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


Wir lernen, wie man höhere Spannungen erzeugen kann.


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Spannungen wandeln

Manche Schaltungen benötigen eine höhere Spannung als durch die Stromversorgung zur Verfügung gestellt wird.

  • Wie können wir eine weiße LED an einer 1,5V Batterie betreiben?

Wir werden Schaltungen kennen lernen, mit denen es möglich ist, höhere Spannungen zu erzeugen.

Bisher haben wir nur Schaltungen betrachtet, mit denen eine kleinere Spannung als die Versorgungsspannung erzeugt wird:

  • Spannungsteiler
  • Schaltungen mit Z-Dioden
  • Spannungsregler

Als Praktiker springen wir ins kalte Wasser und betrachten eine Schaltung, mit der wir eine Spannung von etwa 9V aus unserer Standardspannung von 5V erzeugen können.

Spannungsverdoppler-1.png
Bild 1: Blinkende LEDs

Die Teilschaltung links mit dem NE555 wird in Timer 555 näher beschrieben, aber wir kommen an dieser Stelle auch ohne eine genaue Beschreibung aus, weil uns in erster Linie die rechte Teilschaltung interessiert.

Die Schaltung links bringt die LED1 zum Blinken. Die LED2 leuchtet immer. Sie wird allerdings dann, wenn die LED1 leuchtet, kurzzeitig heller. Der Strom durch LED2 wird also kurzzeitig größer, d.h. die Spannung an R4 muss höher werden.

Dieser zusätzliche Strom kann nur von dem Kondensator C2 geliefert werden.

Kondensatoren

Diese Schaltung enthält auf den ersten Blick ein paar neue Elemente: Die Kondensatoren C1 und C2.

Kondensator-Symbol.png
Bild 2: Symbole für Kondensatoren
  • Kondensatoren kommen im Laufe des analogen Praktikums zu ersten Mal vor.
  • Es gibt ungepolte (Bild 2 rechts) und
  • gepolte Kondensatoren (Bild 2 links)
  • Wir verwenden hier gepolte Kondensatoren.
  • Sie haben die Anschlüsse Plus + und Minus -, die wir nicht vertauschen dürfen.
  • Kondensatoren haben eine Kapazität, die in Farad gemessen wird.
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Bild 3: Tantalkondensatoren sind gepolt

Der Kondensator rechts in Bild 3 ist ein Tantalkondensator mit 10µF für 16V. Der positive Anschluss liegt rechts.

Kodierung der Kapazitäten

Bei Kondensatoren werden meistens mehrere Werte angegeben:

  • die Kapazität in Farad
  • die Polarität bei gepolten Kondensatoren
  • die maximal zulässige Betriebsspannung

Je nach Baugröße sind die Werte der Kondensatoren normal oder kodiert angegeben.

Der Kapazität von Kondensatoren ist in Piko-Farad kodiert.

  • Der aufgedruckte Wert besteht aus 3 Ziffern.
  • Die ersten beiden sind der Zahlenwert.
  • Die letzte Ziffer bestimmt, wie viel Nullen angehängt werden müssen.

Bedeutung der letzten Ziffer

Die letzte Ziffer bestimmt, mit welchem Wert die Zahlenwert der ersten beiden Ziffern multipliziert werden muss.

Letzte Ziffer Multiplikator oder
0 * 1pF
1 * 10pF
2 * 100pF 0,1nF
3 * 1nF
4 * 10nF
5 * 100nF 0,1µF
6 * 1µF
7 * 10µF
8 * 100µF

Beispiel

Aufdruck Zahlenwert Nullen Wert Wert
475 47 5 47 * 100nF 4700nF = 4,7µF
106 10 6 10 * 1µF 10µF
104 10 4 10 * 10nF 100nF

Spannung

Die maximal zulässige Spannung wird in Volt angegeben. Oft fehlt die Einheit V.

Polarität

Die Polarität wird meistens nur für einen Anschluss angegeben.

