Een Spanningverdrievoudiger Schakeling Bouwen: Stapsgewijze Handleiding

Spanningverdrievoudiger Schakelingsschema en Wer

Wat is een Spanningverdrievoudiger?

Een Spanningverdrievoudiger Schakeling is een schakeling die de invoerspanning verdrievoudigt: de uitgangsspanning is drie keer de piekinvoerspanning. We kunnen een Spanningverdrievoudiger Schakeling heel eenvoudig bouwen met enkele diodes en condensators. De spanningverdrievoudiger is eigenlijk een type vermenigvuldigerschakeling die uitgangsspanningen van twee, drie of vier keer de piekinvoerspanning levert.

Spanningvermenigvuldigerschakelingen worden gebruikt wanneer we hoge spanning en lage stroom nodig hebben. Ze kunnen ook de grootte van de transformator verkleinen of zelfs elimineren. Ze zijn nuttig om lage AC-spanning om te zetten in hoge DC-spanning waar lage stroom nodig is.

Gerelateerde Artikelen:

• Wat is een Crowbar Schakeling? Ontwerp en Wer
• 12V naar 5V Converter Schakeling

Benodigde Componenten

• 3 stuks 1N4007 Diodes
• 3 stuks 22μF Condensators
• 9-0-9 Afzettransformator
• Digitale Multimeter

Diode (1N4007)

Een diode is een eendirectioneel apparaat: het laat stroom alleen in één richting door. Het wordt gebruikt in veel elektronische toepassingen zoals gelijkrichters, signaalverwerking, clipping/clamping, detectie, mixing en vele elektronische systemen. Het heeft twee Polen: Anode en Kathode. Stroom moet vloeien van Anode naar Kathode.

Eigenlijk werkt een diode op basis van halfgeleiders. Er zijn twee typen halfgeleiders gebaseerd op vrije elektronen: N-type en P-type.

Een N-type halfgeleider heeft veel vrije elektronen en weinig positieve gaten. Elektronen zijn meerderheidsladingsdragers, gaten minderheidsladingsdragers. P-type heeft meer positieve gaten en minder elektronen: gaten zijn meerderheidsdragers, elektronen minderheidsdragers.

Wanneer P-type en N-type in contact komen, diffunderen meerderheidsdragers van de ene naar de andere kant. Door concentratieverschil bewegen elektronen naar P-type en gaten naar N-type. Wanneer elektronen uit N-type met gaten in P-type diffunderen en vice versa, ontstaat een laag positieve ionen aan de N-kant en negatieve ionen aan de P-kant.

Deze twee lagen verschijnen langs de grenslijn van de twee regio's. Dit gebied van twee ionenlagen heet de depletielaag of depletiergio, omdat er geen lading meer is (alles hercombineert).

Eenmaal de depletielaag gevormd, vindt er geen diffusie meer plaats door het electrisch veld gegenereerd door deze laag.

Als we de P-kant van een diode met de pluspool van een batterij verbinden en de N-kant met de minpool, heet dit forward biasing. Als we de spanning vanaf nul verhogen, vloeit er aanvankelijk geen stroom door de diode, omdat er onvoldoende spanning is voor de ladingdragers om de potentiële barrière van de depletielaag te overwinnen. Wanneer de spanning over de diode groter is dan de drempelspanning, kan stroom vloeien.

Als we de N-kant met de minpool en de P-kant met de pluspool verbinden, heet dit reverse biasing. De negatieve elektronen in de P-kant trekken naar de minpool en gaten in de N-kant naar de pluspool. De depletielaag wordt breder en de diode blokkeert de stroom. Daarom is een diode een eendirectioneel apparaat.

Condensator

Een condensator is een apparaat dat energie opslaat in de vorm van lading. Ze worden wijd gebruikt in elektronische toepassingen. Een condensator bestaat uit twee metalen platen met een dielektrisch materiaal ertussen. Wanneer we een elektrische potentiaal over deze platen leggen, ontstaat een elektrisch veld. Positieve lading verzamelt zich op de negatieve kant, negatieve lading op de positieve kant.

Dit proces gaat door tot beide platen voldoende lading hebben: de condensator is volledig geladen. Beide platen hebben dezelfde lading met tegengestelde polariteit. Er ontstaat een elektrisch veld tussen de platen. Zo houdt een condensator lading vast. Waarom er een dielektricum zit tussen de platen?

