Grundschaltungen

Vorwort

Ich möchte hier für alle Anfänger eine Sammlung mit den wichtigsten Grundschaltungen erstellen. So könnt Ihr diese Seite immer als Nachschlagewerk benutzen. Dabei versteht es sich natürlich von allein, dass diese Seite nach und nach mit Inhalt gefüllt werden muss. Ich werde immer wenn sich die Gelegenheit bietet und ich etwas Zeit übrig habe versuchen die Sammlung zu erweitern.

Unbelasteter Spannungsteiler

Unbelasteter Spannungsteiler

Im nebenstehenden Schaltplan sehen Sie einen typischen unbelasteten Spannungsteiler. Wie der Name dieser Schaltung schon verrät wird diese Schaltung dazu verwendet eine Spannung zu teilen. Diese Schaltung ist eigentlich nichts besonderes aber sie ist so allgegenwärtig, dass sie hier unbedingt aufgeführt werden sollte! Wir verwenden diese Schaltung zum Beispiel dafür um eine Spannung, welche gemessen werden soll, in eine leichter zu verarbeitende Größe zu teilen. Nehmen wir an wir wollen ein Spannungsmessgerät bauen und wollen dies mit einem Mikrocontroller realisieren was ja naheliegend ist. Nun kann ein Mikrocontroller an seinen Eingängen aber nur maximal 5V verarbeiten. Aber 5V sind nicht wirklich ausreichen für ein Spannungsmessgerät. Wir wollen im Bereich bis maximal 300V messen. Nun haben wir mit einem Spannungsteiler die Möglichkeit diesen Spannungsbereich auf den des µC herunter zu teilen. Man geht dabei wie folgt vor:

Die maximal zu messende Spannung (300V) muss auf 5V herab geteilt werden also muss unser Spannungsteiler ein Verhältnis haben von 60 zu 1. Was bedeutet Spannungsleiterverhältnis? Ganz einfach das Verhältnis der beiden Widerstände (Spannungen) zueinander. Hat der obere Widerstand 60 Ohm und der untere Widerstand 1 Ohm so hätten wir unser gewünschtes Verhältnis von 60:1. Aber vorsichtig! Wir wählen die Widerstände natürlich größer als 60 und 1 Ohm, da dies die Spannungsquelle zu sehr belasten würde. Außerdem beachte man ein Spannungsmessgerät darf die Spannungsquelle "nicht" belasten. Also umso größer der Widerstand desto besser. Nun würde eine Messspannung von 300V auf 5V herunter geteilt werden und der PIC hätte keine Probleme mit der Spannung. Nach einer Umrechnung (Teileverhältnis) im PIC könnte man wiede die 300V errechnen und zum Beispiel auf einem Display ausgeben. Das wäre ein typisches Beispiel für einen Spannungsteiler. Ein Spannungsteiler muss sich natürlich nicht nur auf zwei Widerstände beschränken. Es können "unendlich" viele Widerstände in Reihe geschaltet werden.

Folgende Formeln können Sie verwenden:

U1/R1 = U2/R2 U2 = U1/R1 * R2 U1 = U2/R2 * R1 Gesamtstrom = Gesamtspannung / (Gesamtwiderstand) Ig = Ug / (R1+R2)

Tipp: In einer Reihenschaltung gibt es nur einen Strom!

Belasteter Spannungsteiler

Belasteter Spannungsteiler

Hier wird ein belasteter Spannungsteiler dargestellt. Im Prinzip ist es das selbe wie bei dem unbelastetem Spannungsteiler bis auf den kleinen Unterschied, dass der untere Teil des Teilers noch belastet wird durch den Widerstand R3. Dadurch ändert sich die Berechnung der Teilspannung, da nun zum Widerstand R2 noch ein Parallelwiderstand R3 hinzu kommt, welcher bei der Berechnung natürlich berücksichtigt werden muss! Streng genommen ist der Mikrocontroller, welchen wir bei dem unbelasteten Spannungsteiler als "Spannungsmessgerät" an den Teiler angeschlossen haben, auch eine Belastung für den Spannungsteiler aber in Hinsicht darauf, dass ein Eingang eines µC einen sehr hohen Widerstand hat ist die Belastung zu vernachlässigen.

Folgende Formeln können Sie verwenden ( ‖ symbolisiert Parallel):

U1/R1 = U2 / (R2 ‖ R3) U2 = U1/R1 * (R2 ‖ R3) Ig = Ug / (R1+ (R2 ‖ R3))

Achtung: Hier gibt es drei verschiedene Ströme!

