Interessante Messungen/ Spannungsquellen/ Spannungsregler selbst gebaut

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Ziel der Übung[Bearbeiten]

In der Berufspraxis kann man auf Schaltungen wie diese stoßen:

Zopojeni stabilizatoru z diskretnich soucastek.svg

Das Ziel nach diesen Übungen soll es sein, bei einer solche Schaltung (relativ) schnell die Funktion zu erkennen, offensichtliche Fehler aufzudecken, Eigenschaften abzuleiten und so weiter.

Das hier vorgestellte Analysesverfahren teilt sich in folgende Schritte:

  • Eintrag von Spannungen und Strömen
  • Ursache-Wirkungskette erkennen und notieren
  • Schlussfolgerung(en)

Ebenso lassen sich aus solchen Schaltungen Prüfungsfragen, insbesondere Multiple Choice, ableiten.

Bipolare Transistoren[Bearbeiten]

Schaltung 1[Bearbeiten]

Simple Discret Voltage Regulator.svg

Beschreibung[Bearbeiten]

Der Transistor befindet sich in der sogenannten  Kollektorschaltung. Das heisst, der Transistor arbeitet als Stromverstärker.

Anstelle oder parallel zu RL wird die Last angeschlossen.

Funktion[Bearbeiten]

Wir nehmen an, dass niederohmiger wird. Wie reagiert die Schaltung?

Ursache/Wirkung Beschreibung
und Ein kleinerer bedeutet mehr Strom
da
(automatisch da )
da
da
da

Es liegt also eine Gegenkopplung vor.

Berechnung[Bearbeiten]



Eigenschaften[Bearbeiten]

Eigenschaften dieser Regelung:

  • einfach
  • robust
  • grosse Lastabhängigkeit
  • geringe Belastbarkeit
  • Minimum Last erforderlich (ohne Last geht die Ausgangsspannung auf )

Schaltung 2[Bearbeiten]

Um die Lastabhängigkeit der Ausgangsspannung zu verringern, führen wir einen Operationsverstärker ein.

Schaltplan[Bearbeiten]

Discret Voltage Regulator 001.svg

Regelkreis[Bearbeiten]

Wir nehmen an, dass niederohmiger wird. Wie reagiert die Schaltung?

Ursache/Wirkung Beschreibung
und Ein kleinerer bedeutet mehr Strom
Spannungsteiler R2 + R3
da an invertierenden Eingang des OP
da
da
da
da
da

Es liegt also eine Gegenkopplung vor.

Formeln[Bearbeiten]

Die Formel für die Ausgangsspannung ist:

Beispielrechnung[Bearbeiten]

Nehmen wir folgende Beispielwerte:

Als erstes wollen wir die Ausgangsspannung berechnen:

Der Rest ist überschaubares Handwerk:

Die berechneten Spannungen können wir nun in den Schaltplan einzeichnen:

Discret Voltage Regulator 003.svg

Mit weiteren Angaben könnte man noch die Ströme berechnen. Dies bringt aber im Moment keinen signifikanten Erkenntnis Gewinn.

Limitierungen[Bearbeiten]

Um die Limitierungen der Schaltung erkennen zu können, müssen wir uns erstmal bewusst machen, wie der Fehlerverstärker mit Spannung versorgt wird:

Discret Voltage Regulator 004.svg

wird durch limitiert. Mathematisch ausgedrückt:

In der Praxis erreicht ein Operationsverstärker aber nie . Sagen wir, der Operationsverstärker hat einen internen Spannungsabfall von 1.0V:

Auch gilt:

Setzen wir Zahlen ein ergibt sich:

ist auch und .

Also

in unserem Beispiel:

Wollen wir noch Raum zum Regeln haben (also den Regler nicht im Anschlag fahren), muss der Spannungsabfall über dem Regler sogar noch größer sein. Gerade bei kleinen Spannungen (z.B. 3.3V aus 5V machen) wird das zum Problem.

Reverse Bias - Äussere Spannungsquelle[Bearbeiten]

Bei gewissen Anwendungen (z.B. Akku-Laderegler, Motoren, Parallel geschaltete Regler, Kurzschlüsse etc.) kann es vor kommen, dass eine äussere Spannungsquelle gegen den Regler arbeitet:

Discret Voltage Regulator 010.svg

Was passiert in diesem Fall?

wird nun durch bestimmt:

Da nun grösser als ist, wird kleiner. Folglich wird ebenfalls kleiner. Spätestens wenn ist, sperrt der Transistor, doch und damit ändern sich. strebt also gegen 0V und wird negativ. Der Operationsverstärker ist somit übersteuert und der Transistor in einem nicht vorgesehen Betriebsfall. Dieser Betriebsfall ist folglich auf jeden Fall zu vermeiden.

