Spannungsverdoppler

Du hast einen Trafo mit 12 V, brauchst aber gut 30 V – etwa für eine Handvoll 24-V-Relais, einen Spannungsregler auf 24 V oder eine Varicap-Abstimmung. Statt einen neuen Trafo zu kaufen, lädst du zwei Elkos in getrennten Halbwellen auf den Scheitelwert und schaltest sie in Reihe. Das ist der Spannungsverdoppler. Er braucht zwei Dioden und zwei Elkos und liefert ohne Last fast 2 · Û.

Den Gewinn an Spannung bezahlst du mit Strom: Der Trafo muss für die halbe Spannung den doppelten Strom liefern, und die Ausgangsspannung gibt unter Last deutlich stärker nach als bei einem normalen Gleichrichter. Für kleine bis mittlere Ströme ist der Verdoppler aber eine bewährte Lösung. Er steckt auch in vielen älteren PC-Netzteilen mit 115/230-V-Schalter: In der Stellung 115 V arbeitet die Eingangsbrücke als Verdoppler und erzeugt so dieselbe Zwischenkreisspannung wie bei 230 V.

Schaltplan

• T1, 230 V / 12 V, 5 VA: liefert die Wechselspannung zwischen A und M. Ihre Primärseite mit Sicherung ist hier nicht gezeichnet, sie ist dieselbe wie beim Einweggleichrichter.
• D1, 1N4007: lädt in der positiven Halbwelle C1. Kathode zum Pluspol.
• D2, 1N4007: lädt in der negativen Halbwelle C2. Anode zum Minuspol.
• C1, C2, 1000 μF / 25 V: jeder Elko wird auf etwa den Scheitelwert geladen; in Reihe ergeben sie die doppelte Spannung.
• Last, 50 mA: zum Beispiel ein LM317, eingestellt auf 24 V, mit zwei 24-V-Relais.

So funktioniert die Schaltung

Positive Halbwelle. A liegt höher als M. Übersteigt die Wicklungsspannung die Spannung an C1 um die Flussspannung, leitet D1 und lädt C1 auf den Scheitelwert minus 0,9 V. Der Strom fließt von A über D1 in C1 und von M zurück in die Wicklung.

Negative Halbwelle. Jetzt liegt A unter M. D2 leitet, der Strom fließt von M durch C2 und D2 zurück nach A. C2 lädt sich auf, Pluspol an M.

Am Ausgang liegen C1 und C2 in Reihe. Jeder Elko trägt etwa Û − U_F, zusammen fast 2 · Û. Jeder Elko wird nur einmal pro Periode nachgeladen, aber abwechselnd. Die Ausgangsspannung brummt deshalb mit 100 Hz. Jeder Elko führt dabei den vollen Laststrom, und jede Diode liefert im Mittel den vollen Laststrom nach – nicht die Hälfte wie in der Brücke.

Dimensionierung

Ziel: rund 30 V bei 50 mA aus einem 12-V-Trafo, Brumm etwa 1 V.

1. Leerlaufspannung. Mit Û = √2 · 12 V = 16,97 V und 0,9 V je Diode:

2. Elkos. Jeder Elko wird einmal pro Periode, also mit 50 Hz, nachgeladen und muss in der Zwischenzeit den vollen Laststrom liefern. Weil die beiden Nachladungen um eine halbe Periode versetzt sind, beträgt die Brummspannung am Ausgang:

Im Mittel bleiben bei 50 mA also etwa 31,6 V.

3. Realer Trafo. Ein 5-VA-Trafo liefert bei Teillast eher 14 V als 12 V, dafür kostet sein Innenwiderstand von einigen Ohm Spannung. Die Rechnung im Diagramm ergibt 33,6 V bei 50 mA mit 0,7 V Brumm, im Leerlauf 37,8 V. Der Verdoppler gibt also rund 4 V nach, wenn die Last von 0 auf 50 mA steigt – ein Gleichrichter ohne Verdopplung am selben Trafo nur etwa halb so viel.

4. Spannungsfestigkeit. Jeder Elko sieht höchstens den Scheitel einer Halbwelle, im Leerlauf mit 10 % Netzreserve 1,1 · √2 · 14 V − 0,9 V ≈ 20,9 V; 25-V-Elkos reichen. Jede Diode sperrt dagegen die volle Ausgangsspannung, bis zu 42 V. Ein 1N4002 (100 V) würde reichen, der 1N4007 kostet dasselbe.

5. Trafo. Die Wicklung liefert in beiden Halbwellen Stromspulse für den vollen Laststrom. Effektiv fließen etwa 0,2 A, also rund 2,5 VA – mit dem 5-VA-Trafo bleibt Reserve.

Für den Ladeelko eines normalen Gleichrichters gibt es den Rechner Gleichrichter und Siebkondensator; beim Verdoppler rechnest du mit der Formel oben.

Bauteilliste

Varianten

Greinacher-Verdoppler (Einpuls). Ein Elko in Reihe mit der Wicklung und eine Diode nach Masse bilden eine Klemmschaltung: Der Knoten X pendelt dann zwischen 0 V und 2 · Û. Ein Spitzenwertgleichrichter aus D2 und C2 macht daraus Gleichspannung.

Der Vorteil: Wicklung und Ausgang haben dieselbe Masse. Deshalb lässt sich diese Stufe beliebig oft hintereinanderschalten, siehe Spannungsvervielfacher (Kaskade). Der Nachteil: C2 wird nur einmal pro Periode geladen, der Brumm hat 50 Hz. Mit denselben Werten liefert der Greinacher-Verdoppler 33,5 V und 0,9 V Brumm. C2 braucht hier 50 V Spannungsfestigkeit.

Verdoppler an Rechteckspannung. Statt eines Trafos kann auch ein Rechtecksignal den Greinacher-Verdoppler treiben, etwa ein NE555 oder ein PWM-Pin. Mit einigen Kilohertz genügen dann wenige Mikrofarad. Das ist die Ladungspumpe, mit der man aus 5 V rund 8 V für ein paar Milliampere gewinnt.

Negative Hilfsspannung. Drehst du im Greinacher-Verdoppler beide Dioden und Elkos um, entsteht eine negative Spannung. So bekommt ein Operationsverstärker aus einer einfachen Versorgung seine Minusspannung.

Typische Fehler

• Elkos verpolt: Im Delon-Verdoppler zeigt der Pluspol von C1 zum Ausgang, der von C2 zum Mittelpunkt M. Wer beide gleich herum einbaut, verpolt einen.
• Trafo zu klein: Für 50 mA bei 33 V muss der Trafo bei 12 V etwa 0,2 A effektiv liefern. Zu kleine Trafos werden heiß und die Spannung bricht stark ein.
• Zu viel erwartet: Die Ausgangsspannung hängt stark vom Laststrom ab. Für einen Verbraucher, der eine feste Spannung braucht, folgt immer ein Regler.
• Eine Masse am Trafo: Beim Delon-Verdoppler ist die Wicklung nicht mit dem Ausgangsminus verbunden. Liegt ein Wicklungsende an Masse, etwa über ein gemeinsames Gehäuse, schließt das einen Elko kurz. Dann braucht es den Greinacher-Verdoppler.
• Messung: Miss C1 und C2 einzeln. Hat einer deutlich weniger Spannung als der andere, ist seine Diode defekt – dann arbeitet die Schaltung nur noch als Einweggleichrichter.

Selbsttest