Die Spannung kann auf rein elektronischem Wege verdoppelt (und damit mit einer beliebigen Zweierpotenz kaskadiert) werden, ohne dass ein Transformator erforderlich ist. Es gelten die Spannungs-Strom-Verhältnisse, so dass es bei der Verdopplung nicht darum geht, elektrische Energie zu gewinnen, die vorher nicht vorhanden war. Die Verdopplung der Spannung und damit die Verringerung des am Ausgang verfügbaren Stroms ist manchmal nicht gut, aber oft ist das kein Problem.
Es gibt viele Verdoppler-Schaltungsvarianten, aber alle Spannungsverdoppler und -vervielfacher haben ähnliche Funktionsprinzipien.
Der Spannungsverdoppler mit geschaltetem Kondensator arbeitet mit einem Gleichstromeingang. Zwei parallel geschaltete Kondensatoren laden sich auf die Eingangsspannung auf. Wenn dann die beiden Schalter gleichzeitig betätigt werden, werden sie vom Eingang isoliert, an den Ausgang angeschlossen und in Reihe geschaltet, so dass beim Entladen die doppelte Eingangsspannung am Ausgang erscheint. Ohne einen Dämon, der die Schalter schnell umlegen kann, sind manuell betätigte Schalter natürlich nicht praktikabel. In der Praxis gibt es eine Vielzahl von Schaltstrategien:
In Wechselstrom-Gleichstrom-Wandlern liefert der Wechselstrom am Eingang nicht nur die zu verdoppelnde Spannung, sondern er bewirkt auch das Schalten durch oszillierende Polaritäten.
Ein interner Zerhacker-Schaltkreis kann Gleichstrom in Wechselstrom umwandeln, bevor er an den Spannungsverdopplerteil angelegt wird.
Ein externer Taktgeber (der oft auch andere Funktionen auf derselben Platine ausführt) kann das Zerhacken und die Spannungsvervielfachung bewirken.
In integrierten Schaltungen übernehmen häufig MOSFETs die Schaltfunktion.
Ein Spannungsverdreifacher kann durch Stapeln eines Spannungsverdopplers, typischerweise 5 Vss bei 1 kHz, und eines einfachen Einweggleichrichters, bestehend aus einer Diode und einem Kondensator, der von einem Eingangsanschluss zum gegenüberliegenden Ausgangsanschluss geschaltet wird, aufgebaut werden. Der 10-V-Verdopplerausgang in Reihe mit dem 5-V-Gleichrichterausgang liefert 15 V am Triplerausgang. Kaskadierte Verdoppler und Verdreifacher liefern theoretisch eine unendliche Anzahl ganzzahliger Ausgänge.
Bei der Herstellung von netzbetriebenen Stromversorgungen, auch ohne Transformator, besteht eine potenzielle Stromschlaggefahr. Beachten Sie auch, dass Elektrolytkondensatoren bei Verpolung explodieren können. Kaskadierte Vervielfältigungsschaltungen sollten in einer Leiterkonfiguration aufgebaut werden, damit das progressiv ansteigende Spannungspotenzial keinen Lichtbogen über einzelne Abschnitte mit niedrigerem Potenzial schlagen kann. Auf diese Weise wird nicht die gesamte Leiterschaltung durch eine einzelne kurzgeschlossene Diode oder einen Kondensator zerstört. Ohne die Leiterkonfiguration könnte ein einziger Kurzschluss aufeinanderfolgende benachbarte Komponenten durchbrennen und schließlich eine Überspannung auf den gesamten Vervielfacher, die Testausrüstung und den Experimentator ausüben.
Spannungsvervielfacher können Millionen von Volt für Hochenergieexperimente erzeugen. Die Transformatortechnik in solchen Anwendungen würde aufwendige flüssigkeitsgefüllte Gehäuse und eine Hochspannungsisolierung erfordern.
Die am weitesten verbreitete Methode zur Erzeugung von Hochspannung bei niedrigem Strom ist der mehrstufige Cockcroft-Walton-Multiplikator, da er kostengünstig ist und nur geringe Isolationsanforderungen stellt. Die Spannung fällt abrupt ab, wenn sie in eine Last mit niedriger Impedanz eingespeist wird. Er wurde häufig in Röhrenfernsehern eingesetzt, wo trotz der hohen Restwelligkeit eine zweite Anodenbeschleunigungsspannung von 30 kV erforderlich war. Da gestufte Spannungen verfügbar sind, wurde diese Quelle in Teilchenbeschleunigern und für die Vorspannung von Photomultiplier-Röhren verwendet. Sie werden zur Versorgung von so unterschiedlichen Geräten wie Teilchenbeschleunigern, Röntgengeräten, Kathodenstrahlfernsehern, Magnetrons in Mikrowellenherden, Fotokopierern und Insektenvernichtern verwendet.
Mehrstufige Cockcroft-Walton-Spannungsvervielfacher können in einer einzigen Leiter konfiguriert werden. Dieser Spannungsvervielfacher verwendet eine pulsierende Gleichspannung mit niedriger Spannung am Eingang, um eine theoretisch unbegrenzte Ausgangsspannung zu erzeugen. Bei jedem Polaritätswechsel fließt Strom durch aufeinanderfolgende Dioden, um zusätzliche Kondensatoren aufzuladen, bis hin zum Ende. Nach dem ersten Einschalten wird eine bestimmte Zeit benötigt, um die gesamte Baugruppe aufzuladen. Jeder Kondensator hat eine Zeitkonstante, und die Gesamtzeit hängt von der angelegten Spannung, der Kapazität der Kondensatoren und der Länge des Leiters ab. Zwischenabgriffe können installiert werden, um auf Zwischenspannungen zuzugreifen.
