Spannungen einstellen
Wir werden immer wieder auf das Problem stoßen, dass wir bestimmte Spannungen brauchen.
Diese können wir z.B. durch
- Spannungsregler,
- Spannungsteiler,
- LEDs oder
- Z-Dioden erreichen.
Spannungsregler
- Wenn wir konstante und genaue Spannungen benötigen, können wir Spannungsregler verwenden.
- Es gibt sie für viele Zwecke und in verschiedenen Bauformen:
Spannungsteiler
Spannungsteiler sind einfache Schaltungen, mit denen aus einer Spannung eine kleinere Spannung erzeugt werden kann. Die Schaltung ist sehr einfach: 2 in Reihe geschaltete Widerstände.
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 nur U2.
Bei Uv=5V messen wir 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, also kleiner 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 )
Das ist aber nicht das, was wir wollen.
- Wir wollen aus einer vorgegebenen Uv eine bestimmte Spannung Ut erzeugen.
Tatsächlich können wir eine bestimmte Spannung einstellen, indem wir verschiedene Kombinationen von Widerständen ausprobieren und messen.
Einfacher geht es mit einer Formel. Wir gehen von der Versorgungsspannung Uv aus und wollen Ut=U2 haben. Wir können sogar einen Widerstand R1 vorgeben (auswählen) und R2 berechnen. Oder wir geben R2 vor und berechnen R1.
R2 = R1 * Ut / ( Uv - Ut ) R1 = R2 * ( Uv - Ut ) / Ut
- Wir können mithilfe zweier Widerstände eine Spannung Ut einstellen.
Die Schaltung hat aber einen Haken: Wenn wir den Ausgang der Schaltung belasten, also einen Widerstand RL zwischen die Anschlüsse Ut und Gnd anschließen, ändert sich die Spannung Ut=U2.
Test: Einen Widerstand 1kΩ zwischen den Anschlüssen Ut und GND anschließen.
Wenn wir aber einen Widerstand am Ausgang anschließen, der viel größer ist als R2, 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 jede beliebige Spannung leicht einstellen,
- wenn der Ausgangsstrom sehr klein gegenüber dem Strom im Spannungsteiler ist
- und das ist in vielen Schaltungen der Fall.
Regeln: Spannungsteiler
- Mit einem Spannungsteiler können wir aus einer vorgegeben Spannung eine kleinere Spannung erzeugen.
- Die Spannung hängt von den beiden Widerständen des Spannungsteilers ab.
- Aus einer Spannung Uv kann mithilfe der Widerstände R1 und R2 eine Teilspannung Ut eingestellt werden. Einer der beiden Widerstände, R1 oder R2, kann frei gewählt werden.
R2 = R1 * Ut / ( Uv - Ut ) R1 = R2 * ( Uv - Ut ) / Ut
- Die Ausgangsspannung Ut eines Spannungsteilers ändert sich, wenn der Ausgang belastet wird.
- Wenn der Lastwiderstand gegen R2 sehr groß ist (100-fach), dann ist die Änderung nur gering.
- Der Ausgangsstrom It sollte sehr klein (0,01) gegenüber dem 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 versuchen es jetzt mit einer LED.
Genauigkeit
An dieser Stelle wird deutlich, dass es mit der Genauigkeit in der Elektronik nicht weit her ist.
Die Flussspannung einer LED beträgt nicht 1,8V, sondern zwischen 1,7V und 1,9V.
Viele Werte von Bauelementen sind ungenau. Abweichungen von +20% -20% sind üblich.
Auf Widerstände können wir uns einigermaßen verlassen. Sie sind auf 1% genau, wenn wir solche mit fünf Ringen verwenden und der letzte Ring braun ist.
Die gute Nachricht
Obwohl es fast überall ungenaue Werte gibt, lassen sich mit geschickten Schaltungen und wenigen präzisen Bauelementen hochgenaue Ergebnisse erzielen.
Die Schaltung ist bekannt: eine LED mit einem Vorwiderstand.
Aber wie hoch ist die Spannung an der LED also Ut? Wir wissen: Das ist die Flussspannung der LED, und die hängt vom LED-Typ ab. Die Spannung Ut ist also unabhängig vom Vorwiderstand immer gleich.
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 (offenem) Ausgang werden wir meistens nicht messen.
Die Flussspannung einer LED beträgt nur etwa 1,8V. Manchmal ist sie höher, manchmal niedriger. Im Mittel stimmt unsere Faustregel.
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 kleiner als die Flussspannung der LED.
Wir drehen den Spieß um und berechnen den Widerstand RL, um am Ausgang die Flussspannung der LED zu erhalten:
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 ist sie immer noch 1,7V. Bei 10kΩ und 1kΩ liegt die Spannung dazwischen.
Bei Lastwiderständen, die größer als R1 sind, 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 einer anderen Farbe verwenden, können wir andere stabile Spannungen erzeugen.
- Leider können wir nicht jede 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.
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 zu, die Z-Spannung. Es gibt Z-Dioden für Spannungen von 2,4V bis 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 |
Genau 3,3V bei unbelastetem (offenem) Ausgang werden wir meistens nicht messen. Die Z-Spannung von Z-Dioden unterliegt Abweichungen aufgrund der Fertigung.
Die 0,45V kennen wir bereits. Bei einer Last von RL=1kΩ erhalten wir jedoch nur 2,5V. Durch Nachrechnen stellen wir fest, dass der Spannungsteiler mit R1=RL=1kΩ 2,5V erzeugt, was unter der Z-Spannung von 3,3V liegt. Bei R1=2,2kΩ beträgt die Spannung am Lastwiderstand 3,3V.
Bei Lastwiderständen über 2,2kΩ ist die Z-Spannung 3,3V.
Hier ist die stabilisierte Spannung 3,3V.
Wir können also eine Z-Diode genauso wie eine LED zur Erzeugung von stabilisierten 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 klein wird.
- Es können nur bestimmte Spannungen erzeugt werden, die Flussspannungen der verschiedenen LED-Typen.
- Mit Z-Dioden lassen sich weitere stabilisierte Spannungen erzeugen.
- Die stabilisierten Spannungen sind nicht sehr genau und von der Last abhängig.
- Die stabilisierten Spannungen hängen viel weniger von der Last ab als beim Spannungsteiler.
- Der Laststrom It sollte kleiner (0,9) als der Strom durch R1 sein.
- Wenn die Spannung an der Z-Diode oder der LED unterhalb der Z-Spannung bzw. Flussspannung ist, fließt kein (sehr kleiner) Strom durch die Diode.