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


Wir lernen eine Alternative, wie man höhere Spannungen erzeugen kann.


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Spannungen induktiv wandeln

Spannungswandler


Spannungen induktiv wandeln

Im Praktikum Spannungen wandeln haben wir gesehen, wie wir eine Spannung wandeln können:

  • Eine Gleichspannung wird zerhackt,
  • in eine Wechselspannung umgewandelt.
  • Der Zerhacker ist ein elektronischer Schalter, der
  • eine Gleichspannung ein- und ausschaltet oder
  • sie verpolt.
  • Hinter dem Zerhacker befindet sich eine Wandler-Schaltung,
  • die die Wechselspannung in eine andere wandelt:
  • in eine höhere Spannung oder
  • in eine negative Spannung,
  • diese gleichrichtet und
  • mit einem Kondensator glättet.

Spannungswandler mit Kondensator

In Spannungen wandeln beruhte die Wandler-Schaltung auf Kondensatoren und Dioden (Gleichrichtern).

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Bild 1: Spannungswandler mit Kondensator

In Bild 1 wird die LED2 über die Dioden D1 und D2 und R4 zum Leuchten gebracht. Immer, wenn die LED1 aufleuchtet, wird die LED2 kurzzeitig heller. Die Spannung an R4 muss größer werden. Diese zusätzliche Spannung wird vom Kondensator C2 erzeugt.

Spannungswandler mit Induktivität

Induktivitäten sind Bauelemente, die ebenso wie Kondensatoren in Wandler-Schaltungen eingesetzt werden. In der Praxis sind Wandler-Schaltungen mit Induktivitäten wesentlich häufiger anzutreffen als solche mit Kondensatoren.

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Bild 2: Spannungswandler mit Induktivität

Die Induktivität L1 in Bild 2 ist für uns neu.

  • Induktivitäten tauchen hier zum ersten Mal während des analogen Praktikums auf.

In der Schaltung in Bild 2 ist die Induktivität L1 nicht unmittelbar mit dem Ausgang des NE555 verbunden, sondern über einen Transistor. Wenn der Transistor ausgeschaltet ist, fließt über die Diode D2 und den Widerstand R6 ein Strom durch die LED2 und diese leuchtet. Die LED2 leuchtet kurzzeitig im Takt mit der LED1 heller. Die Spannung an R6 muss also höher werden. Diese zusätzliche Spannung wird von der Induktivität L1 erzeugt und gelangt über die Diode D1 zu R6.

Der Effekt ist ähnlich wie bei der Schaltung mit Kondensator in Bild 1.

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Induktivitäten

Induktivitaet-Symbol.png
Bild 3: Symbole für Induktivitäten

Induktivitäten sind Spulen, aufgewickelter Draht. Es gibt Induktivitäten

  • ohne Kern (L1),
  • mit Ferritkern (L2),
  • mit Eisenkern (L3) und
  • gekoppelte (L4), die auch Transformatoren genannt werden.
  • Die Induktivität wird in der Einheit Henry (H) gemessen.
  • Am häufigsten werden Induktivitäten mit
  • mH: 1mH=0,001H bzw. 1H=1000mH und
  • µH: 1µH=0,001mH bzw. 1mH=1000µH oder 1H=1000000µH.
  • Induktivitäten dürfen nur mit einem maximalen Strom belastet werden.
  • Induktivitäten werden oft auch als Spulen, Drosselspulen oder Drosseln bezeichnet.

Verhalten der Induktivität

Die Induktivität L1 in Bild 2 ist für moderne Elektronik riesig. Sie ist kaum zu beschaffen. Wir behelfen uns mit einem (alten, ausgebauten) Transformator für 230V (220V). Die Primärwicklung, die für 230V, hat eine ausreichend hohe Induktivität.

Steigender Strom

Wenn der Transistor Q1 einschaltet, fließt durch die Induktivität L1 und den Widerstand R5 ein Strom, der mit der Zeit ansteigt.