Der Cockcroft-Walton-Spannungsvervielfacher ist ein Typ unter vielen Ladungspumpen, benannt nach der charakteristischen Art und Weise, in der sie eine elektrische Ladung entlang einer röhrenartigen Reihe von Kondensatoren zwingen, von denen jeder die Ladung speichert, bis sich die Polarität umkehrt, woraufhin sie sich entladen.
Im Allgemeinen ist eine Ladungspumpe ein Spannungsvervielfacher, der für die Verwendung mit einem Gleichstromeingang optimiert ist. Man könnte den Gleichstrom auch mit einem Oszillator zerhacken und an einen Transformator anlegen, aber einer der Vorteile der Spannungsvervielfachungstechnologie ist, dass der schwere Transformator mit seinem enormen Platzbedarf wegfällt. In unserem Zeitalter der mobilen Geräte ist die Ladungspumpe von Vorteil.
Eine Ladungspumpe kann auf Dioden basieren, aber die übliche Konfiguration umfasst geschaltete MOSFETs mit kleinen Keramikkondensatoren. Der Wirkungsgrad der Ladungspumpe ist hoch, wie in Mobiltelefonen erforderlich. Bei Entwürfen mit diskreten Bauteilen werden Schottky-Dioden, die durch den Übergang eines Halbleiters mit Metall gebildet werden, wegen ihres geringen Durchlassspannungsabfalls bevorzugt. In einer als IC implementierten Ladungspumpe sind hocheffiziente MOSFETs mit niedriger Eingangsimpedanz üblich.
Eine Ladungspumpe kann auch die Polarität am Ausgang gegenüber dem Eingang umkehren. Eine Ladungspumpe kann nicht nur die Spannung erhöhen, sondern auch den Eingang halbieren oder, in einer Kaskadenkonfiguration, durch eine ganze Zahl dividieren. Die Verwendung hoher Taktfrequenzen ermöglicht wegen der kürzeren Zeitkonstanten den Einsatz geringerer Kapazitäten. Die Ausgangsspannung wird durch Änderungen des Taktausgangs-Tastverhältnisses geregelt. Ein Vorteil der Ladungspumpe besteht darin, dass sie zwischen Abwärts- und Aufwärtsmodus wechseln kann, um die Entladung der Batterie zwischen den Ladevorgängen zu kompensieren.
Wenn mehrere Gleichspannungsausgänge benötigt werden, ist die Ladungspumpe weitaus kompakter und kostengünstiger als eine lineare Stromversorgung, die durch einen Transformator mit Sekundäranschlüssen belastet wird. Die Kondensatoren können je nach Schaltgeschwindigkeit elektrolytisch oder keramisch sein.
Spannungsverdoppler und -inverter können um den 555-Timer-IC herum mit zwei externen Dioden und drei oder vier externen Kondensatoren gebaut werden. Wenn positive und negative Versorgungsspannungen für einen Operationsverstärker benötigt werden, kann die Ladungspumpe als Spannungsinverter konfiguriert werden.
Wenn ein IC mehrere Spannungen benötigt, z.B. eine einzige Hochstrom-Primärquelle und zusätzliche Niedrigstromquellen, ist eine Ladungspumpe der ideale Stromrichter. Andere Anwendungen sind EEPROMs und Flash-Speicher.
Mit weniger Bauteilen und ohne Induktivität benötigt die einfache Ladungspumpe weniger Platz auf der Leiterplatte und ist effizienter als die lineare Stromversorgung.
Die Nachteile sind bescheiden: Sie ist auf Lasten mit einem Bruchteil von Ampere beschränkt und wie alle SMPS erzeugt sie einige elektromagnetische Störungen und ist nicht so effizient wie ähnliche Stromversorgungen, die mit Induktoren aufgebaut sind, die größere Lasten versorgen können, aber teurer sind.
Alle Spannungsvervielfacher verwenden eine Konfiguration aus Dioden und Kondensatoren zur Vervielfachung auf ein vom Endbenutzer gewünschtes Spannungsniveau, eine Spitzenwechselspannung (die in der Reihenfolge zunehmender Variabilität vom Stromversorger, der örtlichen Notstromversorgung oder einem lokalen Wechselrichter stammt) oder eine batteriegespeiste, hydroelektrische oder wilde Gleichspannung von einer Windturbine.
Dioden und Kondensatoren werden gemeinsam verwendet, um Spannungsvervielfacher zu bilden. Diese Schaltungen sind in der Lage, die Spannung um den Faktor vier oder mehr zu vervielfachen, um theoretisch jede beliebige Spannung bis weit in den Kilovoltbereich hinein zu erzeugen. Diese Technologie wird in der transkontinentalen Hochspannungsverteilung mit gutem Erfolg eingesetzt, um Spannungs- und Systemübergänge zu realisieren. Allerdings müssen die Dioden und Kondensatoren aufgrund der hohen Spannungen, die in mehrstufigen Geräten erzeugt werden, eine angemessene Durchschlagsfestigkeit von der doppelten Spitzenspannung aufweisen.
Bei der Entwicklung und Diagnose von Spannungsvervielfachern sind Mixed-Signal-Oszilloskope oder ähnliche Geräte unerlässlich, um digitale und analoge Signale nebeneinander zu sehen. So kann zum Beispiel in kleinem Maßstab der intermittierende Betrieb der Stromversorgung den digitalen Datenfluss stören, und durch die Anzeige beider Wellenformen in Echtzeit können diese Probleme analysiert werden.