Het dielektricum heeft polaire moleculen die naar een van de platen bewegen op basis van de lading. De moleculen richten zich uit zodat meer elektronen naar de negatieve plaat getrokken worden en meer elektronen van de positieve plaat afgestoten worden. Als we de batterij verwijderen na volledig laden, kan de condensator deze lading lang vasthouden. Zo fungeert het als energie-opslagelement. Als u een belasting over de twee terminals van de condensator legt, begint het te ontladen en stroom vloeit door de belasting.

Een condensator kan op veel plekken gebruikt worden. Een toepassing in dit project. Het kan ook als bypass-condensator dienen. Bypass-condensators worden met IC's gebruikt om ruis in de voeding te filteren, zoals rimpels en fluctuaties door schakelen. Wanneer de voeding uitvalt, fungeert de condensator als tijdelijke voeding. Ze worden ook in gelijkrichters gebruikt. Hoewel de gelijkrichter uit diodes bestaat, is de rol van de condensator ook belangrijk.

De uitgang van de gelijkrichter is een continue golf die door de condensator wordt omgezet in een glad DC-signaal door laden en ontladen. Nog een toepassing is signaalfiltering. Ze worden gebruikt om filters te ontwerpen die wijd gebruikt worden in signaalverwerking, zoals in radio's om frequentie af te stemmen. Het laatste maar niet minst gebruik is energieopslag. Hun levensduur is beter dan normale batterijen en ze leveren stroom veel sneller door snelle laad-/ontlaadtijden.

Spanningverdrievoudiger Schakelingsschema

De schakeling is heel eenvoudig. U kunt dit op een breadboard bouwen of op een printplaat solderen. Volg het schema. Eerst verbindt u de 9V-klem van de transformator met de positieve pool van de condensator. Verbind de negatieve pool van deze condensator met de anode van de diode en de kathode van deze diode met de 0V-klem van de transformator. Verbindt nu de kathode van een andere diode met de anode van deze diode en de anode met de negatieve pool van een andere condensator, en de positieve pool van deze condensator met de 0V-klem van de transformator.

Nu verbindt u de positieve pool van de derde condensator met de kathode van de vorige diode en de negatieve pool met de anode van de derde diode, en de kathode van deze diode met de 0V-klem van de transformator.

We gebruiken een 9-0-9 transformator om de 220V netspanning af te zetten. In de eerste positieve halfcyclus wordt diode D1 forward biased en laadt condensator C1 op via D1 tot de piekwaarde van de spanning (Vpiek). In de negatieve halfcyclus is diode D2 forward biased en D1 reverse biased. D1 laat condensator C1 niet ontladen. Condensator C2 laadt op met de gecombineerde spanning van C1 (Vpiek) en de negatieve piekspanning van de netspanning, dus het laadt tot 2Vpiek.

Tijdens de tweede positieve halfcyclus geleiden diodes D1 en D3 en wordt D2 reverse biased. Condensator C3 laadt op tot dezelfde spanning als C2: 2Vpiek. Omdat condensators C1 en C3 in serie zitten, is de totale spanning over deze condensators Vpiek + 2Vpiek = 3Vpiek. Zo verkrijgen we de verdrievoudigde waarde van de toegepaste spanning als uitgang. Analytisch is de bovenstaande berekening correct. Maar we moeten ook het praktische aspect overwegen. Er valt ook spanning over de diodes, dus de uitgangsspanning is niet precies driemaal de invoerspanning. Het wordt:

Vuit = 3 × Vpiek – spanningsval over diodes

Gerelateerde Artikelen:

• Buck Converter – Schakeling, Ontwerp, Wer en Voorbeelden
• Wat is een Boost Converter? Schakelingsschema en Wer

Werking van Spanningverdrievoudiger Schakeling

De invoerspanning wordt gemeten aan de transformator en de uitgangsspanning aan de derde diode. Stel de multimeter op 20V bereik en meet de invoerspanning, meet daarna de uitgangsspanning door het bereik te veranderen. In dit project gebruiken we een 9V transformator voor de invoer. Dit is de RMS-waarde; voor piek-naar-piek spanning vermenigvuldigen we met √2: Vpiek = 9 × √2 = 12,7V

Analytisch zou onze uitgang 12,7 × 3 = 38,1V moeten zijn.

In de praktijk blijkt het ongeveer 37,3V te zijn. De spanningsval over de diodes is 38,1 - 37,3 = 0,8V.