Kurz vor dem Ausschalten des Transistors hat der Strom seinen höchsten Wert I^. Der maximale Strom wird durch den Widerstand R5 begrenzt.

Fallender Strom

Beim Abschalten des Transistors fließt in der Induktivität zunächst der Strom I^. Der Strom fällt mit der Zeit auf 0 ab.

  • Die Induktivität erzeugt eine Spannung, um diesen Strom weiter fließen zu lassen.

Der Strom fließt von L1 über die Diode D1, R6, LED2, die Stromversorgung (0V nach 5V) zurück zur Induktivität. Wenn I^ groß genug ist, wird dieser Strom die Spannung an R6 über 5V ansteigen lassen. Die Diode D1 sperrt. Die LED2 leuchtet heller, bis der Strom in der Induktivität abgefallen ist.

Wie hoch die Spannung an R6 wird, hängt vom Strom I^ und der Induktivität L1 ab.

Wir sehen, dass die LED2 immer kurz heller leuchtet, wenn die LED1 ausgeschaltet wird. Der Effekt ist ähnlich wie bei der Schaltung mit einem Kondensator in Bild 1.

Höhere Spannung erzeugen

Wenn wir die Schaltung in Bild 2 anpassen, können wir eine Spannung erzeugen, die größer als 5V ist.

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Bild 3: Spannungswandler mit Induktivität
  • Wir haben wie bereits in Spannungen wandeln Bild 1 am Ausgang einen Glättungskondensator C3 angeschlossen,
  • Außerdem haben wir die Frequenz des Timers 555 auf 60kHz erhöht, indem wir für den Kondensator C2=100pF verwenden.
  • Diese Frequenz erlaubt die Verwendung einer Induktivität von 1mH.
  • Die Diode D2 wird nicht benötigt.
  • Der Widerstand R5 dient in unserer Testschaltung als Schutz gegen einen zu hohen Strom durch Q1.
  • In realen Schaltungen ist er nicht vorhanden. Hier sind meistens elektronische Schutzschaltungen vorhanden.
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Bild 4: Versuchsaufbau des Spannungswandlers

Rechts sind die Induktivität L1 und der Glättungskondensator C3 zu sehen. Die LED1 und der Widerstand R3 sind nicht in Bild 4 enthalten.

Ergebnisse

  • Die LED2 leuchtet kontinuierlich heller.
  • Durch LED2 fließt ein größerer Strom,
  • d.h. die Spannung an C3 ist größer als 5V.
  • Wir messen Uaus=11V
  • Mit diesem induktiven Spannungswandler können wir höhere Spannungen erzeugen als mit der entsprechenden Schaltung mit Kondensatoren im Praktikum Spannungen wandeln Bild 8.

Eigene Versuche

Attention attention

Achtung hohe Spannung

  • Mit der Schaltung in Bild 3 können hohe Spannungen erzeugt werden.
  • Diese sind für uns ungefährlich,
  • können aber Bauelemente zerstören.
  • Wenn wir nicht aufpassen, kann eine Spannung Uaus über 45V entstehen.
  • Diese Spannung kann den BC337 Q1
  • oder den Kondensator C2 beschädigen.
  • Die Schaltung nie ohne Last R6 und LED2 betreiben.
  • Vor jedem Umbau die 5V-Stromversorgung ausschalten.

In der Schaltung in Bild 3 setzen wir für R5=220Ω ein.

Wie groß ist die Ausgangsspannung Uaus?

Wie groß ist die Ausgangsspannung bei R5=220Ω und R6=22kΩ?

Negative Spannungen

Unsere Schaltung in Bild 3 können wir leicht zur Erzeugung negativer Spannungen verwenden.

  • Wir ersetzen einfach den Transistor Q1 durch einen PNP-Transistor,
  • schalten die Induktivität an Masse und
  • vertauschen die Polarität der Bauelemente hinter dem Transistor.
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Bild 5: Spannungswandler für negative Spannung
  • Der Widerstand R5 dient in unserer Testschaltung wieder als Schutz.
  • In realen Schaltungen ist er nicht vorhanden. Hier sind meistens elektronische Schutzschaltungen vorhanden.

