{"id":52937,"date":"2023-01-08T13:36:11","date_gmt":"2023-01-08T12:36:11","guid":{"rendered":"https:\/\/botland.com.pl\/blog\/stabilizator-napiecia-jak-to-dziala\/"},"modified":"2024-11-04T15:29:27","modified_gmt":"2024-11-04T14:29:27","slug":"spannungsstabilisator-wie-funktioniert-er","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/botland.de\/blog\/spannungsstabilisator-wie-funktioniert-er\/","title":{"rendered":"Spannungsstabilisator – Wie funktioniert er?"},"content":{"rendered":"Lesezeit<\/span> 8<\/span> min.<\/span><\/span>\t\t
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In der Robotik ist eine stabile Spannung<\/strong> von gr\u00f6\u00dfter Bedeutung, und ein integrierter Schaltkreis<\/strong><\/a> in Form eines Spannungsstabilisators<\/strong> dient diesem Zweck. Dieses kleine, dreibeinige Objekt ist so konzipiert, dass es an seinem Ausgang eine bestimmte Gleichspannung aufrechterh\u00e4lt. Die einzelnen Modelle arbeiten auf der Grundlage einer negativen R\u00fcckkopplung und sind daher \u00fcber einen relativ gro\u00dfen Bereich gegen die meisten Spannungsspitzen immun. Es lohnt sich, sie aus der N\u00e4he kennen zu lernen, denn ihr Einsatz ist in einigen F\u00e4llen, insbesondere in der Robotik, absolut notwendig.<\/p>\n\n\n\n

Was ist ein integrierter Schaltkreis?<\/h2>\n\n\n\n

Ein integrierter Schaltkreis ist ein elektronischer Schaltkreis mit einem miniaturisierten Design und einer monolithischen Struktur aus Silizium, einem Halbleiter-Einkristall. ICs werden in zwei Gruppen unterteilt – monolithische<\/strong> und hybride.<\/strong> Monolithische Modelle, bei denen sich alle Komponenten (aktive und passive) innerhalb der monokristallinen Halbleiterstruktur befinden, und hybride Modelle, die sich in Form und Struktur deutlich unterscheiden. Schichten aus leitendem und widerstandsbehaftetem Material werden auf eine Platine aus Isoliermaterial aufgebracht. Sp\u00e4ter werden die Materialien ge\u00e4tzt, um das richtige Verbindungssystem zu bilden.<\/p>\n

\"integrierte<\/p>\n\n\n\n

Die gebr\u00e4uchlichste Form monolithisch integrierter Schaltkreise ist sehr komplex, da bei ihrer Herstellung rund 350 Prozessschritte f\u00fcr verschiedene Zwecke durchgef\u00fchrt werden. Interessanterweise weisen moderne Modelle dieser Schaltungen eine extrem geringe Widerstandskanall\u00e4nge von einigen Mikro- oder Nanometern auf. <\/p>\n\n\n\n

Was ist ein Spannungsstabilisator?<\/h2>\n\n\n\n

Ein Spannungsstabilisator ist ein elektronisches Ger\u00e4t, eigentlich ein integrierter Schaltkreis, der die korrekte Gleichspannung aufrechterhalten soll.<\/strong> Er sollte unabh\u00e4ngig von der Netzlast und von Spannungsschwankungen arbeiten und so weitere Teile der Elektronik sch\u00fctzen. Der Prozess des Schutzes beruht auf einer negativen R\u00fcckkopplung. Die Stabilisatoren schlie\u00dfen mit drei F\u00fc\u00dfen unterschiedlicher Gr\u00f6\u00dfe und Form ab, und der obere Teil des Stabilisators ist ein monolithisches Geh\u00e4use, in das alle Komponenten des jeweiligen Stabilisators eingebettet sind. Es handelt sich in der Regel um einen Halbleiter-Einkristall in Form von Silizium, der sich durch eine hohe Festigkeit und hervorragende praktische Eigenschaften auszeichnet.<\/p>\n\n\n\n

