-Schaltung ===
[[Datei:Villard Schaltung.svg|mini|links|Villard-Schaltung in Kombination mit einem Transformator]]
[[Datei:Positive Voltage Clamping V2.svg|mini|rechts|Links Eingangsspannung, rechts Ausgangsspannung an der Diode; bei der ersten Hälfte der ersten negativen Halbwelle leitet die Diode, dabei wird der Kondensator aufgeladen und sorgt in Folge dafür, dass ''U''<sub>A</sub> angehoben wird. Während der folgenden negativen Spitzen leitet die Diode ggf. kurzfristig und hält dadurch die Spannung am Kondensator aufrecht, die ansonsten durch [[Lastwiderstand|Last-]] bzw. [[Reststrom]] absinkt.]]
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 funktionell nicht unbedingt notwendig: Er dient der galvanischen Trennung und dazu, die Eingangswechselspannung auf entsprechend hohe Wechselspannung für die Speisung der Villard-Schaltung anzuheben.

Die Villard-Schaltung stellt eine [[Klemmschaltung (Nachrichtentechnik)#Spitzenklemmung|Klemmschaltung mit Spitzenklemmung]] dar: Nach einigen [[Periode (Physik)|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''<sub>A</sub> zwischen 0&nbsp;V und dem zweifachen Wert der sekundärseitigen Wechselspannung wie rechts im rechten Zeitdiagramm dargestellt.

Durch Umpolung der Diode ''D'' kann eine negative Ausgangsspannung erzielt werden.
In den meisten [[Mikrowellenherd]]en wird mit dieser Schaltung die negative Hochspannung für die [[Kathode]] des [[Magnetron]] erzeugt. Dabei wird als Diode eine Diodenkaskade eingesetzt, die [[Schwellenspannung|Durchlassspannung]] ist dann im Bereich 6&nbsp;V.

{{Absatz}}

=== Greinacher-Schaltung ===
[[Datei:Greinacher Schaltung.svg|mini|rechts|Greinacher-Schaltung]]
Die Greinacher-Schaltung ist eine Weiterentwicklung, die die ausgangsseitige Spitzenspannung der Villard-Schaltung durch eine zusätzliche Diode ''D''<sub>2</sub> und einen Speicherkondensator ''C''<sub>2</sub> erweitert und damit eine Gleichspannung mit vergleichsweise geringer [[Rippelstrom|Restwelligkeit]] liefert. Die Ausgangsspannung beträgt im unbelasteten Fall:

:<math>U_A = 2 \, \hat{U}_E' - 2 \, U_D</math>

mit <math>\hat{U}_E'</math> als der sekundärseitigen Scheitelwertspannung des Transformators ''Tr'' und ''U''<sub>D</sub> als der [[Flussspannung]] der beiden Dioden, die bei Siliziumdioden etwa 0,7&nbsp;V pro Diode beträgt.

Die Schaltung wurde von [[Heinrich Greinacher]] im Jahr 1913 in Zürich entwickelt und 1914 veröffentlicht.<ref name="greinach1"/> Für den Betrieb seines [[Ionometer]]s benötigte er eine Gleichspannung von 200&nbsp;V bis 300&nbsp;V, wofür die damals in Zürich verfügbare Wechselspannung von 110&nbsp;V zu gering war.<ref name="quant1"/> 

Die Weiterentwicklung in Form einer Kaskade wird als [[Hochspannungskaskade]] oder mitunter ebenfalls als Villard-Schaltung bezeichnet. Sie findet z.&nbsp;B. im Hochspannungsteil von [[Röhrenfernseher]]n, [[Ionenimplanter]]n oder in [[Teilchenbeschleuniger]]n wie dem [[Cockcroft-Walton-Beschleuniger]] Anwendung. Für diesen Beschleuniger entwickelten [[John Cockcroft]] und [[Ernest Walton]] 1932 diese Schaltung unabhängig von Greinacher.

Bis auf den Eingangskondensator müssen alle Bauteile für den doppelten Spitzenspannungswert der Speisespannung ausgelegt sein.

