In dieser Anleitung erfahren Sie, wie Sie mit wenigen Widerständen, einer Spannungsquelle und einem Transistor eine großartige Spannungsquelle herstellen. Es sind nur minimale Elektronikkenntnisse erforderlich!
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Schritt 1: Motivation
In einfachen Worten können wir an eine denken Stromspannung (oder genauer: Potentialdifferenz) als Energiequelle in einem Stromkreis. Was auch immer Ihre Last sein mag (iPhone, Lautsprecher usw.), Sie müssen Spannung bereitstellen, damit es funktioniert.
Angenommen, Sie haben eine Spannungsquelle, diese ist jedoch nicht einstellbar und Ihre Last benötigt eine geringere Spannung. Der einfachste Weg, dies zu beheben, ist ein Satz von zwei Widerständen, aus denen a besteht Spannungsteiler. Wenn Sie wissen, wie Spannungsteiler funktionieren, wissen Sie, wie ein Großteil der elektronischen Schaltungen funktioniert!
Schritt 2: Wie ein Spannungsteiler funktioniert - ein Beispiel
Der Spannungsteiler gibt einen Bruchteil der Eingangsspannung aus. Dieser Anteil wird durch die Beziehung zwischen zwei Widerständen bestimmt. Kirchoffsche Gesetze Sagen Sie uns, dass in einer Schaltung, die aus einer Eingangsspannung Vin und zwei Widerständen R1 und R2 besteht, die an R2 abgeführte Spannung gleich ist
Vin * R2 / (R1 + R2) .
Wenn wir unsere Last parallel zu R2 anschließen, können wir sie mit einer guten Auswahl von R1- und R2-Werten mit einer beliebigen Spannung (kleiner als Vin) versorgen.
Zum Beispiel, wenn Vin 15 Volt ist und R1 und R2 beide 100 Ohm sind (wie in der angehängten Datei) Spannungsteiler.pdf ), Vout = 15 * (100) / (200) = 7,5 V. Somit können wir eine Leistung von 7,5 Volt von einer festen 15 Volt-Quelle erhalten!
Schritt 3: Probleme mit Spannungsteilern als Spannungsquellen (oder eine Einführung in Sag)
Das thevenin Widerstand (was wir uns als Innenwiderstand einer Spannungsquelle vorstellen können) ist der Spannungsteiler
R1R2 / (R1 + R2) .
Obwohl es einfach genug wäre, einen Spannungsteiler zu bauen und ihn als Spannungsquelle zu verwenden, stoßen wir auf ein großes Problem. Die tatsächliche Spannung an der Last hängt eher vom Widerstand der Last ab.
Diese Abhängigkeit der Spannung vom Lastwiderstand ergibt sich durchhängen, was für eine Spannungsquelle nicht wünschenswert ist. Im Idealfall haben wir eine konstante Spannung an der Last, unabhängig von ihrem Widerstand. Wenn wir jedoch eine Last anschließen, müssen wir den Lastwiderstand und R2 parallel berücksichtigen. Um diese Widerstände zu addieren, folgen Sie einfach der Gleichung
1 / Req = 1 / R2 + 1 / R3 ,
Dabei ist 1 / R3 der Widerstand der Last. Dies ermöglicht es uns, den Widerstand der beiden zu addieren, da dies der äquivalente Widerstand dieser beiden Widerstände ist, die den eigentlichen Spannungsteiler bilden. Lassen Sie uns anhand der beiden Beispiele sehen, wie viel ein Spannungsteiler bei einer kleinen Last durchhängen kann.
Nehmen wir an, wir haben den gleichen Widerstand wie zuvor. Dieses Mal fügen wir jedoch eine 10-Ohm-Last hinzu. Anstelle des zweiten Widerstands im Spannungsteiler von 100 Ohm müssen wir den Parallelwiderstand berücksichtigen und den Req als unseren Widerstand verwenden.
