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Die Magie der Spannungsvervielfacher: Wie macht man aus Niederspannung Hochspannung?
In modernen elektronischen Geräten ist die Spannungsumwandlung eine der kritischsten Technologien. Ob in Mobiltelefonen, Computern oder anderen Kleingeräten, Spannungsvervielfacher kommen überall zum Einsatz. Diese erstaunlichen Schaltkreise sind in der Lage, Niederspannungsgleichstrom in die erforderliche Hochspannung umzuwandeln, was nicht nur effizient ist, sondern auch den Energiebedarf verschiedener Geräte decken kann. In diesem Artikel wird ausführlich auf die Funktionsweise von Spannungsvervielfachern und ihre verschiedenen Anwendungen eingegangen, um den Lesern zu helfen, die Geheimnisse dahinter zu verstehen.
Grundprinzipien des Spannungsvervielfachers
Ein Spannungsvervielfacher ist eine elektronische Schaltung, die durch das Aufladen von Kondensatoren und eine bestimmte Art und Weise des Schaltens dieser Ladungen in der Lage ist, am Ausgang im Idealfall die doppelte Eingangsspannung zu erzeugen. Der einfachste Spannungsvervielfacher ähnelt einem Gleichrichter, der eine Wechselspannung in eine verstärkte Gleichspannung umwandelt. Es beruht hauptsächlich auf der Schaltfunktion von Dioden, die entsprechend der Eingangswechselspannung arbeiten.
Ein Spannungsvervielfacher ist eine Art Spannungsvervielfacher, und mehrere Vervielfacherschaltungen können überlagert werden, um die Ausgangsspannung weiter zu erhöhen.
Gängige Spannungsvervielfacherschaltungen
Villard-Rennstrecke
Die Villard-Schaltung wurde von Paul Ursich Villard erfunden. Ihr Aufbau ist einfach und besteht nur aus einem Kondensator und einer Diode. Obwohl diese Schaltung den Vorteil hat, einfach und flexibel zu sein, weist ihr Ausgang ein schlechtes Schwankungsverhalten auf. Die Hauptfunktion dieser Schaltung besteht darin, die negative Halbwelle des Wechselstroms auf Null abzuflachen, sodass die letzte positive Halbwelle nicht verbessert werden muss und immer noch eine hohe Spannung erzeugen kann. Diese Struktur wird häufig für die negative Hochspannungsstromversorgung in Mikrowellenherden verwendet.
Greinacher Runde
Die Greinacher-Schaltung stellt eine deutliche Verbesserung der Villard-Schaltung dar und weist trotz der Hinzufügung zusätzlicher Komponenten eine erheblich geringere Welligkeit auf. Bei diesem Aufbau ist die Villard-Zelle mit einem Spitzendetektor verbunden, der zunächst die Spitzenspannung des Stroms speichern und dabei die meisten Schwankungen eliminieren kann, was gegenüber diesem Design eine deutliche Verbesserung darstellt.
Greinacher-Schaltungen werden in Geräten wie Fernsehern verwendet, um Komponenten mit Strom zu versorgen, die hohe Spannungen benötigen, insbesondere in Schwarzweiß- oder Farbfernsehern.
Delon-Rennstrecke
Die Delon-Schaltung verwendet eine Brückentopologie und wird daher als Vollwellen-Spannungsverdoppler bezeichnet. Dieses Design war früher in der Displaytechnologie weit verbreitet, insbesondere bei älteren Displays, bei denen Hochspannungsnetzteile und Spannungsvervielfacher erforderlich waren, um andere Stromversorgungsmethoden zu ersetzen und so die Produktionskosten zu senken.
Anwendungen von Schaltkondensatorschaltungen
Der Switched Capacitor Circuit wandelt die Spannung der Gleichstromquelle über einen Vorschaltkreis in Wechselspannung um und vervielfacht diese anschließend. Dieses System ist insbesondere bei batteriebetriebenen Anwendungen mit niedriger Spannung wichtig, da viele integrierte Geräte eine höhere Versorgungsspannung benötigen als die von der Batterie bereitgestellte.
Durch Ansteuern der Schaltgeräte über einen externen Taktgeber können während der Generierungs- und Multiplikationsdurchgänge effizientere Schaltkreise mit geschalteten Kondensatoren gleichzeitig verarbeitet werden.
Dickson-Ladepumpe
Eine Dickson-Ladungspumpe kaskadiert mehrere Dioden und Kondensatoren, um die Spannung zu erhöhen, und verwendet eine Taktimpulsfolge, um die Kondensatoren anzutreiben. Dieses Design ist besonders bei integrierten Schaltkreisen beliebt, da es die Grenze zwischen Wechsel- und Gleichstrom verwischt und so die Bereitstellung der von den Geräten benötigten hohen Spannungen erleichtert.
Kreuzgekoppelte geschaltete Kondensatoren
Diese Technologie eignet sich besonders für Anwendungen mit sehr niedriger Spannung. Beispielsweise benötigen drahtlose Geräte wie Bluetooth-Geräte kleine Batterien zur Stromversorgung. Bei diesen Schaltungen treten keine Diodenprobleme auf, daher sind die Ausgangsverluste geringer.
Herausforderungen beim Ansteuern von SpannungsvervielfachernIn der Welt der digitalen Schaltkreise gehen praktische technische Herausforderungen oft Hand in Hand mit einfachen Designkonzepten. Auch bei einem Spannungsvervielfacher mit hervorragender Leistung kann die Leistung durch Spannungsabfälle in seinen Komponenten beeinträchtigt werden. Am Beispiel von Lithiumbatterien lässt sich sagen, dass bei einer verhältnismäßig zu niedrigen Eingangsspannung auch die erreichbare erhöhte Spannung begrenzt ist.
AbschlussDie Spannungsverdopplertechnologie ermöglicht es uns, flexiblere Stromversorgungsoptionen in Anwendungen zu schaffen, insbesondere in modernen digitalen Umgebungen. Die technischen Herausforderungen dieses Prozesses bedürfen jedoch noch weiterer Erkundung und Forschung. Welche Auswirkungen wird diese Technologie in Zukunft auf unseren Lebensstil und unsere Stromverbrauchsgewohnheiten haben?