  • - für den Minus-Anschluss
  • + für den Plus-Anschluss
  • manchmal hinter dem Spannungswert

Wirkung des Kondensators

Das Verhalten des Kondensators C2 werden wir uns im Folgenden genauer ansehen. Wir werden sehen, dass Kondensatoren sich aufladen und wieder entladen können.

Spannungsverdoppler-2.png
Bild 4: Schaltung mit Spannungspfeilen

Wir ignorieren zunächst den Kondensator C2. Dann fließt Strom über die Dioden D1 und D2 durch R4 und LED2, die dann leuchtet.

Die Schaltung links bringt die LED1 zum Blinken. Der NE555 erzeugt am seinem Ausgang abwechseln eine Spannung Uq von +5V und 0V. Wie dieses geschieht, interessiert uns in diesem Zusammenhang nicht.

Ausgangsspannung NE555=0V

Uq  = 0V
Us  = Uv - Ud1
Us  = 5V - 0,6V
Us  = 4,4V
Uc2 = Us - Uq
Uc2 = Us - 0V      = 4,4V
Ua  = Us - Ud2
Ua  = 4,4V - 0,6V  = 3,8V

Die Ausgangsspannung an R4 und LED2 ist 3,8V.

Am Kondensator C2 liegt dann eine Spannung von Uc2 = 4,4V.

Wenn ein Kondensator längere Zeit an einer Spannung liegt, ist er aufgeladen. Dann fließt kein Strom im Kondensator. Es ist, als sei er nicht vorhanden.

Ausgangsspannung NE555=5V

Uq = 5V
Us = Uc2  + Uq
Us = 4,4V + 5V
Us = 9,4V
Ua  = Us - Ud2
Ua  = 9,4V - 0,6V  = 8,8V

Durch den Kondensator wird die Spannung Us von 4,4V auf 9,4V angehoben und die Ausgangsspannung auf Ua=8,8V.

Die Diode D1 sperrt, weil Us größer als Uv ist.

Wenn die Ausgangsspannung steigt, muss durch die LED2 ein höherer Strom fließen, der auch durch den Kondensator C2 fließen muss.

Der Kondensator ist tatsächlich in der Lage diesen Strom zu liefern, allerdings nur für eine kurze Zeit. Dann ist er entladen.

Diese kurze Anstieg des Stroms bewirkt ein kurzes helleres Leuten der LED2, das wir sehen.

Wenn der Kondensator entladen ist, fließt kein Strom mehr im Kondensator und die Spannung ist 0V.

Der Strom wird wieder von der Stromversorgung über D1 und D2 an den Ausgang geliefert und Ua=4,4V.

  • Die Frage ist: Wo kommt der Strom aus dem Kondensator C2 her?

Ausgangsspannung NE555=0V

Dann fließt für eine kurze Zeit Strom in den Kondensator C2, bis er aufgeladen ist.

Diesen geladenen Strom gibt der Kondensator wieder ab, wenn die Ausgangsspannung NE555=5V ist.

Weitere Untersuchungen

Wir ersetzen den Kondensator C1 durch einen mit 1µF. Das Ergebnis ist ähnlich wie mit C1=10µF, nur blinken die LEDs schneller.

Wenn wir C1 durch einen Kondensator von 0,1µF ersetzen, blinken die LEDs nicht mehr. Sie blinken schon, wir können es nur nicht erkennen.

  • Ein 0,1µF oder 100nF Kondensator ist meistens ein ungepolter Keramikkondensator.

Mit einem Trick können wir nachweisen, dass die LEDs blinken.

In einem dunklen Raum lassen wir unsere Schaltung laufen. Die LEDs sind die einzige Lichtquelle. Wenn wir eine Hand mit gespreizten Fingern über den LEDs hin- und herbewegen, sehen wir unsere Finger hüpfen. Das ist der Stroboskopeffekt, der nur bei flackerndem Licht auftritt.

