Wechselspannungen ein- und auskoppeln

Sollen Wechselspannungen in verschiedenen Teilschaltungen verarbeitet werden, ist es meist erforderlich, die Teilschaltungen gleichspannungsmäßig zu entkoppeln und wechselspannungsmäßig zu koppeln.

Nachfolgend werden verschiedene Arten der Kopplung und Entkopplung betrachtet.

In den Praktika Spannungen an einer blinkenden LED und Spannungen wandeln haben wir den zyklisch schaltenden Ausgang eines Timers verwendet.

Glättung und Auskopplung

Wir betrachten die Spannungen an einer blinkenden LED hier unter dem Aspekt der Auskopplung von Gleich- und Wechselspannungen.

Der LMC555 liefert eine Ausgangsspannung U_q, die eine Folge von Impulsen zwischen 0 V und 5 V ist.

Die Ausgangsspannung U_q des LMC555 setzt sich aus zwei Komponenten zusammen:

• einer konstanten Gleichspannung von U_g=2,5 V,

• die ihre Polarität nicht ändert. Daher Gleichspannung.

• einer Wechselspannung von U_w=±2,5 V.

• Sie beträgt für eine bestimmte Zeit +2,5 V oder -2,5 V.

• Sie wechselt ihre Polarität. Daher Wechselspannung.

• Die Ausgangsspannung ist eine Mischung aus Gleich- und Wechselspannung.

• Sie ist U_q=U_g+U_w:

• 2,5 V+2,5 V=5 V

• 2,5 V-2,5 V=0 V

Eine Mischung aus Gleich- und Wechselspannung nennt man Mischspannung.

• Die Schaltung mit R₃ und C₂ glättet die Ausgangsspannung.

• Sie bildet den Mittelwert der vom Timer gelieferten Spannung von U_m = 2,5 V.

• R₃ und C₂ unterdrücken den Wechselspannungsanteil von U_q.

• R₃ und C₂ sieben den Wechselspannungsanteil von U_q aus.

• Die Schaltung mit R₃ und C₂ wird daher als Siebschaltung bezeichnet.

• C₃ und R₄ koppeln den Wechselspannungsanteil U_w von U_q aus.

• C₃ und R₄ sperren den Gleichspannungsanteil von U_q.

• Der Wechselspannungsanteil beträgt ±2,5 V,

• mit einem Spitze-Spitze-Wert von U_ss=5 V.

Das Oszillogramm in Bild 2 zeigt die Ausgangsspannung U_q (gelb) und die ausgekoppelte Wechselspannung U_w (blau). Die Null-Linie der Ausgangsspannung U_q liegt unten im Oszillogramm. Die Ausgangsspannung ist entweder 0 V oder 5 V. Die ausgekoppelte Wechselspannung folgt dem Verlauf der Ausgangsspannung. Die Null-Linie der ausgekoppelten Wechselspannung U_w liegt in der Mitte des Oszillogramms und es ist deutlich zu erkennen, dass U_w die Polarität wechselt.

Spannungsverdoppler

Den Spannungsverdoppler kennen wir bereits aus Spannungen wandeln.

Hier betrachten wir diese Schaltung unter dem Aspekt der Kopplung und Entkopplung von Gleich- und Wechselspannung.

Am Ausgang des LMC555 haben wir eine Ausgangsspannung U_q als Folge von Impulsen zwischen 0 V und 5 V.

Der Einfachheit halber vernachlässigen wir im Folgenden die Flussspannungen der Dioden U_d1 und U_d2 .

Der Wechselspannungsanteil U_w von U_q ist über den Kondensator C₂ an den Knoten U_s gekoppelt.

Am Knoten U_s liegt eine Mischspannung mit dem Wechselspannungsanteil U_w.

Die Wechselspannung U_w wechselt zwischen -2,5 V und +2,5 V mit einer Spitze-Spitze-Spannung von U_ss=5 V.

Am Knoten U_s kann sich wegen D1 keine Spannung kleiner als U_v einstellen.

Die Spannung U_s liegt dann zwischen U_v und U_v+U_ss = 5 V + 5 V = 10 V.

Über die Diode D2 wird der Kondensator C₂ auf den Maximalwert von U_s aufgeladen. Dieser beträgt 10 V.

Die Ausgangsspannung U_a des Spannungsverdopplers ist mit U_a = 10 V doppelt so hoch wie die Versorgungsspannung.

• Die Flussspannung der Dioden reduziert diesen Wert geringfügig.

Bild 4 zeigt die Ausgangsspannung U_q (gelb) des Timers LMC555 und die Spannung am Knoten U_s . Die Wirkung der Diode D1 zeigt sich in der unteren Spannung U_s, die um 0,7 V unter 5 V liegt. Die Spannung U_s liegt zwischen 5 V und 10 V (abzüglich der Flussspannung der Diode D1).

Berechnung des Kondensators

Ein zu kleiner Kondensator kann bei der Kopplung oder Siebung der Wechselspannung Verluste verursachen.

Die erforderliche Kapazität des Kondensators hängt von der Frequenz der übertragenen Wechselspannung ab.

Wir wollen keine Theorien aufstellen und begnügen uns mit einer Faustformel.

Wir gehen von der niedrigsten Frequenz f_min der zu übertragenden Wechselspannung aus. Außerdem müssen wir den Widerstand R_s der Schaltung kennen.

Cmin > 50 / ( fmin * Rs )

Eigentlich müssten wir die Widerstände der beiden Teilschaltungen vor und hinter dem Kondensator kennen, aber es genügt, wenn wir nur den Widerstand einer der beiden Teilschaltungen kennen. Die beiden Teilwiderstände werden addiert. Wenn wir nur einen der beiden Teilwiderstände nehmen, sind wir auf der sicheren Seite, da der Gesamtwiderstand größer ist.

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