Spannungsstabilisator

Spannungsstabilisator

Sicherlich kennen die meisten diese Schaltung schon. Ich möchte sie hier dennoch aufführen, da sie ja ständig zum Einsatz kommt. Erst einmal ein paar Worte zum Nutzen der Schaltung, für diejenigen, welche noch nicht mit dieser vertraut sind. Genauer gesagt müsste die Schaltung Spannunngsstabilisierungs-Schaltung heißen, denn genau das macht sie. Das Spannungsstabi (kurz Stabi) ist nur das zentrale Bauelement der Schaltung. Sie setzte eine hohe Eingangsspannung in eine konstante Ausgangsspannung um. Die wohl gängigsten Ausgangsspannungen sind: 3,3V, 5V und 12V. Des weiteren gibt es auch noch den LM317, dessen Ausgangsspannung kann in der Höhe geregelt werden durch entsprechende Beschaltung. Dabei können sie Ausgangsspannung positiv und auch negativ sein. Wir befassen uns mit einem 5 Volt Stabi. Die Beschaltung ist jedoch bei allen gleich. Eine denkbare Anwendung für ein 5V Stabi ist zum Beispiel der Einsatz von von Logikbauteilen in einem elektrischen Gerät. Zum Beispiel eine Zylindersteuerung: Wir brauchen natürlich die 5V für den Mikrocontroller aber auch (z.B.) 12V für Relais, welche höhere Lasten schalten. Nun könnte man mit einem Stabi die 5V für den µC aus den vorhandenen 12V des Lastkreises gewinnen.

Es gibt dabei aber ein paar Dinge zu beachten: Es muss dafür gesorgt werden, dass der LM7805 (Stabi) nicht ins Schwingen gerät. Das bedeutet, dass der 7805 Hochfrequente Störungen erzeugt und infolge dessen die Ausgangsspannung kleiner, größer, Lastabhängig oder beides sein kann. Deshalb werden oft kleine Keramikkondensatoren, so nah wie möglich (wenige cm), an die Beinchen des 7805 gelötet um den Stabi vor den Leitungsinduktivitäten zu "schützen". Des Weiteren kann man noch einen kleinen Elko an die Eingangsseite anschließen, wenn man weiß, dass die Versorgung auch mal Schwanken kann, dies verbessert das Stabilisierungsverhalten. Manchmal sieht man auch einen Elko am Ausgang der Schaltung, was bei Impulsbetrieben für eine ebenfalls bessere Stabilisierung sorgt. Dies ist aber in der Regel nicht notwendig.

Der zweite Punkt und der ist mindestens genauso wichtig, wenn nicht noch wichtiger --> Verlustleistung berechnen! Ein Stabi hat selbstverständlich auch Grenzen. So kann er nicht 5V aus 60V erzeugen. Das würde bedeuten er muss 55V in Wärme umwandeln, denn nichts anderes macht ein Stabi mit der überflüssigen Energie. Wenn man dann noch annimmt, dass die nachgeschaltete Spannung evtl. 100mA verbraucht, dann ist das eine Verlustleistung von 5,5 Watt und würde den Stabi mehr als Überfordern. Also folgendes gilt: Wenn Sie eine Spannung stabilisieren möchten kalkulieren Sie wie viel Strom ihre Schaltung benötigt. Dann überprüfen sie die Verlustleistung am Stabi indem sie das Spannungsdelta (Eingangsspannung - Ausgangsspannung) mit dem Strom multiplizieren. Das Ergebnis ist die Verlustleistung in Watt. Im Datenblatt können sie nachlesen ob diese zulässig ist. Liegt der Wert nur leicht über dem zulässigen können sie mit einem Kühlkörper entgegen steuern!

Ein weiterer Hinweis an den ich selber gar nicht mehr gedacht hatte: Man sieht oftmals über dem Stabi eine Diode, welche in Sperrrichtung geschaltet ist. Also Kathode an den Eingang des 78XX und die Anode an den Ausgang. Die Diode soll das Stabi vor "Rücklaufströmen" schützen. Wenn z.B. am Ausgang des Stabis Kapazitäten (also Kondensatoren) hängen und die Betriebspannung abgeschaltet wird, dann speichert der Kondensator die Spannung noch für eine gewisse Zeit und für diese Zeit ist das Potential am Stabi Ausgang höher als am Stabi Eingang. Der Strom der jetzt durch das Stabi fließen würde könnte das Stabi beschädigen.