{{Absatz}}

=== Delon-Schaltung {{Anker|Delon-Schaltung}}===
[[Datei:Delon Schaltung.svg|mini|Delon-Brückenschaltung]]
[[Datei:Delon Schaltung Vierfach.svg|mini|Delon-Schaltung zur Spannungsvervierfachung]]
[[Datei:Switcheable rectifier.svg|mini|Versorgungs&shy;span&shy;nungs&shy;um&shy;schal&shy;tung]]
Die einfache Delon-Schaltung ist ebenfalls ein Spannungsverdoppler und zählt zu den [[Brückenschaltung]]en.<ref name="tietze1"/> Die positive Halbwelle lädt über die Diode ''D''<sub>1</sub> den Kondensator ''C''<sub>1</sub> auf den Scheitelwert der sekundärseitigen Wechselspannung auf, während die Diode ''D''<sub>2</sub> sperrt. Die negative Halbwelle lädt über die Diode ''D''<sub>2</sub> den Kondensator ''C''<sub>2</sub> auf den Scheitelwert der sekundärseitigen Wechselspannung auf. Die Ausgangsspannung ist die Summe der Gleichspannungen an den beiden Kondensatoren mit dem Wert:
:<math>U_A = 2 \, \hat{U}_E' - 2 \, U_D</math>

Die Delon-Schaltung besitzt eine besondere Bedeutung für Elektrogeräte, welche sowohl an den im amerikanischen Raum üblichen Netzspannungen mit 110&nbsp;V und in den Stromnetzen in Europa mit 230&nbsp;V betrieben werden sollen und keinen Weitbereichseingang aufweisen. In diesem Fall wird der primärseitige [[Brückengleichrichter]] durch die Delon-Schaltung erweitert: Bei Betrieb mit 230&nbsp;V ist die Delon-Schaltung deaktiviert und nur der Brückengleichrichter aktiv, welche eine Ausgangssgleichspannung von ca. 325&nbsp;V liefert. Bei Betrieb an 110&nbsp;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&nbsp;V an. Daran angeschlossene primärgetaktete [[Schaltnetzteil]]e können so unabhängig von den verschiedenen Netzspannungen immer mit Eingangsspannungen von ca. 315&nbsp;V betrieben werden.

Die Delon-Schaltung kann auch zur Vervierfachung eingesetzt werden. Damit kann die Ausgangsspannung auf den Wert

:<math>U_A = 4 \, \hat{U}_E' - 4 \, U_D</math>

erhöht werden.

{{Absatz}}

== Einzelnachweise ==
<references>
<ref name="taschenbet">{{Literatur |Autor = Ralf Kories, Heinz Schmidt-Walter |Titel = Taschenbuch der Elektrotechnik |Verlag = Harri Deutsch | Auflage = 6. | Jahr = 2004 | Kommentar = Kapitel 10.2.2 | ISBN = 3-8171-1734-5 }}
</ref>
<ref name="nr6001">
Maciej A. Noras: ''Voltage level shifting'', Trek Application Note Number 6001, 2004, [http://www.trekinc.com/pdf/6001_Voltage_Level_Shifting.pdf Online] (engl.; PDF; 452&nbsp;kB).
</ref>
<ref name="greinach1">
Heinrich Greinacher: ''The Ionometer and its Application to the Measurement of Radium and Röntgen Rays'', Physikalische Zeitschrift, Ausgabe 15, 1914, Seiten 410 bis 415.
</ref>
<ref name="quant1">{{Literatur | Autor = Jagdish Mehra, Helmut Rechenberg | Titel = The Historical Development of Quantum Theory: Schrödinger in Vienna and Zurich 1887-1925: Part 1 | Verlag = Springer | Jahr = 2001 | Seiten = 284 | ISBN = 978-0-387-95179-9 }}
</ref>
<ref name="tietze1">{{Literatur | Autor =[[Ulrich Tietze]], Christoph Schenk | Titel = Halbleiter-Schaltungstechnik | Verlag = Springer | Auflage = 1. | Jahr = 1969 | Kommentar = Titel-Nr. 1565 | Seiten = 13 }}
</ref>
</references>

== Siehe auch ==
* [[Hochspannungskaskade]]

== Literatur ==
* {{Literatur 
|Autor = Ralf Kories, Heinz Schmidt-Walter 
|Titel = Taschenbuch der Elektrotechnik 
|Verlag = Harri Deutsch | Auflage = 6. | Jahr = 2004 | ISBN = 3-8171-1734-5 }}
* {{Literatur 
|Autor = Manfred Seifart 
|Titel = Analoge Schaltungen
|Verlag = VEB Verlag Technik Berlin | Auflage = 3. | Jahr = 1989 | ISBN = 3-341-00740-7 }}

== Weblinks ==
*[http://www.rn-wissen.de/index.php/Spannungsverdoppler Spannungsverdoppler auf rn-wissen.de] 
*Detlef Mietke: [https://web.archive.org/web/20120225163013/http://home.arcor.de/d.mietke/analog/vervielf.html Gleichrichterschaltungen mit Spannungsvervielfachung] (archive.org)

[[Kategorie:Elektrische Schaltung]]