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


Wir betrachten verschieden Methoden bestimmte Spannungen einzustellen.


Spannungen einstellen

Kennlinien


Spannungen einstellen

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

Dieses können wir beispielsweise durch

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

Spannungsregler

Spannungsregler sind einfache, aber oft auch komplexe Schaltungen mit speziellen ICs. Sie werden meistens für die Stromversorgung von Schaltungen benötigt. Auf Spannungsregler wird in den Praktika in Stromversorgung eingegangen. Meistens werden wir mit Festspannungsreglern auskommen.

Spannungsteiler

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

Spannungsteiler.png

Bild 1: Ein Spannungsteiler mit Strom und Spannungspfeilen

Wir messen bei Uv=5V die Spannung U2. Mit 1kΩ + 1kΩ sind zwei Widerstände von 1kΩ in Reihe geschaltet.

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

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

Wenn der Widerstand R2 kleiner wird, fällt die Spannung Ut.

Wenn der Widerstand R2 größer wird, steigt die Spannung Ut.

Wir können U2 aus den Widerständen berechnen:

Ut = R2 * Uv/ ( R1 + R2 )

Eigentlich ist es nicht das, was wir wollen: Eine bestimmte Spannung aus einer vorgegebenen erzeugen. Tatsächlich können wir das, indem wir verschiedene Kombinationen von Widerständen probieren und nachmessen.

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

R2 = Ut * R1 / (Uv - U2)
R1 = R2 * (Uv - Ut) / U2

Wir sollten festhalten, dass wir über zwei Widerstände eine Spannung einstellen können.

Die Schaltung hat jedoch einen Haken: wenn wir den Ausgang der Schaltung belasten, also einen Widerstand zwischen Ut und Gnd anschließen ändert sich die Spannung Ut. Einfach einen 1kΩ Widerstand 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 :-) .

Regeln

  • 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. R1 oder R2 können 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 I2 sollte sehr klein (0,01) des Stroms durch R1 sein.

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 ist nicht 1,8V, sondern 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.

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 R2 ein.

R2 Uv
nicht 1,8V?
10kΩ
1kΩ
100Ω 0,45V

Irgend etwas stimmt bei R2= 100Ω nicht? Die LED leuchtet nicht. Mit der Formel für Spannungsteiler sollte die Ausgangsspannung Ut

Ut = Uv * R2 / ( R1 + R2 )
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 R2 damit am Ausgang die Flussspannung der LED steht. Uv=5V, R1=1kΩ, Ut=1,8V.

R2 = R1 * Ut / (Uv - U2)
R2 = 1kΩ * 1,8V / (5V - 1,8V)
R2 = 1kΩ * 1,8V / 3,2V
R2 = 1kΩ * 0,5625
R2 = 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.

Z-Dioden

Es gibt spezielle Dioden mir denen wir ähnlich wie bei LEDs eine stabile Spannung erzeugen können, die 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.

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.

R2 Uv
nicht 1,8V?
10kΩ
1kΩ
100Ω 0,45V

Die 0,45V kennen wir schon. Bei einer Last von 1kΩ erhalten wir allerdings nur 2,5V. Nachrechnen belegt, dass der Spannungsteiler mit R1=R2=1kΩ 2,5V erzeugt und das ist unter der Z-Spannung von 3,3V. Mit einen 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

  • 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 I2 sollte kleiner (0,9) des Stroms durch R1 sein.
  • Wenn die Spannung an der Z-Diode oder LED unterhalb der Z-Spannung bzw. Flussspannung ist, fließt in der Diode kein (ein sehr geringer Strom).