erstellt  03.07.200
Spannungsvervielfacher ( Spannungsverdoppeler) oder auch Ladungspump

Die Gleichspannung die man einem Gleichrichter entnehmen kann , ist weitgehend von der Höhe der Wechselspannung am
Ausgang eines Transformators abhängig.
Da man die Ausgangsspannung bei Transformatoren aus gründen der Isolierung ( Isolation zwischen den einzelnen Wicklungslagen)
nicht unendlich hochmachen kann, gibt es die Möglichkeit die Spannungen mit Hilfe von Dioden und Kondensatoren zu
erhöhen allerdings geht das auf Kosten des Stromes.

Funktion

Wir gehen davon aus das wir eine Wechselspannung von 10 Volt zu Verfügung haben , das bedeutet es sind 10 Volt effektiv .
Von effektiv sprechen wir weil die Spannung ja aus einer Sinuskurve resultiert , und in einer Sinuskurve die Spannung ständig
wechselnde Werte annimmt .
Wenn wir nun aus diesen ständig sich wechselnden Werte den Mittelwert errechnen haben wir den Effektiv Wert.
Der wahre Spannungswert ist also nicht Konstant und nimmt im Laufe der Sinuskurve ständig andere Werte an
Der höchste erreichte Wert innerhalb unserer Sinusspannung bezeichnet man als Spitzenspannung .

Die Spitzenspannung lässt sich leicht aus dem effektiv Wert mit folgender Formel errechnen:


    = 14,14 Volt Spitzenspannung

Bild 1
Spannungsverdoppler

Gehen wir bei unserer Betrachtung erst einmal davon aus das am Punkt 1 die Positive Sinuswelle vorhanden ist.
Bei 10 Volt effektiver Wechselspannung lädt sich der Kondensator C1 über die Diode D1 auf und nimmt den 1,414 fachen
Wert der Effektivspannung an.
Dies ist die maximale Spannung die innerhalb der Sinuskurve auftritt.
Somit messen wir zwischen den Punkten 3 und 4 eine Gleichspannung von 14,14 Volt minus die ca. 0,6 Volt die an der Diode
abfallen also ca 13,8 Volt .

Im nächsten Fall gehen wir davon aus dass die Positive Halbwelle am Punkt 2 anliegt, dann lädt sich der Kondensator C2
über die Diode 2 auf und wir haben zwischen den Punkten 4 und 5 ebenfalls 13,8 Volt anliegen.
Somit haben wir zwischen Punkt 3 und 5 eine Addition der beiden Spannungen und kommen auf annähernd 27,6 Volt.
Diese Spannung steht in der gesammten  Höhe so lange zu Verfügung so lange sich die Kondensatoren schneller aufladen
als sie durch einen angeschlossenen Verbraucher entladen werden können.
Wird also der Widerstand eines Verbrauchers zu klein , also die Belastung höher so senkt sich der Spannungspegel.
Dem kann man im gewissen Bereich entgegen treten indem man die Kapazitäten oder die Frequenzen erhöht.
Abhängig ist die Belastungsgrenze somit vom Innenwiderstand der Trafo Wicklung und der angeschlossenen Kapazitäten ,
sowie auch der Frequenz der Wechselspannung.
Solche Spannungsverdoppler verwendet man in der Regel dort, wo sehr kleine Ströme fließen.
Die möglichen Strombelastungen spielen sich im mA Bereich ab.

Bild 2

Spannungsvervielfacher

Der Spannungsvervielfacher auch Villard Schaltung nach dem gleichnamigen  Erfinder benannt hat den Vorteil das die
Verdopplung nicht nur einmal
statt finden kann, sondern das sie auch mehrmals wiederholt werden kann.
Hier sehen wir einen Verdoppler der gleich zwei Stufen aufweist, es findet also die Verdoppelung zweimal hintereinander statt.
Vorteil man kann die Spannung immer wieder weiter erhöhen, allerdings mit dem Nachteil verbunden das mit jeder Stufe
auch der Innenwiderstand steigt und der Stromfluss damit immer geringer wird.

Bild 3

Da es für die Berechnung der Spannungen auch Formeln gibt die bei mir aber mit der Praxis nicht immer zu trafen  erspare
ich mit die ganze Berechnungen ,
und stell einfach die Messtechnisch ermittelten Daten (Bild 4) unten vor.

Bild 4
Bild 5

Man kann natürlich durch eine Dioden-Kondensator Kombination nicht die Leistung erhöhen sondern nur die Spannung ,
und wenn man nach der Formel P =U*I  rechnet kann man sich in etwa den entnehmbaren Strom ausrechen.
Angenommen wir haben nach Bild 4 in der Sekundär Spule einen Strom von ca. 50 mA bei 117 Volt  dann entspricht das
einer Leistung von ca. 5,8 Watt,was bedeuten würde das sie am Ausgang der Kaskade bei 592 Volt um auf die gleiche
Wattzahl zu gelangen ( I=P/U ) ungefähr einen Strom von 9 mA hätten ,
da aber jede Diode und auch Kondensator
Widerstände darstellen , wird der Strom noch um einiges geringer sein.
Mann kann also sagen das mit jeder Stufe der Ausgangsstrom geringer wird.

Das Prinzip stelle man sich folgendermaßen vor :
Ein Mensch fördert mit einer der herkömmlichen Schwengelpumpe  die man von früher noch aus dem Garten kennt,
Wasser aus der Erde in eine große Tonne.
Während  die Tonne etwa auf halber Höhe eine Ausguss besitzt der vom Durchmesser aber ziemlich klein ist im Verhältnis
zum Pumpen Förderrohr.
Dazu muss man wissen das eine Schwengelpumpe aus zwei Takte besteht im ersten Takt zieht sie das Wasser aus der Erde und im zweiten Takt
wird das Wasser in die Tonne befördert.

Es kommt so immer nur ein Schwall Wasser an, dann kurze Pause dann der nächste Schwall usw.
Aus dem Ausguss auf halber Höhe wird also kontinuierlich Wasser austreten weil die Öffnung kleiner ist und beim Pumpen pro Schwall
etwa die doppelte Menge hinein befördert wird.

Solange die Austrittsöffnung kleiner ist , wird die Tonne also immer Wasser haben.
Wenn wir jetzt die Höhe des Wasserstandes mit der Spannung
und die Menge des Wassers mit Strom gleichsetzen können wir vielleicht die Funktion leichter verstehen.
 Aktualisiert 29.10.2023
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