../../../icons/Logo.pngPraktische Elektronik


Wir betrachten verschieden Methoden bestimmte Spannungen einzustellen.


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Spannungen einstellen

Wir werden immer wieder dem Problem begegnen, bestimmte Spannungen zu benötigen.

Dieses können wir beispielsweise durch

  • Spannungsregler,
  • Spannungsteiler,
  • LEDs oder
  • Z-Dioden erreichen.
Attention >

Spannungsregler

  • Wenn wir konstante und genaue Spannungen benötigen, können wir Spannungsregler verwenden.
  • Sie gibt es für viele Zwecke und in diversen Bauformen

Spannungsteiler

Spannungsteiler sind einfache Schaltungen, mit der aus einer Spannung eine kleinere erstellt werden kann. Die Schaltung ist sehr einfach: 2 Widerstände.

Spannungsteiler.png

Bild 1: Ein Spannungsteiler mit Strom und Spannungspfeilen

Die Schaltung hat eine Eingangsspannung Uv und eine Ausgangsspannung Ut.

Wir sehen sofort, dass die Ausgangsspannung Ut der an R2 entspricht. Ut=U2. Wir betrachten deshalb einfach nur U2.

Wir messen bei Uv=5V die Spannung U2 bei verschiedenen Kombinationen von Widerständen.

R1 R2 U2
1kΩ 1kΩ 2,5V
1kΩ 2kΩ
2kΩ 1kΩ
1kΩ 10kΩ
10kΩ 10kΩ
10kΩ 1kΩ

2kΩ sind zwei 1kΩ in Reihe

Die Spannung U2 ist immer kleiner als 5V, als Uv.

  • Wenn R1 und R2 gleich sind, ist die Ausgangsspannung Ut=U2=Uv/2.
  • Wenn der Widerstand R2 kleiner als R1 ist, ist die Spannung U2 kleiner als Uv/2.
  • Wenn der Widerstand R2 größer als R1 ist, ist die Spannung U2 größer als Uv/2.

Wir können U2 aus den Widerständen berechnen:

U2 = R2 * Uv / ( R1 + R2 )

Eigentlich ist es nicht das, was wir wollen.

  • Wir wollen eine bestimmte Spannung Ut aus einer vorgegebenen Uv erzeugen.

Tatsächlich können wir eine bestimmte Spannung einstellen, indem wir verschiedene Kombinationen von Widerständen probieren und nachmessen.

Einfacher geht es per Formel. Wir gehen von der Versorgungsspannung Uv aus und wollen Ut=U2 haben. Wir können sogar einen Widerstand R1 vorgeben (auswählen) und berechnen R2. Oder wir geben R2 vor und berechnen R1.

R2 = U2 * R1 / ( Uv - U2 )
R1 = R2 * ( Uv - U2 ) / U2
  • Wir können mithilfe zweier Widerstände eine Spannung Ut einstellen.

Die Schaltung hat jedoch einen Haken: wenn wir den Ausgang der Schaltung belasten, also einen Widerstand RL zwischen den Anschlüssen Ut und Gnd anschließen, ändert sich die Spannung Ut=U2.

Test: Einen 1kΩ Widerstand zwischen den Anschlüssen Ut und GND anschließen.

Wenn wir allerdings einen Widerstand am Ausgang anschließen, der viel größer als R2 ist, z.B. 100kΩ an R2=1kΩ, dann ändert sich die Spannung kaum.

  • Eigentlich ist ein Spannungsteiler kaum zu gebrauchen.
  • Auf der anderen Seite können wir beliebige Spannungen leicht einstellen,
  • wenn der Ausgangsstrom sehr klein gegen den Strom im Spannungsteiler ist
  • und das ist bei vielen Schaltungen der Fall.

Regeln: Spannungsteiler

  • Mit einem Spannungsteiler können wir eine geringere Spannung aus einer vorgegeben erzeugen.
  • Die Spannung hängt von den Widerständen ab.
  • Aus einer Spannung Uv kann eine Teilspannung Ut durch die Widerstände R1 und R2 eingestellt werden. Einer der beiden Widerstände, R1 oder R2, kann frei ausgewählt werden.
   R2 = Ut * R1 / ( Uv - U2 )
   R1 = R2 * ( Uv - Ut ) / U2
  • Die Ausgangsspannung Ut eines Spannungsteilers verändert sich, wenn der Ausgang belastet wird.
  • Wenn der Lastwiderstand sehr groß gegen R2 ist (100 mal), dann ist die Änderung nur gering.
  • Der Ausgangsstrom It sollte sehr klein (0,01) gegen den durch R1 sein.
  • Mit dem Tool Spannungsteiler können die Widerstände und Spannungen eines Spannungsteilers einfach berechnet werden.

LEDs

Beim Spannungsteiler haben wir festgestellt, dass die Ausgangsspannung stark von der Belastung des Ausgangs abhängt. Wir werden es jetzt mit einer LED versuchen.

Attention >

Genauigkeit

An dieser Stelle werden wir erkennen, dass es mit der Genauigkeit in der Elektronik nicht weit her ist.

Die Flussspannung einer LED ist nicht 1,8V, sondern liegt zwischen 1,7V und 1,9V (tatsächlich?).

Viele Werte von Bauelementen sind ungenau. Abweichungen um +20% -20% sind üblich.

Auf Widerstände können wir uns einigermaßen verlassen. Sie sind um 1% genau, wenn wir diejenigen verwenden, die fünf Ringe haben und der letzte Ring braun ist.

Die gute Nachricht

Obwohl fast überall ungenaue Werte vorliegen, gelingt es, mit geschickten Schaltungen und wenigen genauen Bauelementen hoch genaue Ergebnisse zu erzielen.

