Eine Möglichkeit ist es Spannungen mit Transformatoren hoch zu transformieren.
Diese Form der Spannungserhöhung sind aber Grenzen gesetzt.
Wenn die Spannungen zu hoch werden treten zunehmend Probleme mit der Isolation zwischen den einzelnen
Wicklungen und Lagen des Transformator auf.
Dem kann man zwar entgegen treten indem man größere Abstände der Wicklungen wählt oder auch durch bessere
Isolierung.
Dies wird aber zunehmend teurer und der Wirkungsgrad nimmt zunehmend ab.
So gab es früher in den alten Röhren Fernseher schon immer Hochspannung Transformatoren, die aber maximal
1-2 KV erzeugen konnten.
Viele Fernseher benötigten aber bis zu 28 KV zum Beispiel für die Bildröhre.
Dort benutzte man dann zunehmend Spannungsvervielfacher um aus die vom Trafo erzeugten 2 KV die benötigten
28 KV zu erzeugen.
Nun es gibt verschiedene Arten von Spannungsverdoppler mit jeweils anderen Namen, und zwar sind sie mit den Namen
der Erfinder oder Entdecker in die Fachbücher eingegangen.
Diese Schaltung verdoppelt die Eingangsspannung ,dabei sollte C1 möglichst von hoher Kapazität sein.
Die maximal an C1 abfallende Spannung beträgt 5 Veff * (Wurzel aus 2)
sind ca. 7 V.
Die an C2 abfallende Spannung ist gleich das doppelte der an C1 abfallende
Spannung , also hier ca. 14V.
Die Kondensatoren müssen zudem einer hohen Impulsbelastung standhalten können.
An D1 und D2 liegt jeweils 14 V an.
Der Vorteil dieser Schaltung ist der gemeinsame Masse Punkt von Trafo und
Ausgangsspannung.
Ein Nachteil ist der geringe Ausgangsstrom, der ergibt sich vorwiegend aus
der Arbeitsfrequenz und der Kapazität der Kondensatoren.
Als Beispiel eine Schaltung die aus vier Stufen besteht.
Wenn von Verdoppelung gesprochen wird ist es die Verdoppelung der Spitzenspannung nicht der effektiven Spannung.
Im nächsten Bild erzeugt der Trafo zwar 5 Volt effektiv, was einer Spitzenspannung von ca. 7 Vs entspricht.
Und 4 mal 7 Vs entspricht ca. 28Volt.
Durch eine vierfache Verdoppelung kommt man also auf 28 Volt.
und generiert eine Ausgangsspannung an Messpunkt 1 von 14,6 Veff.
An der 2.Stufe stehen dann an Messpunkt 2 ca. 24,6 Veff zu Verfügung.
Und an Stufe 3 , Messpunkt 3 sind es dann 29,19 Veff.
An der weiteren Stufe M4 sind es dann aber nur noch 28,78 Veff.
Offenbar bringt die 4. Stufe keine messbare Erhöhung der Spannung.
Das ändert sich aber wenn die Eingangsfrequenz erhöht wird.
| Frequenz/Hz |
Ueff an Stufe 4 (M4) |
| 50 |
28,78 |
| 200 |
44,25 |
| 300 |
47,2 |
| 400 |
48,55 |
| 1000 |
51,5 |
Die Messungen wurden alle ohne Last vorgenommen.
Es ist fest zu stellen , dass das Verhältnis zwischen Eingangsspannung und Messpunkt M4 sich vergrößert je höher die Frequenz ist.
es funktioniert auch mit einen Rechtecksignal oder auch nur mit der Positven Halbwelle eines Sinus.
Hier einmal eine andere Verdoppler Schaltung nach dem Erfinder DELON benannt.
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.
Diese Verdoppler Stufe hat aber den Nachteil das
der Minuspol der Ausgangsspannung (Punk5) nicht identisch ist mit dem
Minuspunkt
des Sekundärspule (Punkt 2) am Trafo.
Bild 2
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.
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.
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.
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.