Eine stabile Spannung zeichnet sich dadurch aus, dass sie unabh\u00e4ngig<\/strong> von der vorherrschenden Temperatur oder Stromaufnahme unver\u00e4nderlich ist. Es ist wichtig zu wissen, dass jedes elektrische Ger\u00e4t die Spannung auf ziemlich unvorhersehbare Weise abgibt und ihre Schwankungen typisch sind, so dass die Spannung haupts\u00e4chlich innerhalb bestimmter Grenzen und Bereiche bestimmt wird. Leider funktionieren die Schaltkreise am besten mit einer stabilen Stromversorgung, so dass spezielle Spannungsstabilisatoren verwendet werden m\u00fcssen, um sie mit dieser zu versorgen.<\/p>\n\n\n\n

Die drei Leitungen jedes Stabilisators dienen nacheinander als Eingang<\/strong>, Masse<\/strong> und Ausgang<\/strong>, und die Funktion kann mit Kondensatoren, einer 9-V-Batterie und einem Multimeter \u00fcberpr\u00fcft werden, das in diesem Fall unter anderem als Voltmeter dient. Die Stromversorgung wird zwischen der Eingangsklemme und GND angeschlossen, der Stromkreis zwischen GND und der Ausgangsklemme. Die Spannungswerte, die nach Erh\u00f6hung des Stroms aus dem Stromkreis (z. B. zur Versorgung der Dioden mit Widerst\u00e4nden, d. h. etwa 20 mA) gemessen werden, sollten vor und nach dem Anschluss der Dioden identisch sein. Ein Spannungsstabilisator soll Ungenauigkeiten und Schwankungen “im Vorbeigehen” ausgleichen und gleichzeitig die wertvolle Elektrik vor Sch\u00e4den und St\u00f6rungen sch\u00fctzen. In der Regel verwenden Arduino-basierte Projekte eine Spannung von 5 V.<\/p>\n\n\n\n

Was ist eine R\u00fcckkopplung?<\/h2>\n\n\n\n

Jeder Spannungsstabilisator reagiert auf eine \u00c4nderung der Gleichspannung mit einer R\u00fcckkopplung<\/strong>, die dazu dient, Schwankungen zu reduzieren und zu normalisieren<\/strong>. Es handelt sich um einen Prozess, bei dem die Ausgangssignale kontinuierlich mit den Eingangssignalen interagieren, was unter anderem mit einem Kopfh\u00f6rer mit aktiver Schalld\u00e4mpfung verglichen werden kann. Sowohl beim Spannungsstabilisator als auch bei den oben erw\u00e4hnten Kopfh\u00f6rern erfolgt die Verringerung der Unannehmlichkeiten durch Neutralisierung mit der entgegengesetzten Kraft. Im Falle von Kopfh\u00f6rern sind dies T\u00f6ne mit einer Frequenz und Intensit\u00e4t, die das Unbehagen in einer lauten Umgebung verringern. Der Spannungsstabilisator hingegen \u00fcberwacht st\u00e4ndig die Ausgangsspannung und gleicht sie mit der Referenzspannung ab, um ein Steuersignal zu erzeugen, das den Schwankungen der Ausgangsspannung entgegenwirkt, wenn die Versorgungsspannung schwankt.<\/p>\n\n\n\n

Grundlegende Parameter von Spannungsstabilisatoren <\/h2>\n\n\n\n

Einer der wichtigsten Parameter von Spannungsstabilisatoren ist die garantierte Stabilisierungsspannung<\/strong>. Dies ist die Eingangsspannung, in deren Bereich ein bestimmtes Ger\u00e4t einen garantierten Spannungspegel am Ausgang liefert. Ein ebenso wichtiger Parameter ist die Betriebsspannung des Stabilisators.<\/strong> Er definiert den Eingangsspannungsbereich, in dem die Stabilisierung erfolgt. Allerdings kann der Ausgangsspannungsbereich selbst v\u00f6llig au\u00dferhalb des garantierten Spannungsbereichs liegen, was zu ber\u00fccksichtigen ist. Weitere grundlegende Parameter von Spannungsstabilisatoren sind die garantierte Ausgangsspannung<\/strong> sowie die Stabilisierungsrate<\/strong>, die bestimmt, wie lange es dauert, bis der Stabilisator nach einem Spannungsabfall wieder die Ausgangsspannung erreicht.<\/p>\n\n\n\n

