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2025-10-01T12:20:49Z

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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''A 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''A zwischen 0 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 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''2 und einen Speicherkondensator ''C''2 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''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.<ref name="greinach1"/> Für den Betrieb seines [[Ionometer]]s benötigte er eine Gleichspannung von 200 V bis 300 V, wofür die damals in Zürich verfügbare Wechselspannung von 110 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. 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|Versorgungsspannungsumschaltung]]
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''1 den Kondensator ''C''1 auf den Scheitelwert der sekundärseitigen Wechselspannung auf, während die Diode ''D''2 sperrt. Die negative Halbwelle lädt über die Diode ''D''2 den Kondensator ''C''2 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 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. 325 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 primärgetaktete [[Schaltnetzteil]]e 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. 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 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]]

Spannungsverdoppler - Versionsgeschichte

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