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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?
  • Siehe unten.

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.

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.
../../../Bauelemente/TantalKondensator.png
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 Polaritat bei gepolten Kondensatoren
  • die maximal zulässige Betriebspannung

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

Verhalten von Kondensatoren

Das Verhalten von Kondensatoren werden wir uns in diesem Praktikum genauer ansehen. Wir werden sehen, dass Kondensatoren sich aufladen und wieder entladen können. 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.

Unter diesem Aspekt betrachten wir den rechten Teil der Schaltung in Bild 1. Wir ignorieren 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 U1 erzeugt am seinem Ausgang abwechseln eine Spannung von +5V und 0V. Wie dieses geschieht, interessiert uns in diesem Zusammenhang nicht.

Betrachten wir LED2, so leuchtet sie tatsächlich wie oben beschrieben. Allerdings wird sie immer dann, wenn die LED1 leuchtet, kurzzeitig heller. Für einen kurzen Moment muss ein höherer Strom durch die LED3 fließen.

Kondensator entladen

Dieser Strom kann nur über den Kondensator C2 kommen. Es ist der Entladestrom des Kondensators C2. Wenn der Ausgang des NE555 U1 0V ist, liegt am Kondensator C2 anfänglich die Betriebsspannung von 5V. Genau genommen fällt noch die Flussspannung von D1 ab, aber für die erste Beurteilung der Schaltung können wir die Flussspannung der Dioden vernachlässigen. Der Kondensator C2 ist aufgeladen. Seine Spannung ist 5V. Wenn jetzt U1 5V am Ausgang erzeugt, liegen 10V an dem Punkt zwischen D1 und D2. Die 5V von U1 und die 5V vom Kondensator. Dann fließt ein höherer Strom über D2 und R4 durch LED2. D1 sperrt. Dieser Strom fließt auch vom Ausgang U1 über den Kondensator. Er kommt von der Versorgungsspannung über den Anschluss Ucc zum Ausgang von U1. Diesen Strom kann der Kondensator nur eine gewisse Zeit liefern. Er wird entladen, wie eine Batterie, die auch nach einiger Zeit entladen ist. Schließlich ist die Spannung am Kondensator C2 0V. Dann leitet die Diode D1 wieder und der Strom durch die LED2 ist wieder normal.

Kondensator laden

Wenn der Ausgang von U1 wieder 0V wird, liegt über D1 eine Spannung von am Kondensator C2. Dann lädt er sich auf, d.h. es fließt ein Strom über D1 in den Kondensator zum Ausgang von U1. Nach einer gewissen Zeit ist der Kondensator wieder geladen. Damit ist er bereit, sich wieder über LED2 zu entladen, wenn U1 5V liefert.

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 kurzzeitig eine höhere Spannung als die Versorgungsspannung erzeugen. Leider nur kurzzeitig.

Spannungsverdoppler.png
Bild 4: 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.

LED3 ist heller als ohne die Wirkung von C2. Das können wir leicht überprüfen, indem wir C2 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 siegt deutlich über 5V.
  • Mit C1=0,1µF aber entferntem C2 messen wir etwa 4V.
    Klar, die Flussspannung der beiden Dioden von 2*0,6V bewirken die geringere Spannung.

Der Kondensator C3 bewirkt offensichtlich, dass die Spannung 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 U1 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.

Das Prinzip

Unsere Schaltung besteht aus einer Teilschaltung (links), die sozusagen die Versorgungsspannung zerhackt: 5V - 0V - 5V ... Dahinter befindet sich eine Teilschaltung, die diese zerhackte Spannung mit einem Kondensator und zwei Dioden in eine höhere wandelt. Ein Glättungskondensator glättet die Spannungssprünge am Ausgang.

Spannungsverdoppler

Wir haben eine Betriebsspannung von 5V und am Ausgang, am Kondensator C3 eine Spannung von 7V. Die 7V sind keineswegs doppelt so hoch wie 5V. Wenn wir die LED3 entfernen messen wir 8V. Wir müssen die Flussspannung der beiden Dioden berücksichtigen: 2*0,6V=1,2V. Dann kommen wir auf 9,2V. Die restlichen 0,8V steuert der NE555 bei, der nicht genau 0V oder 5V liefert.

Ersetzen wir den NE555 durch einen LMC555, ist die Leerlaufspannung 9V. Mit der LED3 sind es 7,5V.

Wir haben bei dieser Wandlung von 5V auf 10V erhebliche Verluste. Die Ursache liegt - wie gesagt - die Dioden und der NE555.

Negative Spannung

Mit einer geringen Änderung können wir unseren Spannungsverdoppler zu einem Spannungsinverter machen. Das ist eine Schaltung, die aus einer positiven Spannung eine negative erzeugt. In unserem Fall wird aus +5V eine mit -5V erzeugt.

Spannungsinverter.png
Bild 5: Ein Spannungsinverter

Im wesentlichen wurden alle Bauelemente in der rechten Teilschaltung mit entgegengesetzter Polarität angeschlossen. D1 wurde auf Masse bezogen.

Am Kondensator C3 ergibt sich mit LED2 eine Spannung von -2,7V. Mit dem LMC555 sind es -3,4V.

Wechselspannung

  • Für diejenigen unter uns, die es genau wissen wollen.
  • Es ist eine gute Idee, diesen Teil zu lesen, auch wenn nur wenig verstanden wird.
    Später werden wir uns erinnern und es dann nachvollziehen.

