2 einfache Spannungsverdopplerschaltungen

In diesem Artikel lernen wir, wie man ein paar einfache Gleichspannungsverdopplerschaltungen mit einem einzigen IC 4049 und IC 555 zusammen mit ein paar anderen passiven Komponenten baut.

Wenn du dich fragst, wie man mit einem einfachen IC 555 eine leistungsfähige Spannungsverdopplerschaltung bauen kann, dann wird dir dieser Artikel helfen, die Details zu verstehen und das Design zu Hause zu konstruieren.

Was ist ein Spannungsverdoppler

Ein Spannungsverdoppler ist eine Schaltung, die nur Dioden und Kondensatoren verwendet, um eine Eingangsspannung in eine höhere Ausgangsspannung zu erhöhen, die doppelt so groß ist wie die Eingangsspannung.

Wenn du das Konzept des Spannungsverdopplers noch nicht kennst und es vertiefen möchtest, findest du auf dieser Website einen ausführlichen Artikel, in dem verschiedene Spannungsverdopplerschaltungen erklärt werden.

Das Konzept des Spannungsverdopplers wurde erstmals von den britischen und irischen Physikern John Douglas Cockcroft und Ernest Thomas Sinton Walton entdeckt und praktisch angewendet, weshalb es auch als Cockcroft-Walton-Generator (CW) bezeichnet wird.

Ein gutes Beispiel für einen Spannungsvervielfacher ist dieser Artikel, der das Konzept zur Erzeugung ionisierter Luft für die Luftreinigung in Wohnungen nutzt.

Eine Spannungsverdopplerschaltung ist ebenfalls eine Form des Spannungsvervielfachers, bei der die Dioden-/Kondensatorstufe auf einige wenige Stufen beschränkt ist, so dass der Ausgang eine Spannung erzeugen kann, die das Doppelte der Versorgungsspannung betragen kann.

Da alle Spannungsvervielfacherschaltungen zwingend einen Wechselstromeingang oder einen pulsierenden Eingang benötigen, wird eine Oszillatorschaltung zur Erzielung der Ergebnisse unerlässlich.

IC 555 Pinout Details

Schaltplan eines Spannungsverdopplers mit IC 555

Bezogen auf das obige Beispiel sehen wir eine IC 555-Schaltung, die als astabile Multivibratorstufe konfiguriert ist, die eigentlich eine Form von Oszillator ist und dazu dient, einen pulsierenden Gleichstrom (ON/OFF) an ihrem Ausgangspin#3 zu erzeugen.

Wenn du dich erinnerst, hatten wir auf dieser Website eine LED-Taschenlampenschaltung besprochen, die ziemlich identisch eine Spannungsverdopplerschaltung verwendet, obwohl der Oszillatorteil mit einem IC 4049 Gates erzeugt wird.

Grundsätzlich kann man die IC 555-Stufe durch eine beliebige andere Oszillatorschaltung ersetzen und erhält trotzdem den Spannungsverdopplungseffekt.

Die Verwendung des IC 555 hat jedoch einen kleinen Vorteil, da dieser IC in der Lage ist, mehr Strom als jede andere IC-basierte Oszillatorschaltung zu erzeugen, ohne eine externe Stromverstärkerstufe zu verwenden.

Wie die Spannungsverdopplerstufe arbeitet

Wie im obigen Diagramm zu sehen ist, wird die eigentliche Spannungsvervielfachung durch die D1, D2, C2, C3-Stufe implementiert, die als Halbbrücken-2-Stufen-Spannungsvervielfacher-Netzwerk konfiguriert sind.

Die Simulation dieser Stufe als Reaktion auf die Pin#3-Situation des IC 555 kann ein wenig schwierig sein, und ich kämpfe immer noch damit, sie in meinem Gehirn richtig zum Laufen zu bringen.

Die Funktionsweise der erwähnten Spannungsverdopplerstufe lässt sich nach meiner gedanklichen Simulation wie folgt erklären:

1. Wenn sich der IC-Ausgangspin#3 auf seinem niedrigen Logik- oder Massepegel befindet, kann D1 C2 aufladen, da es durch C2 und das negative Potenzial von Pin#3 in Vorwärtsrichtung vorgespannt werden kann; gleichzeitig wird auch C3 über D1 und D2 aufgeladen.
2. Nun, im nächsten Moment, sobald Pin#3 auf High-Logic oder auf das positive Versorgungspotential kommt, wird es etwas verwirrend.
3. Hier ist C2 nicht in der Lage, sich über D1 zu entladen, also haben wir einen Versorgungsspannungsausgang von D1, von C2 und auch von C3.
4. Viele der anderen Online-Seiten sagen, dass an diesem Punkt die gespeicherte Spannung in C2 und die positive von D1 mit dem Ausgang von C3 kombiniert werden soll, um eine verdoppelte Spannung zu erzeugen, aber das macht keinen Sinn.
5. Wenn Spannungen parallel kombiniert werden, erhöht sich die Nettospannung nämlich nicht. Die Spannungen müssen in Reihe kombiniert werden, um den gewünschten Verstärkungs- oder Verdoppelungseffekt zu bewirken.
6. Die einzige logische Erklärung, die abgeleitet werden kann, ist, dass, wenn Pin#3 hoch wird, C2’s negatives Ende auf dem positiven Pegel liegt und sein positives Ende auch auf dem Versorgungspegel gehalten wird, es gezwungen ist, einen Umkehrladungsimpuls zu erzeugen, der sich mit der C3-Ladung addiert und eine momentane Potenzialspitze mit einer Spitzenspannung verursacht, die doppelt so hoch ist wie der Versorgungspegel.