Arten von Spannungsstabilisatoren<\/h2>\n\n\n\n

Es gibt drei Arten von Spannungsstabilisatoren auf dem Markt, n\u00e4mlich den linearen Stabilisator<\/strong><\/a>, den Impulsstabilisator<\/strong> und den LDO-Stabilisator.<\/strong> Alle drei unterscheiden sich erheblich voneinander, vor allem in Bezug auf Funktionalit\u00e4t und Leistung, und funktionieren in v\u00f6llig unterschiedlichen elektrischen Systemen. In den meisten F\u00e4llen werden lineare Stabilisatoren verwendet, die zu den am weitesten verbreiteten Produkten geh\u00f6ren, aber manchmal besteht auch Bedarf an einem Impuls- oder Low-Drop-Out-Modell.<\/p>\n\n\n\n

Impuls-Stabilisatoren<\/h2>\n\n\n\n

Impulsstabilisatoren<\/strong>, auch Wechselrichter<\/strong> genannt, erm\u00f6glichen es, eine h\u00f6here stabile Ausgangsspannung als die von der Stromquelle gelieferte Spannung zu erzeugen. Ein solches Vorgehen beruht auf dem Ph\u00e4nomen der Selbstinduktion. Dabei handelt es sich um ein elektromagnetisches Ph\u00e4nomen, das auftritt, wenn eine elektromotorische Kraft in demselben Stromkreis wie der durch das System flie\u00dfende Strom erzeugt wird, was zu einer Induktion f\u00fchrt. Dadurch entsteht eine elektromotorische Kraft, die \u00c4nderungen des elektrischen Stroms entgegenwirkt. Damit steht ein Element zur Verf\u00fcgung, das die Spannung – je nach Bedarf – erh\u00f6ht oder senkt.<\/p>\n\n\n\n

Die Wechselrichter zeichnen sich durch einen kontinuierlichen Betrieb aus und haben die Vorteile einer schnellen Reaktion und eines geringen Ger\u00e4uschpegels w\u00e4hrend des Betriebs. Wie alles haben jedoch auch die Impulsstabilisatoren ihre Schw\u00e4chen, zu denen der geringe Wirkungsgrad aufgrund des ununterbrochenen Stromverlusts an den Exekutivtransistor geh\u00f6rt.<\/p>\n\n\n\n

Lineare Stabilisatoren<\/h2>\n\n\n\n

Lineare Stabilisatoren sind daf\u00fcr zust\u00e4ndig, eine stabilisierte Spannung von der Stromquelle an die Last zu liefern.<\/strong> Ihre charakteristischen Merkmale sind sicherlich Zuverl\u00e4ssigkeit<\/strong>, Langlebigkeit<\/strong> und niedrige Anschaffungskosten<\/strong>. Allerdings haben diese Ger\u00e4te auch ihre Nachteile. Dazu geh\u00f6rt vor allem die freigesetzte W\u00e4rme, die proportional zur Spannungsdifferenz zwischen Eingang und Ausgang ist. Dies ist jedoch kein un\u00fcberwindbares Problem, denn es wird lediglich ein geeigneter K\u00fchlk\u00f6rper ben\u00f6tigt, der die W\u00e4rme von den Schaltkreisen ableitet.<\/p>\n\n\n\n

Linearstabilisatoren lassen sich in vier Gruppen einteilen:<\/strong><\/p>\n\n\n\n