W-Labor Elektronik Andreas Hager Inhaltsverzeichnis
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W-Labor Elektronik Andreas Hager Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis 1. U/2-Schaltung 1.1 Allgemein 1.2 einfachste Schaltung 1.3 Schaltung 1.4 Schaltungserklärung 2. Schaltnetzteile allgemein 3. Aufwärtswandler 3.1 Allgemein 3.2 Schaltung 3.3 Diagramme 3.4 Schaltungserklärung 4. Inverswandler 4.1 Allgemein 4.2 Schaltung 4.3 Schaltungserklärung 5. Verringerung des Brumms 5.1 Allgemein 5.2 Maßnahmen zur Verringerung 5.3 Berechnung der Bauteile 1 2 2 2 2 3 4 4 4 4 5 5 6 6 6 6 7 7 7 7 Anhänge: 1) Simulation der U/2-Schaltung 2) Simulation des Aufwärtswandlers Spannungen 3) Simulation des Aufwärtswandlers Ströme 4) Simulation des Inverswandlers Spannungen 5) Simulation des Inverswandlers Ströme HTBL-Hollabrunn D:\582655542.doc Seite 1 W-Labor Elektronik Andreas Hager 1. U/2-Schaltung: 1.1 Allgemein: Die U/2-Schaltung dient zur Erzeugung der halben Betriebsspannung. Wenn die Eingangsspannung beispielsweise 10V ist, erzeugt die U/2-Schaltung Spannungen von -5V und +5V für Bauelemente mit solcher Versorgungsspannungen. Pinbelegung LM741: TO92-Gehäuse: (Ansicht von unten) 1.2 einfachste Schaltung: Die folgende Schaltung repräsentiert die einfachste Möglichkeit eine U/2-Schaltung zu realisieren. Bei der Übung verwendeten wir eine andere Schaltung, aus der wir mehr Strom ziehen konnten. virtueller KS virtuelle Masse 1.3 Schaltung: Folgende Schaltung wurde bei der Übung verwendet. Diese Schaltung ist stärker belastbar, da 2 Transistoren eingebaut wurden, die mehr Strom erlauben. virtueller KS virtuelle Masse HTBL-Hollabrunn D:\582655542.doc Seite 2 W-Labor Elektronik Andreas Hager 1.4 Schaltungserklärung: Komponenten: R1, R2…Ergeben einen Spannungsteiler, damit am Nichtinvertierenden Eingang des OPVs nur mehr 5V abfallen C1…leitet Spikes gegen Masse ab Wechselspannungsanteile werden herausgefiltert C2, C3 …leiten ebenfalls Wechselspannungsanteile gegen Masse ab Spannungsstabilisierung RL1, RL2…Lastwiderstände V1…wenn nur Lastwiderstand RL2, dann wird über diesen Transistor Strom gezogen mehr belastbar V2…wenn nur Lastwiderstand RL1, dann wird über diesen Transistor Strom gezogen mehr belastbar Erklärung: Die Spannung U1 wird durch den Spannungsteiler zunächst halbiert. Am Nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers fallen jetzt nur mehr 5V ab. Durch den virtuellen Kurzschluss zwischen den 2 Eingängen des OPVs müssen am Ausgang des Operationsverstärkers 5V liegen virtuelle Masse. Misst man jetzt auf dieser Leitung gegen Versorgung, zeigt das Voltmeter +5V an. Misst man von dieser Leitung aus gegen Masse, wird das Voltmeter -5V anzeigen. Um mehr Strom aus der Schaltung zu ziehen, werden die 2 Transistoren in die Schaltung eingebaut. Bei Vorhandensein des Lastwiderstands RL2 wird über den Transistor V1, ein Strom, von Versorgung, gezogen Erzeugung über RL2. Der Ausgang des OPVs wird dadurch spannungsmäßig auf ca. 5,7V angehoben. Dies geschieht, da die BasisEmitter-Spannung des Transistors ca. 0,7V bei bestmöglicher Durchschaltung beträgt. Auf der Leitung virtuelle Masse muss immer 5V abfallen. Durch Vorhandensein des Transistors