Tipp: Wenn die Verlustleistung zu groß wird, dann mal nach Schaltreglern suchen! Folgende Formeln können Sie verwenden:

Verlustleistung = Entnommener Strom * Spannungsdelta Spannungsdelta = Eingangsspannung - Ausgangsspannung

LED plus Vorwiderstand

LED Vorwiderstand

Der Klassiker: Wie berechnet man den Vorwiderstand für eine Leuchtdiode (kurz LED)? Nun es ist wirklich nicht viel dabei. Etwas Datenblatt lesen und das Ohmsches Gesetzt anwenden und schon ist der Drops gelutscht. Aber nun schauen wir es uns doch einmal an. Warum brauch eine LED eigentlich einen Vorwiderstand? Natürlich um den Strom durch die LED zu begrenzen. Denn angenommen wir würden keinen Widerstand vor die LED platzieren, dann würde sich die LED soviel Strom nehmen, wie die Quelle hergeben kann und das würde die LED zerstören. Also eine LED wird immer mit einem Vorwiderstand betrieben! Doch woher weiß man nun wie der Vorwiderstand zu dimensionieren ist? Das ist eigentlich ganz einfach man muss nur ermitteln welche Spannung an ihm abfallen und welcher Strom durch ihn hindurch fließen soll, welches ja der selbe Strom ist, der durch die LED fließt da es in einer Reihenschaltung nur einen Strom gibt.

LED Aufbau

Und die Spannung, welche am Vorwiderstand abfallen soll ist die, um die die Quellspannung verringert werden muss, damit die Flussspannung der LED stimmt. Der Strom der durch die LED fließt wird IF genannt (Forward current oder Durchlassstrom). Die Spannung welche an der LED maximal abfallen darf/soll heißt UF und steht für Forward voltage (oder Durchlassspannung). Also ein Beispiel wir haben eine 9 Volt Blockbatterie und wollen eine LED mit IF=20mA und UF=3V an dieser Batterie betreiben. Wie groß muss der Vorwiderstand sein?

Richtig: 300 Ohm! Weil die LED verkraftet 3V die Batterie hat aber 9V also müssen am Widerstand 6V abfallen und die LED benötigt einen Strom von 20mA. Also gilt: R=U/I --> R=6V/20mA = 300 Ohm. Noch einen kleinen Hinweis am Rande: Natürlich gibt es in der Realität keinen Widerstand mit dem Wert 145 Ohm oder 300 Ohm. Es gibt die so genannten Norm-reihen. Welche periodische Abstände zwischen Widerstandswerten vorgeben. Man muss sich dann für den Wert entscheiden der in der nähe liegt. Wenn man sich allerdings beim LED Strom schon am obersten Maximum befindet (sollte man vermeiden), dann ist natürlich der nächst höhere Wert zu wählen.

Download: LED Vorwiderstandsrechner in Pascal

Folgende Formeln können Sie verwenden:

Vorwiderstand = (Quellspannung - Durchlassspannung) / Durchlassstrom

Treiberstufe

LED an PIC

Mit einer Treiberstufe können wir große Lasten von unserem Mikrocontroller schalten. Ein typischer Mikrocontroller IO (Pin) kann im Durchschnitt um die 25mA Strom fördern. Das reicht nur für kleine Dinge aus wie etwa einer "normalen" grün/gelben/roten LED. Doch selbst bei Leuchtdioden verwende ich oftmals eine Treiberstufe zur Ansteuerung. Denn ein PIC hat nicht nur eine Begrenzung für den Strom pro IO, sondern auch einen maximal zulässigen Strom für den ganzen PIC. Aber das ist ein anderes Thema. Die LED in dem Schaltplan (links) ist nur stellvertretend zu verstehen. Ein PIC kann natürlich viele verschiedene Lasten steuern. Wenn die Lasten richtig groß werden soll, kann ein PIC auch ein Relais ansteuern, welches dann wiederum die höhere Last steuert. Der Vorteil einer Treiberstufe liegt darin, dass der PIC nur mit einem extrem geringem Strom belastet wird und somit keine Belastung / Gefahr vor Übelastung entsteht.

Die Schaltung zeigt eine Emitterschaltung. Der Mikrocontrollerpin, welcher anschließend die LED (...) steuern soll, wird über einen Basiswiderstand an die Basis des Transistors geschaltet. Wenn der PIC an seinem IO 0V ausgibt, was einem low entspricht, dann ist die Spannung an der Basis des Transistors genau so groß wie die am Emitter - nämlich 0V, da sie nun beide mit Masse verbunden sind. Ein NPN-Transistor schaltet seine Kollektor-Emitter Strecke leitend, sobald das Potential an B (Basis) um ca. 0,6V größer ist als das am E (Emitter). Und wenn die C-E Strecke leitend ist, kann durch die LED ein Strom fließen und sie zum Leuchten bringen. Sprich, wenn der PIC den Ausgang auf High setzt und somit 5V am Ausgang hat, wird der Transistor leitend. Da dieser Vorgang mit Strom gesteuert wird fließt von der Basis des Transistors ein Strom ab zum Emitter. Jetzt ist auch klar warum man einen Basiswiderstand benötigt, da sonst ein Kurzschluss von den 5V des IO (PIC) und der Masse entstehen würde.

Autoren

Nico 16:47, 19. Aug. 2011 (CEST)