Wenn Sie eine bessere oder technisch korrektere Erklärung haben, können Sie sie gerne in den Kommentaren erläutern.

Wie viel Strom?

Pin#3 des ICs ist dafür vorgesehen, maximal 200mA Strom zu liefern, daher kann man erwarten, dass der maximale Spitzenstrom bei diesen 200mA liegt, allerdings werden die Spitzen je nach den Werten von C2 und C3 schmaler. Kondensatoren mit höheren Werten können einen größeren Stromtransfer über den Ausgang ermöglichen, daher sollte man sicherstellen, dass die Werte von C2, C3 optimal gewählt sind, etwa 100uF/25V sind gerade genug

Eine praktische Anwendung

Obwohl eine Spannungsverdopplerschaltung für viele elektronische Schaltungen nützlich sein kann, könnte eine Hobbyanwendung darin bestehen, eine Hochspannungs-LED von einer Niederspannungsquelle aus zu beleuchten, wie unten gezeigt:

Im obigen Schaltplan ist zu sehen, wie die Schaltung zur Beleuchtung einer 9-V-LED-Glühbirne aus einer 5-V-Versorgungsquelle verwendet wird, was normalerweise unmöglich wäre, wenn die 5 V direkt an die LED angelegt würden.

Zusammenhang zwischen Frequenz, PWM und dem Spannungsausgangspegel

Die Frequenz in einer Spannungsverdopplerschaltung ist nicht entscheidend, aber mit einer schnelleren Frequenz lassen sich bessere Ergebnisse erzielen als mit einer langsameren Frequenz.

Auch für den PWM-Bereich sollte das Tastverhältnis etwa 50 % betragen, schmalere Impulse führen zu einem geringeren Strom am Ausgang, während zu breite Impulse den betreffenden Kondensatoren keine optimale Entladung ermöglichen, was wiederum zu einer unzureichenden Ausgangsleistung führt.

In der besprochenen IC 555 astable-Schaltung kann der R1 irgendwo zwischen 10K und 100K liegen, dieser Widerstand entscheidet zusammen mit C1 über die Frequenz. C1 kann also irgendwo zwischen 50nF und 0,5uF liegen.

R2 ermöglicht grundsätzlich die Steuerung der PWM, daher kann dieser Widerstand mit einem 100K-Poti zu einem variablen Widerstand gemacht werden.

Unter Verwendung von IC 4049 NOT-Gates

Die folgende auf einem CMOS-IC basierende Schaltung kann für die Verdopplung einer beliebigen Gleichspannungsquelle (bis zu 15 V DC) verwendet werden. Die hier vorgestellte Schaltung verdoppelt eine beliebige Spannung zwischen 4 und 15 V DC und kann Lasten mit einem Strom von höchstens 30 mA betreiben.

Wie aus dem Diagramm ersichtlich ist, verwendet diese Gleichspannungsverdopplerschaltung nur einen einzigen IC 4049, um das vorgeschlagene Ergebnis zu erzielen.

IC 4049 Pinouts

Betrieb der Schaltung

Der IC 4049 hat insgesamt sechs Gatter, die alle effektiv für die Erzeugung der besprochenen Spannungsverdopplungsvorgänge sind. Zwei der sechs Gatter sind als Oszillator konfiguriert.

Der ganz linke Teil des Diagramms zeigt den Oszillatorteil.

Der 100-K-Widerstand und der 0,01-Kondensator bilden die grundlegenden frequenzbestimmenden Bauteile.
Eine Frequenz wird zwingend benötigt, wenn eine Spannungsschrittaktion realisiert werden soll, daher wird auch hier die Einbeziehung eines Oszillators notwendig.

Diese Oszillation wird nützlich, um das Laden und Entladen eines Satzes von Kondensatoren am Ausgang zu initiieren, was darauf hinausläuft, dass die Spannung über dem Satz von Kondensatoren so multipliziert wird, dass das Ergebnis das Doppelte der angelegten Versorgungsspannung beträgt.

Die Spannung vom Oszillator kann jedoch vorzugsweise nicht direkt an die Kondensatoren angelegt werden, sondern wird durch eine Gruppe von parallel angeordneten Gates des ICs erzeugt.

Diese parallelen Gatter bewirken eine gute Pufferung der von den Generatorgattern angelegten Frequenz, so dass die resultierende Frequenz stromstärker ist und auch bei relativ hohen Lasten an den Ausgängen nicht ins Wanken gerät.

Bei Beachtung der Spezifikationen eines CMOS-ICs kann jedoch nicht erwartet werden, dass die Ausgangsstrombelastbarkeit größer als 40 mA ist.

Höhere Lasten als diese führen zu einer Verschlechterung des Spannungsniveaus gegenüber dem Versorgungsniveau.

Die Werte der Ausgangskondensatoren können auf 100uF erhöht werden, um einen angemessenen höheren Wirkungsgrad der Schaltung zu erzielen.

Bei 12 Volt als Versorgungseingang für den IC kann ein Ausgang von etwa 22 Volt von dieser auf dem IC 4049 basierenden Spannungsverdopplerschaltung erzielt werden.

Bauteilliste

• R1 = 68K,
• C1 = 680pF,
• C2, C3 = 100 uF/ 25V,
• D1, D2 =1N4148,
• N1, N2, N3, N4 = IC 4049,
• LEDs Weiß = 3 nos.