kann die Schaltung somit stärker belastet werden und stärkere Leistung erzeugen. Bei Vorhandensein des Lastwiderstands RL1 wird über den Transistor V2, ein Strom, gegen Masse, geleitet. Dieser Strom wird von der Versorgungsspannung über RL1 erzeugt. Der Ausgang des OPVs wird dadurch spannungsmäßig auf ca. 4,3V abgesenkt. Das Durchschalten des Transistors benötigt ca. 0,7V und daher muss der Ausgang auf diese Spannung abgesenkt werden. Auf der Leitung virtuelle Masse muss immer 5V abfallen. Durch Vorhandensein es Transistors kann die Schaltung somit stärker belastet werden. Bei Vorhandensein beider Lastwiderstände, wird der Strom jeweils vom anderen gezogen, und die Spannung am Ausgang des OPVs stellt sich so ein, dass auf der virtuellen Masse wieder 5V abfallen. Dies funktioniert auch bei ungleicher Belastung. Simulation mittels PSpice ist an das Protokoll angehängt. Vorhandene Traces: Durch einen kleinen Trick wurden beide oben genannten Fälle simuliert. 1) der Ausgang des OPVS V(out1) 2) +5V, die erzeugt wurden V(plus)-V(virtuelleMasse) 3) -5V, die erzeugt wurden V(minus)-V(virtuelleMasse) HTBL-Hollabrunn D:\582655542.doc Seite 3 W-Labor Elektronik Andreas Hager 2. Schaltnetzteile allgemein: Schaltnetzteile Sperrwandler Aufwärtswandler 5V 12V Flusswandler Abwärtswandler 5V -12V Abwärtswandler Sperrwandler als Drosselwandler: 3. Aufwärtswandler: 3.1 Allgemein: Ein Aufwärtswandler ist ein einfaches Schaltnetzteil, das zur Erzeugung von höheren Spannungen, als der Betriebsspannung, verwendet wird. In der Übung wurde aus +5V Betriebsspannung, eine Spannung von +12V am Ausgang erzeugt. 3.2 Schaltung: HTBL-Hollabrunn D:\582655542.doc Seite 4 W-Labor Elektronik Andreas Hager 3.3 Diagramme: Aus der obigen Schaltung überlegten wir uns dann, wie der Spannungs- bzw. Stromverlauf an den einzelnen Bauteilen aussehen könnte. U/ Î/ 12,6V V mA UCE U2 UL IL 5 Ic 1 U cesat UBasis t/ µs 0 ID 0 Transistor leitet t/ µs Transistor sperrt Sperrverzug -7,6V Transistor leitet Transistor sperrt 3.4 Schaltungserklärung: Die Schaltung wird mit einer Frequenz von 25kHz betrieben. Am Eingang wird ein 5V Rechtecksignal angelegt. Die Betriebsspannung ist +5V. Die Kondensatoren C1 und C2 leiten Wechselsignale gegen Masse und somit unterdrücken sie Spikes. R1 und R2 bilden den Basisspannungsteiler. R2 wird weiters noch als Ausräumwiderstand bezeichnet, da durch ihn der Transistor schneller in den sperrenden Zustand übergeht zieht die Ladungsträger aus der Sperrschicht. Während der Leitphase des Transistors fällt die Spannung U1 an der Spule L1 ab und der Strom IL steigt linear an. Die Spule wird beim eingeschalteten Zustand des Transistors also mit Energie versorgt. Der Lastwiderstand muss daher in dieser Phase aus dem Kondensator C2 mit Strom versorgt werden. Wird der Transistor ausgeschaltet muss laut dem Induktionsgesetzes der Strom in der Spule weiter fließen Strom fließt über Diode negative Spannung an der Spule L1. Dadurch wirkt die Spule jetzt wie eine Stromquelle und lädt den Kondensator neu auf Energietransport. Durch die Taktung des Transistors wird erreicht, dass am Ausgang eine Spannung, die größer als die Betriebsspannung ist, auftritt. Selbst wenn der Transistor