Spannungsverdoppler
In einem meiner aktuellen Projekte stand ich vor der Herausforderung, dass die vorhandene Versorgungsspannung nicht ausreichte, um einen Mikrocontroller zuverlässig zu betreiben. Dieses Problem führte mich zur Lösung über eine Verdopplerschaltung, die ich in diesem Blogbeitrag näher vorstellen werde. Wir werfen einen Blick auf die Funktionsweise, Vorteile und Einsatzmöglichkeiten dieser Schaltungstechnik, um ähnliche Spannungsprobleme effektiv zu lösen.
Was ist ein Spannungsverdoppler?
Eine Spannungsdoppler-Schaltung ist eine einfache Methode, um die Ausgangsspannung einer Stromquelle zu verdoppeln, ohne die Quelle selbst zu verändern. Diese Technik basiert meist auf der Verwendung von Kondensatoren und Dioden, um eine Wechselspannung in eine höhere Gleichspannung umzuwandeln. Sie wird vor allem dann eingesetzt, wenn die verfügbare Spannung zu niedrig ist, um bestimmte Bauteile zu betreiben.
Funktionsweise einer Spannungsverdopplerschaltung
Der Spannungsverdoppler nutzt das Prinzip der Wechselstromgleichrichtung und Ladungsspeicherung, um eine höhere Ausgangsspannung zu erzeugen. Es gibt verschiedene Arten von Spannungsdopplern, aber eine der bekanntesten Varianten ist der Greinacher-Spannungsverdoppler (auch Villard-Schaltung genannt). Hier die Funktionsweise in vereinfachter Form:
Wechselspannung als Eingang: Eine Wechselspannung wird als Eingangsquelle genutzt. Ein Wechselstrom wechselt regelmäßig zwischen positiver und negativer Polarität.
Dioden und Kondensatoren: Durch den Einsatz von Dioden wird der Stromfluss so gesteuert, dass in den positiven und negativen Halbwellen die Kondensatoren aufgeladen werden. Eine Diode leitet den Strom nur in eine Richtung und blockiert den Rückfluss.
Ladungsspeicherung: Die Kondensatoren speichern während der einen Halbwelle die Ladung und entladen sie in der zweiten Halbwelle. Dadurch kann eine höhere Spannung am Ausgang generiert werden, die etwa das Doppelte der Eingangsspannung beträgt.
Gleichstrom am Ausgang: Am Ende wird die verdoppelte Spannung als Gleichstrom ausgegeben, der dann zur Versorgung von Bauteilen oder Mikrocontrollern genutzt werden kann.
$$ U_{\text{out}} = 2 \cdot \hat{U} $$
Vor- und Nachteile der Spannungsverdopplerschaltung
Vorteile:
- Einfache Implementierung: Eine Spannungsverdopplerschaltung erfordert nur wenige Bauteile (Dioden und Kondensatoren), was sie kostengünstig und leicht umsetzbar macht.
- Keine zusätzliche Energiequelle nötig: Du kannst die vorhandene Wechselspannung nutzen, um eine höhere Gleichspannung zu erzeugen, ohne zusätzliche Batterien oder Netzteile einzubauen.
- Flexibilität: Spannungsdoppler funktionieren bei vielen Anwendungen und lassen sich mit wenig Aufwand in bestehende Schaltungen integrieren.
Nachteile:
- Begrenzte Stromkapazität: Spannungsverdoppler eignen sich nicht für Anwendungen, die große Ströme benötigen. Mit zunehmendem Strombedarf sinkt die Effizienz.
- Spannungseinbruch: Die Ausgangsspannung kann bei hohen Lasten schnell einbrechen, da die Kondensatoren entladen werden.
- Rippelspannung: Aufgrund der Wechselstromkomponente ist die Ausgangsspannung oft nicht stabil und kann zusätzliche Filter erfordern.
Simulation mit LT-Spice
Die Simulation der Spannungsverdopplerschaltung mit LTspice ist eine effektive Methode, um das Verhalten dieser Schaltung zu testen und die Bauteile richtig zu dimensionieren, bevor du sie in der Praxis aufbaust.
LTspice ist ein kostenloses und weit verbreitetes Tool zur Simulation von elektronischen Schaltungen. Mit LTspice kannst du Spannungswerte, Ströme und andere Parameter der Schaltung visualisieren und analysieren.
Wie man hier gut erkennen kann, wird ca. eine Spannung von 9V erreicht, was ungefähr das doppelte der Eingangsamplitude im Eingang entspricht.
Typische Anwendungsbereiche
Spannungsverdoppler-Schaltungen finden sich in einer Vielzahl von Anwendungen, vor allem dort, wo eine höhere Spannung benötigt wird, aber keine zusätzliche Energiequelle zur Verfügung steht. Einige Beispiele sind:
- Mikrocontroller-Versorgung: Wenn die Betriebsspannung eines Mikrocontrollers höher ist als die verfügbare Versorgungsspannung, kann ein Spannungsdoppler helfen, das System dennoch zu betreiben.
- Kleinspannungsgeräte: Viele batteriebetriebene Geräte verwenden Spannungsverdoppler, um höhere Spannungen zu erzeugen, ohne die Batteriekonfiguration zu verändern.
- Röhrenschaltungen: In älteren oder spezialisierten Röhrengeräten, wie etwa in Audioverstärkern, werden Spannungsverdoppler eingesetzt, um die erforderlichen hohen Spannungen zu erzeugen.
Fazit
Eine Spannungsverdopplerschaltung ist eine clevere und einfache Lösung, um eine zu niedrige Eingangsspannung zu erhöhen und Bauteile, die mehr Spannung benötigen, trotzdem betreiben zu können. Mit wenigen Bauteilen lässt sich die Spannung verdoppeln, was für viele Anwendungen von Vorteil ist. Wie bei allen Schaltungen gibt es auch hier Einschränkungen, vor allem bei der maximalen Stromabgabe und der Stabilität der Ausgangsspannung, aber für kleinere Projekte oder Mikrosysteme ist die Verdopplerschaltung eine ausgezeichnete Option.
Planst du in deinem Projekt die Versorgungsspannung zu verdoppeln? Teile gerne deine Erfahrungen und Fragen in den Kommentaren!