Spannungsteiler_LED.png
Bild 2: Spannungsteiler mit LED

Die Schaltung ist eine alter Hut: eine LED mit Vorwiderstand.

Aber wie hoch ist die Spannung an der LED also Ut? Kennen wir: das ist die Flussspannung der LED und die hängt vom LED-Typ ab. Also ist die Spannung Ut immer gleich, unabhängig vom Vorwiderstand.

Was passiert, wenn wir den Ausgang mit einem Widerstand belasten? Wir messen lieber nach und nehmen Uv=5V und R1=1kΩ sowie eine rote LED. Dann setzen wir verschiedene Lastwiderstände RL ein.

RL Ut
offen 1,8V
10kΩ
1kΩ
100Ω 0,45V

Genau 1,8V bei unbelastetem Ausgang (offen) werden wir meistens nicht messen.

Die Flussspannung einer LED ist nur etwa 1,8V. Manchmal ist sie höher ein andermal geringer. Im Mittel kommt unsere Faustregel hin.

Irgend etwas stimmt bei RL=100Ω nicht? Die LED leuchtet nicht. Mit der Formel für Spannungsteiler sollte die Ausgangsspannung Ut

Ut = Uv * RL / ( R1 + RL )
Ut = 5V * 1000Ω / ( 1000Ω + 100Ω )
Ut = 5V * 1000Ω / 1100Ω
Ut = 5V / 11
Ut = 0,4545....

sein. Das ist die gemessene Spannung. Und diese Spannung ist viel geringer als die Flussspannung der LED.

Drehen wir den Spieß um und berechnen den Widerstand RL damit am Ausgang die Flussspannung der LED steht:

Uv=5V, R1=1kΩ, Ut=1,8V.

RL = R1 * Ut / ( Uv - Ut )
RL = 1kΩ * 1,8V / (5V - 1,8V)
RL = 1kΩ * 1,8V / 3,2V
RL = 1kΩ * 0,5625
RL = 560Ω

Aufbauen und messen:

Die LED glimmt. Die Spannung am Ausgang ist etwa 1,7V (oder 1,6V).

Wenn wir den Ausgang offen lassen, haben wir etwa 1,8V. Bei einer Last von 560Ω sind es noch 1,7V. Bei 10kΩ und 1kΩ liegt die Spannung dazwischen.

Bei Lastwiderständen, die etwa so groß sind wie R1, ändert sich die Spannung an der LED nur wenig.

Das ist viel besser als beim Spannungsteiler.

Mit einer LED können wir also (einigermaßen) stabile Spannungen erzeugen.

Wenn wir eine LED mit anderer Farbe verwenden, können wir anderen stabile Spannungen erzeugen.

  • Leider können wir keine beliebige Spannung erzeugen, sondern sind auf die Flussspannungen der LEDs beschränkt.

Z-Dioden

Es gibt spezielle Dioden, mit denen wir ähnlich wie bei LEDs eine stabile Spannung erzeugen können, Z-Dioden.

Spannungsteiler_Z-Diode.png
Bild 3: Spannungsteiler mit Z-Diode

Eine Z-Diode wird nicht wie eine LED (oder normale Diode) mit der Anode an Plus angeschlossen, sondern mit der Kathode. In Durchlassrichtung verhält sich die Z-Diode wie eine Silizium-Diode und hat eine Flussspannung von 0,6V. Im Praktikum Z-Dioden werden wir Z-Dioden näher betrachten.

In Sperrrichtung lässt sie nur eine bestimmte Spannung, die Z-Spannung zu. Es gibt Z-Dioden für Spannungen zwischen 2,4V bis zu über 100V.

Wir verwenden hier die ZF3.3 mit einer Z-Spannung von 3,3V, ungefähr ;-)

Wir messen wieder wie bei der LED bei verschiedenen Belastungen durch RL.

RL Uv
offen 3,3V
10kΩ
1kΩ
100Ω 0,45V

Die 3,3V bei unbelastetem Ausgang (offen) wird meistens nicht gemessen werden. Die Z-Spannung von Z-Dioden unterliegt Abweichungen aufgrund der Fertigung.

Die 0,45V kennen wir schon. Bei einer Last von RL=1kΩ erhalten wir allerdings nur 2,5V. Nachrechnen belegt, dass der Spannungsteiler mit R1=RL=1kΩ 2,5V erzeugt und das ist unter der Z-Spannung von 3,3V. Mit einem R1=2,2kΩ sind es noch 3,3V.

Bei Lastwiderständen über 2,2kΩ ist die Z-Spannung 3,3V.

Hier ist die stabilisierte Spannung 3,3V.

Wir können eine Z-Diode also ebenso wie eine LED zur Erzeugung stabilisierter Spannungen verwenden.

Auf Z-Dioden wird im Praktikum Z-Dioden näher eingegangen.

Regeln: Stabilisierte Spannung

  • Mit einer LED kann eine stabilisierte Spannung erzeugt werden.
  • Die Spannung entspricht der Flussspannung der LED.
  • Die Flussspannung wird unterschritten, wenn der Lastwiderstand zu gering wird.
  • Es können nur bestimmte Spannungen erzeugt werden, die Flussspannungen der verschiedenen LED-Typen.
  • Mit Z-Dioden können weitere stabilisierte Spannungen erzeugt werden.
  • Die stabilisierten Spannungen sind nicht sehr genau und hängen von der Belastung ab.
  • Die stabilisierten Spannungen hängen viel weniger von der Belastung ab als beim Spannungsteiler.
  • Der Ausgangsstrom It sollte kleiner (0,9) als der Strom durch R1 sein.
  • Wenn die Spannung an der Z-Diode oder LED unterhalb der Z-Spannung bzw. Flussspannung liegt, fließt in der Diode kein (ein sehr geringer) Strom.