Wenn wir den Kondensator C1 noch kleiner machen, blinken die LEDs so schnell, dass wir keine hüpfenden Finger mehr erkennen können :-)

Glättungskondensator

Wir können mit der Schaltung in Bild 1 bzw. Bild 4 kurzzeitig eine höhere Spannung als die Versorgungsspannung erzeugen. Leider nur kurzzeitig.

Spannungsverdoppler.png
Bild 5: Spannungsverdoppler

Wir haben lediglich einen weiteren Kondensator C3 in die Schaltung eingebracht.

Die Wirkung können wir gut erkennen: LED2 blinkt nicht mehr. Nicht mehr so stark. Wenn wir genau hinsehen, erkennen wir ein geringes Flackern.

LED2 ist heller als ohne C3? Das können wir leicht überprüfen, indem wir C3 entfernen und wieder einsetzen.

Der Effekt von C3 ist wirksamer, wenn wir C1=0,1µF setzen.

Wird C2 entfernt, wird LED2 merklich dunkler. Wenn wir jetzt genau hinsehen, ist gut zu erkennen, dass LED2 langsam abdimmt.

Wir messen

Mit einem Voltmeter messen wir die Spannung am Kondensator C3.

  • Mit C1=1µF kann sich unser Digitalvoltmeter nicht auf einen Wert festlegen. Die Anzeige schwankt um 4V herum.
  • Mit C1=0,1µF wird eine Spannung von etwa 7V angezeigt.
    Die Spannung steigt deutlich über 5V.
  • Mit C1=0,1µF, aber entferntem C3 messen wir etwa 4V.

Der Kondensator C3 bewirkt offensichtlich, dass die Ausgangsspannung für die LED2 fast immer gleich bleibt. Er sorgt dafür, dass die Spannung glatter wird. Er wird deshalb auch als Glättungskondensator bezeichnet.

Wenn sich bei 5V am Ausgang von U1 der Kondensator C2 entlädt, steigt die Spannung für LED2 an. Diese Spannung liegt auch an C3. Er reagiert darauf, indem er sich auflädt. Ein Teil des Stroms von C2 fließt in C3, bis dieser auf 7V aufgeladen ist.

Wenn der NE555 auf 0V geht, würde ohne C3 nur noch 5V für die LED2 zur Verfügung stehen. Sie würde dunkler. Mit C3 hingegen, bleiben die 7V erhalten. Der Kondensator C3 entlädt sich und stellt Strom für die LED2 bereit.

Regeln: Kondensatoren

  • Es gibt gepolte und ungepolte Kondensatoren.
  • Die Polarität gepolter Kondensatoren muss beachtet werden.
  • Der + Anschluss muss an einer positiven Spannung liegen.
  • Ein Kondensator kann sich aufladen, dann nimmt er einen Ladestrom auf.
  • Ein geladener Kondensator kann sich entladen, dann liefert er einen Entladestrom.
  • Genauer gesagt:
  • Wenn die Spannung an einem Kondensator größer wird, lädt er sich auf und nimmt Strom auf.
  • Wenn die Spannung an einem Kondensator kleiner wird, entlädt er sich und liefert einen Strom.
  • Kondensatoren haben das Bestreben, die an ihnen abfallende Spannung immer gleich zu halten.
  • Steigt die Spannung, reagiert der Kondensator, indem er einen Ladestrom aufnimmt.
  • Fällt die Spannung, reagiert der Kondensator, indem er einen Entladestrom abgibt.
  • Kondensatoren werden in Farad gemessen,
  • meistens sind es µF (millionstel Farad)
  • die Kapazität eines Kondensators sagt etwas darüber aus, wie viel und wie lange der Kondensator Strom aufnehmen kann.
  • Ein Kondensator hoher Kapazität kann eine höhere Ladung aufnehmen.

In So funktioniert's Kondensator und Widerstand wird das Verhalten von Schaltungen mit Kondensator und Widerstand näher beschrieben.