Wir messen Uaus ~ -6V.

Abwärtswandler

Wenn wir Bild 2 leicht verändern, erhalten wir eine der am häufigsten verwendeten Wandlerschaltungen.

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Bild 6: Ein Abwärtswandler

Die Induktivität L1 ist mit dem Ausgang verbunden. Dort befinden sich der Glättungskondensator C3 und die Last. Die Diode D1 liegt zwischen Masse und der geschalteten Induktivität.

Wenn der Transistor Q1 eingeschaltet ist, fließt über die Induktivität L1 ein Strom zum Glättungskondensator C3. Dieser Strom steigt mit der Zeit an. Wenn der Transistor Q1 ausgeschaltet wird, fließt der Strom durch die Induktivität über die Diode D1 weiter. Der Strom über die Induktivität nimmt mit der Zeit ab.

Wir messen die Ausgangsspannung:

R7 Uaus
ohne 4,9V
1kΩ 3,8V
100Ω 2,3V
50Ω 1,8V

Die Ausgangsspannung ist abhängig von der Last und beträgt maximal die Versorgungsspannung (5V).

Die Schaltung des Abwärtswandlers in Bild 6 enthält keine Schutzschaltung. Wir sollten eine elektronische Sicherung für die Eingangsspannung verwenden, 20mA sind ausreichend.

Lastabhängige Ausgangsspannung

Bei dem Aufwärtswandler in Bild 6 haben wir festgestellt, dass die Ausgangsspannung von der Last am Ausgang abhängt.

  • Mit zunehmender Last sinkt die Ausgangsspannung.

Dieses ist auch beim Aufwärtswandler (Bild 3) und Inverter (Bild 5) der Fall.

Wir nehmen eine Last von 1kΩ.

  • Beim Aufwärtswandler (Bild 3) sinkt die Ausgangsspannung bei 1kΩ Last auf 4,1V ab.
  • Beim Inverter (Bild 5) sinkt die Ausgangsspannung bei 1kΩ Last auf -2V ab.
  • Beim Abwärtswandler ist die Ausgangsspannung weniger von der Last abhängig.
  • Im vorgesehenen Lastbereich ist die Ausgangsspannung eines Abwärtswandlers nur wenig von der Last abhängig.

Die lastabhängige Ausgangsspannung wird bei den üblichen Wandlern mit Induktivität durch eine Regelung der Ein- und Auschaltzeiten des Transistors ausgeglichen. Diese Schaltregler werden wir im Praktikum Schaltregler betrachten.

Regeln

Bei einem induktiven Spannungswandler wird die Eingangsspannung über einen Transistor (MOSFET) periodisch ein und ausgeschaltet, zerhackt. Diese zerhackte Spannung wird über eine Schaltung mit Induktivität und Dioden gewandelt und anschließend über einen Kondensator geglättet.

Es gibt drei Typen von induktiven Spannungswandlern:

  • den Aufwärtswandler, Step-Up-Converter, Boost Converter, der höhere Spannungen erzeugt (Bild 2 und Bild 3),
  • den Inverter, der negative Spannungen erzeugt (Bild 5) und
  • den Abwärtswandler, Step-Down-Converter, Buck Converter, der kleinere Ausgangsspannungen erzeugt (Bild 6).
  • Immer im Vergleich zur Versorgungsspannung.
  • Beim Aufwärtswandler und Inverter ist die Ausgangsspannung stark von der Last abhängig.
  • Ist der Ausgang beim Aufwärtswandler und Inverter offen, können hohe Spannungen auftreten, die Bauelemente gefährden können.
  • Beim Abwärtswandler ist die Ausgangsspannung im normalen Betrieb wenig von der Last abhängig.
  • Induktive Spannungswandler werden meistens über die Ein- und Abschaltzeiten des Transistors geregelt.