nicht getaktet wird gilt Ausgangsspannung ist größer, gleich der Eingangsspannung. Simulation mittels PSpice ist an das Protokoll angehängt. Vorhandene Traces: Spannungen: 1) Steuerspannung V(U2) 2) Basis-Emitter-Spannung V(Ub) 3) Kollektor-Emitter-Spannung V(Uce) 4) Spulenspannung V(U1)-V(Uce) 5) Ausgangsspannung V(out) HTBL-Hollabrunn Ströme: 1) Kollektorstrom IC(V1) 2) Diodenstrom V2 I(V2) 3) Spulenstrom (V(1)-V(Uce))/1 D:\582655542.doc Seite 5 W-Labor Elektronik Andreas Hager 4. Inverswandler: 4.1 Allgemein: Ein Inverswandler ist ein einfaches Schaltnetzteil, das zur Erzeugung von höheren, negativeren Spannungen, als der Betriebsspannung, verwendet wird. In der Übung wurde aus +5V Betriebsspannung, eine Spannung von -12V am Ausgang erzeugt. 4.2 Schaltung: 4.4 Schaltungserklärung: Die Schaltung wird mit einer Frequenz von 25kHz betrieben. Am Eingang wird ein 5V Rechtecksignal angelegt. Die Betriebsspannung ist +5V. Die Kondensatoren C1 und C2 leiten Wechselsignale gegen Masse und somit unterdrücken sie Spikes. R1 und R2 bilden den Basisspannungsteiler. R2 wird weiters noch als Ausräumwiderstand bezeichnet, da durch ihn der Transistor schneller in den sperrenden Zustand übergeht zieht die Ladungsträger aus der Sperrschicht. Dieser Widerstand muss diesmal aber gegen Versorgung gelegt werden, da der verwendete Transistor ein BC558B (PNP-Transistor) ist. Der Inverswandler kann Spannungen erzeugen, die größer oder kleiner als die Eingangsspannung sind. Dabei wird die Spannung invertiert. Bei eingeschaltetem Transistor verhält sich die Schaltung wie beim Aufwärtswandler. Somit steigt der Strom in der Induktivität wieder linear an. Bei ausgeschaltetem Transistor fließt der Strom durch die Spule weiter. Daher wird die Spannung invertiert und der Strom fließt wieder durch die Diode V2. Der Kondensator C2 wird dadurch wieder geladen es entsteht eine negative Ausgangsspannung. Vorhandene Traces: Spannungen: 1) Steuerspannung V(U2) 2) Basis-Emitter-Spannung V(Ub) 3) Kollektor-Emitter-Spannung V(U1)-V(UL) 4) Spulenspannung V(UL) 5) Ausgangsspannung V(out) HTBL-Hollabrunn D:\582655542.doc Ströme: 1) Kollektorstrom IC(V1) 2) Diodenstrom V2 I(V2) 3) Spulenstrom I(L1) Seite 6 W-Labor Elektronik Andreas Hager 5. Verringerung des Brumms: 5.1 Allgemein: Die Restwelligkeit der geglätteten Wechselspannung wird Brummspannung genannt. Die Brummspannung UBrumm ist der Wechselspannungsanteil der geglätteten Wechselspannung. Die Brummspannung ist eine messbare Größe, die mit einem Oszilloskop dargestellt werden kann. 5.2 Maßnahmen zur Verringerung: Um den Brumm möglichst klein zu machen wird im Ausgangsglied vor dem Lastwiderstand eine LC-Kombination geschalten. Dieses Glied wird auch als LCSiebglied bezeichnet. Diese Schaltung ist wegen des geringen Spulenwiderstandes sehr vorteilhaft. Schaltung ohne LC-Siebglied: Schaltung mit LC-Siebglied: 5.2 Berechnung der Bauteile: Um den Brumm möglichst klein zu halten muss gelten: XL>>XC XL=ω·L XC=(ω·C)-1 ω=2·π·f Verwendete Bauteile: C=100nF L=4.7mH 2·π·25kHz·4.7mH>>(2·π·25kHz·100nF)-1 f=25kHz 738.27>>63.66 w.A. Minimierung: 738.27/63.66=11.59≈12 Das Signal wird um den Faktor 12 minimiert. HTBL-Hollabrunn D:\582655542.doc Seite 7
