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

Spannungen induktiv wandeln

Im Praktikum Spannungen wandeln haben wir gesehen, wie Spannungen gewandelt werden können:

  • Eine Gleichspannung wird zerhackt,
  • in eine Wechselspannung gewandelt.
  • Der Zerhacker ist ein elektronischer Schalter, der
  • 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 die Wandler-Schaltung auf Kondensatoren und Dioden (Gleichrichtern).

Spannungsverdoppler-1.png
Bild 1: Spannungswandler mit Kondensator

In Bild 1 wird die LED2 über die Dioden D1 und D2 und R₆ zum leuchten gebracht. Immer, wenn die LED1 aufleuchtet, wird die LED2 kurzzeitig heller. Die Spannung an R₆ muss höher werden. Diese zusätzliche Spannung wird durch den Kondensator C₂ erzeugt.

Spannungswandler mit Induktivität

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

Spannungswandler-induktiv-1.png
Bild 2: Spannungswandler mit Induktivität

Die Induktivität L₁ in Bild 2 ist für uns neu.

  • Induktivitäten kommen hier im Laufe des analogen Praktikums zu ersten Mal vor.

In der Schaltung Bild 2 ist die Induktivität L₁ nicht unmittelbar an den Ausgang des NE555 angeschlossen, sondern über einen Transistor. Wenn der Transistor ausgeschaltet ist, fließt über die Diode D2 und den Widerstand R₆ Strom durch die LED2 und diese leuchtet. Die LED2 wird im Takt mit LED1 kurzzeitig heller. Die Spannung an R₆ muss also höher werden. Diese zusätzliche Spannung wird durch die Induktivität L₁ erzeugt und gelangt durch 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 2: 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 Henry (H) gemessen.
  • meistens kommen Induktivitäten vor mit
  • mH: 1mH=0,001H bzw. 1H=1000mH und
  • µH: 1µH=0,001mH bzw. 1mH=1000µH oder gar 1H=1000000µH.
  • Induktivitäten dürfen nur mit einem maximalen Strom belastet werden.

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 genügend hohe Induktivität.

Ansteigender Strom

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

Kurz bevor der Transistor ausschaltet, hat der Strom seinen höchsten Wert I^.

Fallender Strom

Wenn der Transistor ausschaltet, fließt zunächst in der Induktivität der Strom I^ weiter und sinkt mit der Zeit auf 0 ab.

  • Die Induktivität erzeugt eine Spannung, damit dieser Strom weiterfließt.

Der Strom fließt aus L₁ über die Diode D1, R₆, LED2, die Stromversorgung (0V nach 5V) zurück zur Induktivität. Wenn I^ groß genug war, steigt durch diesen Strom die Spannung an R₆ an, über 5V hinaus. Die Diode D1 sperrt. Die LED2 leuchtet heller, bis der Strom in der Induktivität abgesunken ist.

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

Wir sehen, dass die LED2 immer kurzzeitig heller leuchtet, wenn 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 über 5V liegt.

Spannungswandler-induktiv.png
Bild 3: Spannungswandler mit Induktivität

Wir haben

  • die Frequenz des Timers 555 auf 60kHz erhöht, indem wir für den Kondensator C₂=100pF eingesetzt haben.
  • Diese Frequenz ermöglicht es, eine Induktivität von 1mH einzusetzen.
  • Die Diode D2 ist überflüssig.
  • Der Widerstand R3 dient in unserer Testschaltung als Schutz.
  • In realen Schaltungen ist er nicht enthalten. Dafür sind dann meistens elektronische Schutzschaltungen vorhanden.
Aufbau-Spannungswandler-induktiv.png
Bild 4: Versuchsaufbau des Spannungswandlers

Rechts oben liegen die Induktivität L₁ und der Ladekondensator C₃.

Ergebnisse

  • LED2 leuchtet kontinuierlich heller.
  • Es fließt ein höherer Strom durch LED2,
  • d.h. die Spannung an C₃ ist höher 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 wandelnBild 4.

Eigene Versuche

Attention attention

Achtung hohe Spannung

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

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

Wie hoch ist die Ausgangsspannung Uaus?

Mit R₅ 220Ω und R₆=22kΩ ist die Ausgangsspannung wie hoch?

Negative Spannungen

Unsere Schaltung in Bild 3 lässt sich leicht für die Erzeugung negativer Spannungen verwenden.

  • Wir ersetzen einfach den Transistor Q1 durch einen PNP-Typ,
  • schalten die Induktivität nach Masse und
  • drehen die Polarität der Bauelemente hinter dem Transistor um.
Spannungswandler-negativ.png
Bild 5: Spannungswandler für negative Spannung
  • Der Widerstand R3 dient wieder in unserer Testschaltung als Schutz.
  • In realen Schaltungen ist er nicht enthalten. Dafür sind dann meistens elektronische Schutzschaltungen vorhanden.

Wir messen Uaus~-6V.

Und noch eine Variante

Wenn wir Bild 2 etwas anders ändern, erhalten wir eine der am häufigsten eingesetzten Wandlerschaltungen.

Spannungswandler-abwaerts.png
Bild 6: Ein Abwärtswandler

Die Induktivität L₁ wird zum Ausgang geschaltet. Dort liegen 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. Schaltet der Transistor Q1 aus, fließt der Strom über die Induktivität weiter und zwar über die Diode D1 während der Strom über die Induktivität sinkt.

Wir messen die Ausgangsspannung:

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

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

In der Schaltung eines Abwärtswandlers in Bild 6 ist keine Schutzschaltung vorgesehen. Wir sollten eine elektronische Sicherung für die Eingangsspannung einsetzten, 20mA reichen.

Lastabhängige Ausgangsspannung

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

  • Bei höherer Last sinkt die Ausgangsspannung.

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

Wir nehmen eine Last von 1kΩ.

  • Beim Aufwärtswander (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 in den üblichen Wandlern mit Induktivität durch eine Regelung der Ein- und Abschaltzeiten 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, der höhere Spannungen erzeugt,
  • den Inverter, der negative Spannungen erzeugt und
  • den Abwärtswandler, Step-Down-Converter, der kleinere Ausgangsspannungen erzeugt.
  • 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.