Eine andere Alternative ist es, den Längsregler durch einen Shuntregler zu ergänzen. Im einfachsten Fall kann eine Leistungs Z-Diode als Shuntregler eingesetzt werden:

Discret Voltage Regulator 013.svg

Das löst zwar nicht das Problem des Übersteuerten Operationsverstärkers, verhindert aber Schäden an anderen Bauteilen.

Reverse Bias - Ausschalten[Bearbeiten]

Spannungsregler werden üblicherweise mit Kondensatoren am Ein- und Ausgang versehen:

Discret Voltage Regulator 011.svg

Diese Kondensatoren dienen als Energiespeicher.

Probleme entstehen nun beim Ausschalten der Schaltung: Jenach Last an U0 kann es sein, dass C1 sich schneller entlädt als C2. Folglich kann für eine gewisse Zeit grösser sein als . wird dadurch negativ, was ein nicht vorgesehener Betriebsfall für den Transistor ist.

Um eine Negative Spannung zu vermeiden, kann Antiparallel zu CE eine Diode geschaltet werden:

Discret Voltage Regulator 012.svg

U_CE kann somit höchstens -0.7V werden und wenn U_L um mehr als 0.7V grösser als U_0 ist, fliesst ein Strom durch die Diode welcher C2 entlädt.

Schaltung 3[Bearbeiten]

Discret Voltage Regulator.svg

Wir nehmen an, dass niederohmiger wird. Wie reagiert die Schaltung?

Ursache/Wirkung Beschreibung
und Ein kleinerer bedeutet mehr Strom
Spannungsteiler R2 + R3
da an nicht-invertierenden Eingang des OP
da
da
da
da
da

Man beachte: Obwohl der Spannungsteiler die Ausgangsspannung zum nicht invertierenden Eingang des OPVs führt, liegt eine Gegenkopplung vor, weil der PNP-Transistor als Invertierung wirkt.

Beispielrechnung[Bearbeiten]

Nehmen wir folgende Beispielwerte:

Als erstes wollen wir die Ausgangsspannung berechnen:


Discret Voltage Regulator 002.svg

Das ist, ist nicht gut, weil nur sogenannte Rail-to-Rail Operationsverstärker so nahe an ihre Versorgungsspannung kommen und selbst dann, sind 0.6V Abstand zur Versorgungsspannung noch recht wenig. Ebenfalls heikel ist, dass eine kleinste Änderung von eine dramatische Änderung der Ausgangsspannung zur Folge hat. Will man diese Schaltung diskret Aufbauen oder simulieren, ist es schwierig die Schaltung stabil zu bekommen.

Limitierungen[Bearbeiten]

Im Gegensatz zum Regler mit NPN-Transistor, lassen sich mit diesem Regler kleine Dropout Spannungen erreichen. Die Dropout Spannung wird im Wesentlichen durch und die Regelreserve bestimmt. Die Schaltung hat aber natürlich auch Nachteile:

Ein Linear Regler mit PNP-Transistoren hat einen höheren Stromverbrauch, weil in den OPV fliesst:

Discret Voltage Regulator 005.svg

Des weiteren sind PNP-Transistoren allgemein schlechter als NPN-Transistoren, weil PNP-Transistoren auf der langsameren Löcherleitung basieren.

Schaltung 6[Bearbeiten]

Zopojeni stabilizatoru z diskretnich soucastek.svg

Wir nehmen an, dass niederohmiger wird. Wie reagiert die Schaltung?

Ursache/Wirkung Beschreibung
Annahme
und
Da und einen Spannungsteiler bilden
da
da
da
da Knotensatz bei Spannungsregler.svg
da
da

Nun ist noch die Frage, wie wir die Ausgangsspannung berechnen können. Wir können annehmen, dass und ungefähr konstant sind. Da und (Spannungsteiler):

gleichsetzen
Auflösen nach

Wieso ist R2 an der Ausgangsspannung -> Unabhängigkeit von Eingangsspannung.

Schaltung 7[Bearbeiten]

Discret Voltage Regulator 020.svg

T1 und T2 bilden eine Darlington-Schaltung. Die Darlington-Schaltung T1-T2 bildet mit dem Transistor T3 ein Sziklai-Paar (auch bekannt als Komplementär-Darlington-Schaltung).

Schaltung 8[Bearbeiten]

Discret Voltage Regulator 021.svg

Feldeffekt Transistoren[Bearbeiten]

Schaltung 4[Bearbeiten]

Simple Discret Voltage Regulator NMOS.svg

Der NMOS-Regler funktioniert im Prinzip wie der NPN Regler.

Schaltung 5[Bearbeiten]

Simple Discret Voltage Regulator PMOS.svg

Der PMOS-Regler funktioniert im Prinzip wie der PNP Regler.