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Wir lernen das Prinzip der Wandlung von Spannungen kennen.


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Prinzip der Wandlung von Spannungen

Wir betrachten zunächst zwei verschiedene Arten von Spannungswandlern

  • Spannungsverdoppler,
  • Spannungsinverter und
  • wenden uns dann dem zugrunde liegenden Prinzip zu.
  • Das IC ICL7660 funktioniert nach diesem Prinzip, hat aber nur geringe Verluste.

Spannungsverdoppler

Spannungsverdoppler.png
Bild 1: Spannungsverdoppler

Unsere Schaltung besteht aus einer Teilschaltung (links), die sozusagen die Versorgungsspannung zerhackt: 5V - 0V - 5V ... Dahinter befindet sich eine Teilschaltung, die diese zerhackte Spannung mit einem Kondensator und zwei Dioden in eine höhere wandelt. 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 keineswegs 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.

Ersetzen wir den NE555 durch einen LMC555, ist die Leerlaufspannung 9V. Mit der LED3 sind es 7,5V.

Wir haben bei dieser Wandlung von 5V auf 10V erhebliche Verluste. Die Ursache liegt in den Dioden und dem NE555.

Negative Spannung

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

Spannungsinverter.png
Bild 2: Ein Spannungsinverter

Im wesentlichen wurden alle Bauelemente in der rechten Teilschaltung mit entgegengesetzter Polarität angeschlossen. D1 wurde auf Masse bezogen.

Am Kondensator C3 ergibt sich mit LED2 eine Spannung von -2,7V. 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
  • Wir sagen in diesem Zusammenhang zerhackt.
  • einer Teilschaltung (rechts), die diese zerhackte Spannung auskoppelt und gleichrichtet.

Wechselspannung

  • Für diejenigen unter uns, die es genau wissen wollen.
  • Es ist eine gute Idee, diesen Teil zu lesen, auch wenn nur wenig verstanden wird.
    Später werden wir uns erinnern und es dann nachvollziehen.

Die Spannung am Ausgang de NE555 besteht aus zwei Anteilen:

  • Einer konstanten Gleichspannung Ug von 2,5V
  • die ihre Polarität nicht wechselt. Daher Gleichspannung.
  • Einer Wechselspannung Uw von ±2,5V.
  • Sie ist für eine gewisse Zeit +2,5V oder -2,5V
  • Sie wechselt 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 kann nicht transformiert werden.
  • Eine Wechselspannung kann transformiert werden, d.h. sie kann "einfach" in kleinere oder höhere Spannungen gewandelt werden.
  • Eine Wechselspannung kann über Dioden (Gleichrichter) gleichgerichtet, in 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 den Gleichrichter sozusagen auf die 5V Stromversorgung.
  • und richtet in die gleiche Polarität gleich.
  • Die Schaltung in Bild 2 verlagert den Gleichrichter sozusagen auf 0V.
  • und richtet in andere Polarität gleich.

Geschaltete Kondensatoren

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

Den wesentlichen Effekt erzielen sie dadurch, dass sie parallel zu den Dioden MOSFETS legen, die so angesteuert werden, dass sie die Dioden im geeigneten Moment kurzschließen und damit deren Flussspannung eliminieren.

Der ICL7660 ist ein Spannungsinverter mit einer einfachen Beschaltung.

Spannungsinverter-ICL7660.png
Bild 6: Ein Spannungsinverter mit ICL7660

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

Es gibt eine Reihe von Spannungswandlern mit geschalteten Kondensatoren, die eine Spannungsverdopplung ermöglichen. Es sind relativ moderne Bauelemente, die alle in SMD-Gehäusen geliefert werden. Die Suche nach "switched-capacitor voltage converter" liefert einige Bauelemente. Der LM2660 ist beispielsweise sowohl als Spannungsverdoppler als auch Spannungsinverter zu betreiben.

Prinzipschaltung

Spannungsinverter-ICL7660-Prinzip.png
Bild 7: Prinzipschaltung des Spannungsinverters mit ICL7660

In Bild 7 sind vier Schalter, die durch ein Signal gesteuert werden. Es sind entweder die Schalter S1 und S2 geschlossen oder S3 und S4. Verglichen mit Bild 5 ist S1 der Schalter, der den Ausgang an +5V legt. S3 legt den Ausgang an Masse (0V). Die Schalter S2 und S4 schließen die Dioden D1 bzw. D2 kurz. Die Schalter sind durch MOSFETs realisiert. Der ICL7660 wird so angesteuert, dass die Dioden entfallen können.

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Spannungswander-Modul

Das Minus-5V-Modul verwendet den ICL7660

Antwort auf 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 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 Gleichspannung oder
  • in eine negative Gleichspannung.
  • 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.