Die Spannung am Ausgang von IC1 besteht aus zwei Anteilen:

  • Einer konstanten Gleichspannung Ug von 2,5V
  • die ihre Polarität nicht wechselt. Daher Gleichspannung.
  • Einer Wechselspannung Uw von ±2,5V.
  • Sie ist für eine gewisse Zeit +2,5V oder -2,5V
  • Sie wechselt ihre Polarität. Daher Wechselspannung.
  • Die Ausgangsspannung ist Ua=Ug+Uw
  • 2,5V+2,5V=5V
  • 2,5V-2,5V=0V

Wechselspannung-Gleichspannung.png

  • Eine Gleichspannung kann nicht transformiert werden.
  • Eine Wechselspannung kann transformiert werden, d.h. sie kann "einfach" in kleinere oder höhere Spannungen gewandelt werden.
  • Eine Wechselspannung kann über Dioden (Gleichrichter) gleichgerichtet, in Gleichspannung gewandelt werden.
  • In der Schaltung in Bild 5 wird
  • durch U1 einer Gleichspannung ein Wechselspannungsanteil überlagert.
  • Der Wechselspannungsanteil
  • wird durch den Kondensator C2 ausgekoppelt.
  • Die Dioden richten die Wechselspannung gleich und
  • der Kondensator C3 glättet die Ausgangsspannung.
  • Die Schaltung in Bild 4 verlagert den Gleichrichter sozusagen auf die 5V Stromversorgung.
  • und richtet in andere Polarität gleich.

Spannungswandler mit geschalteten Kondensatoren

Es gibt spezielle ICs, die die Verluste für die Wandlung der Spannung sehr klein halten.

Den wesentlichen Effekt erzielen sie dadurch, dass sie parallel zu den Dioden MOSFETS legen, die so angesteuert werden, dass sie die Dioden im geeigneten Moment kurzschließen und damit deren Flussspannung eliminieren.

Der ICL7660 ist ein Spannungsinverter mit einer einfachen Beschaltung.

Spannungsinverter-ICL7660.png
Bild 6: Ein Spannungsinverter mit ICL7660

Er liefert eine Spannung an C2 von -4,9V :-)

Es gibt eine Reihe von Spannungswandlern mir geschalteten Kondensatoren, die eine Spannungsverdopplung ermöglichen. Es sind relativ moderne Bauelemente, die alle in SMD-Gehäusen geliefert werden. Die Suche nach "switched-capacitor voltage converter" liefert einige Bauelemente. Der LM2660 ist beispielsweise sowohl als Spannungsverdoppler als auch Spannungsinverter zu betreiben.

Prinzipschaltung

Spannungsinverter-ICL7660-Prinzip.png
Bild 7: Prinzipschaltung des Spannungsinverters mit ICL7660

In Bild 7 sind vier Schalter, die durch ein Signal gesteuert werden. Es sind entweder die Schalter S1 und S2 geschlossen oder S3 und S4. Verglichen mit Bild 5 ist S1 der Schalter, der den Ausgang an +5V legt. S3 legt den Ausgang an Masse (0V). Die Schalter S2 und S4 schließen die Dioden D1 bzw. D2 kurz. Die Schalter sind durch MOSFETs realisiert. Der ICL7660 wird so angesteuert, dass die Dioden entfallen können.

Antwort

  • Wie können wir eine weiße LED an einer 1,5V Batterie betreiben?
  • Mit einem ICL7660.
  • Aber es gibt einfachere Schaltungen.

Kondensatoren

Wir kommen noch einmal auf Kondensatoren zurück.

Regeln

  • 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 einen Ladestrom aufnimmt.
  • Fällt die Spannung, reagiert der Kondensator indem 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 (Ladung=Strom*Zeit, Q=I*t) aufnehmen kann.
  • Ein Kondensator hoher Kapazität kann eine höhere Ladung aufnehmen.
  • Wenn ein Kondensator über einen Widerstand an eine Spannung gelegt wird, lädt er sich auf.
  • Es fließt ein Ladestrom in den Kondensator.
  • Am Ende des Ladevorgangs liegt die volle Spannung am Kondensator.
  • Wenn ein Widerstand an einen geladenen Kondensator gelegt wird, entlädt er sich.
  • Es fließt ein Entladestrom aus dem Kondensator.
  • Am Ende ist die Spannung am Kondensator 0V.
  • Der Kondensator ist nach der Zeit R*C zu 63% aufgeladen.
  • Dann ist die Spannung am Kondensator 0,63 der maximalen Spannung.
  • Am Anfang kann man den Verlauf der Spannung als steigende Gerade annehmen.
  • Der Kondensator ist nach der Zeit R*C zu 63% entladen.
  • Dann ist die Spannung am Kondensator auf 0,37 der anfänglichen Spannung abgefallen.
  • Am Anfang kann man den Verlauf der Spannung als fallende Gerade annehmen.
  • Die Zeit, in der sich der Kondensator über einen Widerstand vollständig auflädt oder entlädt, ist etwa 5*R*C
  • Wenn eine Wechselspannung an einem Kondensator anliegt,
  • lässt der Kondensator einen Wechselstrom fließen, der der anliegenden Wechselspannung folgt.
  • Ist der Kondensator relativ groß, liegt hinter dem Kondensator die volle Wechselspannung.
  • Ein Kondensator kann eine Wechselspannung aus einer Überlagerung von Wechsel- und Gleichspannung auskoppeln.

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