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Wir lernen das Prinzip der Wandlung von Spannungen kennen.


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Prinzip der Wandlung von Spannungen


Prinzip der Wandlung von Spannungen

Wir betrachten zunächst zwei verschiedene Arten von Spannungswandlern

  • Spannungsverdoppler,
  • Spannungsinverter und
  • gehen dann auf das zugrundeliegende Prinzip ein.
  • Der IC ICL7660 arbeitet nach diesem Prinzip, hat aber nur geringe Verluste.

Spannungsverdoppler

Spannungsverdoppler.png
Bild 1: Spannungsverdoppler

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

Wir haben eine Betriebsspannung von 5V und am Ausgang, am Kondensator C3, eine Spannung von 7V. Die 7V sind nicht doppelt so hoch wie 5V. Wenn wir die LED2 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.

Wenn wir den NE555 durch einen LMC555 ersetzen, beträgt die Leerlaufspannung 9V. Mit der LED3 sind es 7,5V.

Wir haben bei dieser Wandlung von 5V auf 10V erhebliche Verluste. Das liegt an den Dioden und am NE555.

Negative Spannung

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

Spannungsinverter.png
Bild 2: Ein Spannungsinverter

Im Wesentlichen wurden alle Bauelemente in der rechten Teilschaltung mit entgegengesetzter Polarität angeschlossen. D1 wurde mit Masse verbunden.

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

Das Prinzip

Die beiden Schaltungen in Bild 1 und Bild 2 bestehen aus

  • einer Teilschaltung (links), die eine Spannung ein- und ausschaltet,
  • zerhackt und
  • einer Teilschaltung (rechts), die diese zerhackte Spannung auskoppelt und gleichrichtet.

Wechselspannung

  • Für alle, die es genau wissen wollen.
  • Es ist eine gute Idee, diesen Teil zu lesen, auch wenn wir nicht alles verstehen.
    Später werden wir uns daran erinnern und es nachvollziehen können.

Die Spannung am Ausgang des NE555 besteht aus zwei Teilen:

  • Einer konstanten Gleichspannung Ug von 2,5V,
  • die ihre Polarität nicht ändert. Daher Gleichspannung.
  • Einer Wechselspannung Uw von ±2,5V.
  • Sie beträgt für eine bestimmte Zeit +2,5V oder -2,5V.
  • Sie ändert 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 lässt sich nicht transformieren.
  • Eine Wechselspannung kann transformiert werden, d.h. sie kann "einfach" in kleinere oder höhere Spannungen umgewandelt werden.
  • Eine Wechselspannung kann durch Dioden (Gleichrichter) gleichgerichtet, also in eine Gleichspannung gewandelt werden.
  • In den Schaltungen in Bild 1 und Bild 2 wird
  • durch den NE555 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 1 verlagert sozusagen den Gleichrichter auf die 5V-Versorgung.
  • und richtet in die gleiche Polarität gleich.
  • Die Schaltung in Bild 2 verlagert den Gleichrichter sozusagen auf 0V.
  • und richtet in die andere Polarität gleich.

Geschaltete Kondensatoren

Es gibt spezielle ICs für Spannungswandler, die die Verluste bei der Spannungswandlung sehr klein halten. Sie verwenden geschaltete Kondensatoren.

Der wesentliche Effekt wird dadurch erzielt, dass parallel zu den Dioden MOSFETs angeordnet sind, die so angesteuert werden, dass sie die Dioden zum richtigen Zeitpunkt kurzschließen und damit deren Flussspannung eliminieren.

Der ICL7660 ist ein Spannungsinverter mit einer einfachen Schaltung.

Spannungsinverter-ICL7660.png
Bild 3: Ein Spannungsinverter mit ICL7660

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

Der LM2660 kann auch als Spannungsverdoppler eingesetzt werden.

Prinzipschaltung des ICL7660

Spannungsinverter-ICL7660-Prinzip.png
Bild 4: Prinzipschaltung des Spannungsinverters mit ICL7660

Bild 4 zeigt die Prinzipschaltung des Spannungsinverters mit ICL7660. Die Anschlüsse des ICL7660 in Bild 3 sind eingetragen. Die Dioden D1 und D2 entsprechen denen des Spannungsinverters in Bild 2.

Bild 4 zeigt vier Schalter, die durch ein Signal gesteuert werden. Entweder sind die Schalter S1 und S2 geschlossen oder S3 und S4. Im Vergleich zu Bild 3 ist S1 der Schalter, der den Ausgang auf +5V schaltet. S3 schaltet den Ausgang nach Masse (0V).

Die Dioden und die beiden Kondensatoren funktionieren wie beim Spannungsinverter in Bild 2. Die Schalter S2 und S4 schließen die Dioden D1 bzw. D2 kurz, sodass die Flussspannung nicht mehr abfällt.

Die Schalter werden im ICL7660 durch MOSFETs realisiert. Die MOSFETs im ICL7660 werden so angesteuert, dass die Dioden entfallen können.

Spannungsinverter-ICL7660-Geschalteter-Kondensator.png
Bild 5: Schaltung des Spannungsinverters mit ICL7660

Die Schalter in Bild 5 bilden zwei synchron schaltende Umschalter, die in der einen Phase den Kondensator C1 mit der Eingangsspannung und in der anderen Phase mit dem Ausgangskondensator C2 verbinden. Während der ersten Phase nimmt der Kondensator C1 Ladung auf, die er in der zweiten Phase wieder abgibt.

Aus diesem Grund wird diese Art von Spannungswandlern auch als Wandler mit geschalteten Kondensatoren bezeichnet.

Attention >

Spannungswandler-Modul

Das Minus-5V-Modul verwendet den ICL7660.

Antwort zu weiße LED an 1,5V

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

Regeln: Spannungswandler

  • Eine Gleichspannung wird zerhackt,
  • in eine Wechselspannung umgewandelt.
  • Der Zerhacker ist ein elektronischer Schalter, der
  • die Gleichspannung ein- und ausschaltet oder
  • sie verpolt.
  • Hinter dem Zerhacker befindet sich eine Wandler-Schaltung,
  • die die Wechselspannung
  • in eine höhere Gleichspannung oder
  • in eine negative Gleichspannung wandelt.
  • Eine Wandler-Schaltung mit Kondensatoren
  • ist eine Schaltung mit Kondensatoren und Gleichrichtern (Dioden).
  • Kondensatoren verschieben die Wechselspannung auf ein anderes Gleichspannungs-Niveau.
  • Gleichrichter erzeugen aus der Wechselspannung wieder eine Gleichspannung
  • auf dem anderen Gleichspannungs-Niveau.
  • Ein Glättungskondensator gleicht die schwankende Gleichspannung aus,
  • glättet sie.