Spannungen wandeln
Einige Schaltungen benötigen eine höhere Spannung als die Stromversorgung liefert.
- Wie können wir eine weiße LED mit einer 1,5V Batterie betreiben?
Wir werden Schaltungen kennenlernen, mit denen höhere Spannungen erzeugt werden können.
Bisher haben wir uns nur mit Schaltungen beschäftigt, die eine niedrigere Spannung als die Versorgungsspannung erzeugen:
- Spannungsteiler
- Schaltungen mit Z-Dioden
- Spannungsregler
Als Praktiker springen wir ins kalte Wasser und betrachten eine Schaltung, mit der wir aus unserer Standardspannung von 5 V eine Spannung von etwa 9 V erzeugen können.
Die Teilschaltung links in Bild 1 mit dem LMC555 ist in Timer 555 näher beschrieben. Wir verzichten hier auf eine genaue Beschreibung, da uns in erster Linie die rechte Teilschaltung interessiert.
Die linke Schaltung lässt die LED1 blinken. Die LED2 leuchtet immer. Sie leuchtet jedoch kurz heller, wenn die LED1 leuchtet. Der Strom durch die LED2 wird also kurzzeitig größer.
Diesen zusätzlichen Strom kann nur der Kondensator C2 liefern.
Kondensatoren
Diese Schaltung enthält auf den ersten Blick einige neue Elemente: Die Kondensatoren C1 und C2.
Kondensatoren
Kondensatoren kommen vielleicht zum ersten Mal im analogen Praktikum vor.
- Es gibt ungepolte (Bild 3 links) und
- gepolte Kondensatoren (Bild 3 rechts)
- 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.
- Kondensatoren werden meistens in µF, nF oder pF angegeben.
Der Kondensator links in Bild 4 ist ein Tantalkondensator mit 4,7µF für bis zu 35V. Rechts liegt ein Tantalkondensator mit 10µF für bis zu 16V. Der positive Anschluss + liegt rechts.
Die beiden in Bild 5 Keramikkondensatoren haben beide 100nF also 0,1µF.
Auf Elektrolytkondensatoren wie in Bild 6 ist meistens der Wert und die maximal zulässige Spannung aufgedruckt. Da Elektrolytkondensatoren gepolt sind, ist ein Anschluss meistens mit - gekennzeichnet.
Kodierung der Kapazitäten
Bei Kondensatoren werden in der Regel mehrere Werte angegeben:
- die Kapazität in Farad,
- die maximal zulässige Betriebsspannung und
- bei gepolten Kondensatoren auch die Polarität.
Je nach Baugröße werden die Werte von Kondensatoren normal oder kodiert angegeben.
Die Kapazität von Kondensatoren wird in Piko-Farad, pF kodiert.
- Der aufgedruckte Wert besteht aus 3 Ziffern.
- Die ersten beiden Ziffern sind der Zahlenwert.
- Die letzte Ziffer gibt an, wie viele Nullen angehängt werden müssen.
Bedeutung der letzten Ziffer
Die letzte Ziffer gibt an, mit welchem Wert der 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 ist 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
Im Folgenden werden wir das Verhalten des Kondensators C2 näher betrachten. Wir werden sehen, dass sich Kondensatoren aufladen und entladen können.
Wir ignorieren zunächst den Kondensator C2. Dann fließt Strom über die Dioden D1 und D2 durch R4 und die LED2, die dann leuchtet.
Die Schaltung links in Bild 7 lässt die LED1 blinken. Der LMC555 erzeugt an seinem Ausgang abwechselnd eine Spannung Uq von +5V und 0V. Wie dieses geschieht, interessiert uns in diesem Zusammenhang nicht (siehe Timer 555).
Im Folgenden betrachten wir, wie sich die verschiedenen Ausgangsspannungen des LMC555 auf die rechte Schaltung auswirken.
Ausgangsspannung LMC555=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 an.
Wenn ein Kondensator längere Zeit an einer Spannung liegt, ist er aufgeladen. Dann fließt kein Strom durch den Kondensator. Es ist, als ob er nicht vorhanden wäre.
Ausgangsspannung LMC555=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, da Us größer als Uv ist.
Wenn die Ausgangsspannung steigt, muss ein höherer Strom durch die LED2 fließen, der auch durch den Kondensator C2 fließen muss.
Der Kondensator kann diesen Strom auch liefern, aber nur für kurze Zeit. Dann ist er entladen.
Dieser kurze Stromanstieg bewirkt, dass die LED2 kurz heller leuchtet.
Wenn der Kondensator entladen ist, fließt kein Strom mehr in den Kondensator und seine 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: Woher kommt der Strom aus dem Kondensator C2?
Ausgangsspannung LMC555=0V
Wenn die Ausgangsspannung des LMC555 von 5V auf 0V fällt, fließt kurzzeitig Strom in den Kondensator C2, bis dieser aufgeladen ist.
Der geladene Strom wird vom Kondensator wieder abgegeben, wenn die Ausgangsspannung am LMC555=5V ist.
Weitere Untersuchungen
Wir ersetzen den Kondensator C1 durch einen Kondensator mit 1µF. Das Ergebnis ist ähnlich wie mit C1=10µF, aber die LEDs blinken schneller.
Wenn wir C1 durch einen Kondensator mit 0,1µF ersetzen, blinken die LEDs nicht mehr. Sie blinken schon, wir können es nur nicht erkennen.
- Ein Kondensator mit 0,1µF oder 100nF ist meistens ein ungepolter Keramikkondensator.
Mit einem Trick können wir zeigen, 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 her bewegen, 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 die hüpfenden Finger nicht mehr erkennen können 
Glättungskondensator
Mit der Schaltung in Bild 1 bzw. Bild 7 können wir kurzzeitig eine Spannung erzeugen, die höher ist als die Versorgungsspannung. Leider nur kurzzeitig.
In Bild 8 haben wir lediglich einen weiteren Kondensator C3 in die Schaltung eingefügt.
Die Wirkung können wir gut erkennen: LED2 blinkt nicht mehr. Nicht mehr so stark. Wenn wir genau hinsehen, erkennen wir ein leichtes Flackern.
LED2 leuchtet heller als ohne C3? Das können wir leicht überprüfen, indem wir C3 entfernen und wieder einsetzen.
Der Effekt von C3 ist besser, wenn wir C1=0,1µF einsetzen.
Wenn wir C2 entfernen, wird LED2 deutlich dunkler. Wenn wir jetzt genau hinsehen, sehen wir, dass LED2 langsam dunkler wird.
Wir messen
Mit einem Voltmeter messen wir die Spannung am Kondensator C3.
- Bei C1=1µF kann sich unser Digitalvoltmeter nicht auf einen Wert festlegen. Die Anzeige schwankt um 4V herum.
-
Bei C1=0,1µF wird eine Spannung von etwa 7V angezeigt.
Die Spannung steigt deutlich über 5V an.
- Bei 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. Deshalb wird er auch Glättungskondensator genannt.
Wenn der LMC555 am Ausgang 5V liefert, entlädt sich der Kondensator C2 und die Spannung an LED2 steigt. 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 LMC555 auf 0V geht, würde ohne C3 nur noch 5V für die LED2 zur Verfügung stehen. Sie würde dunkler werden. Mit C3 hingegen, bleiben die 7V erhalten. Der Kondensator C3 entlädt sich und liefert Strom für die LED2.
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.
Das Verhalten von Schaltungen mit Kondensatoren und Widerständen wird in So funktioniert's Kondensator und Widerstand näher beschrieben.