Bei einem 10 Ohm und einem 100 Ohm Widerstand parallel beträgt der Ersatzwiderstand dann 9,09 Ohm (1/10 + 1/100 = .11, 1 / .11 = 9,09). Wenn dies als zweiter Widerstand im Spannungsteiler verwendet wird, erhalten wir einen Spannungsteiler, der 9,09 / 109,09 * 15 = 1,25 V ausgibt, deutlich weniger als die von uns gewünschten 7,5 Volt!
Was wir uns letztendlich wünschen, ist a steif Spannungsquelle oder eine, die den Spannungsausgang unabhängig vom Lastwiderstand nicht ändert.
Schritt 4: Transistoren lösen unser Problem - den Emitterfolger
Es stellt sich heraus, dass eine gute Lösung für dieses Problem eine spezielle Schaltung namens ist Emitter folgenr. Der Emitterfolger besteht aus Eingangsspannungen (die von derselben Quelle stammen können oder nicht) an der Base und Kollektor von dem, was wir a nennen Transistormit der Ausgangsspannung (und unserer Last) am Transistor Emitter.
Bei der Arbeit mit Transistoren sind zwei Faustregeln zu beachten.
1. Die Emitterspannung ist immer die Basisspannung abzüglich eines Abfalls von 0,6 V (für die Diode, die die Basis mit dem Emitter verbindet).
2. Der Strom vom Emitter ist immer gleich dem Strom vom Kollektor, der ungefähr 100-mal größer ist als der Strom von der Basis. ( Dies unterliegt gewissen Einschränkungen: Wenn die Kollektorquelle nicht genügend Spannung abgeben kann, um den Strom auf diesem Niveau zu halten, wird Ihre Last nicht die Spannung erhalten, die Sie versuchen, ihm zu geben. Auch die Spannung vom Kollektor muss immer ca. 0,2 V höher sein als die Spannung von der Basis. Sonst bricht der Transistor.)
Auf den ersten Blick wirkt der Emitterfolger wie eine nutzlose Schaltung. Unsere Ausgangsspannung ist einfach unsere Eingangsspannung abzüglich der 0,6 Volt, die wir durch den Transistor verlieren.
Der Emitterfolger kann jedoch sehr nützlich sein, um unsere Spannungsquelle zu "versteifen" (d. H. Den Durchhang zu verringern). Im Idealfall ist der Innenwiderstand einer Spannungsquelle minimal und unser Lastwiderstand maximal. Wir können uns dies als Spannungsquellen vorstellen, die Lasten mit einem großen Widerstand „mögen“ und Spannungsquellen mit einem geringen Innenwiderstand „mögen“.
Der Faktor von ~ 100 Stromunterschieden zwischen dem Emitter und der Basis bedeutet, dass der Widerstand unserer Spannungsquelle (in unserem Fall der Thevenin-Widerstand unseres Spannungsteilers) für unsere Last ~ 100 Mal kleiner aussieht, was hilft mit unserer sag Ausgabe!
Schauen wir uns noch einmal unser vorheriges Beispiel an, verwenden aber jetzt unsere Emitterfolger-Spannungsquelle. Dann ist Vout = Vin * (Rload) / (Rload + Rth / 100) = 15 * (10) / (10 + 50/100) = 15 * (10) / (10,5) = 14,28 V.
Schritt 5: Eine verdammt gute Spannungsquelle (oder zumindest viel besser)
Diese hier gezeigte Schaltung liefert einen steifen 5-V-Strom, der bei einem maximalen Strom durch die Last von 25 mA nur um 5% nachgibt. Dies sind im Allgemeinen gute Zahlen für die meisten Stromkreise, die Sie mit Strom versorgen, und die Zahlen können entsprechend Ihren Anforderungen geändert werden. Der zweite Widerstand außerhalb des Emitters verhindert, dass die Last explodiert. Um zu verhindern, dass dieser zweite Widerstand Ihr Design beeinflusst, möchten Sie diesen Widerstand deutlich höher als den Widerstand der Last halten (siehe die Gleichungen für den parallelen Widerstand, falls dies keinen Sinn ergibt).
