Spannungsstabilisierung

Unter Spannungsstabilisierung versteht man in der Elektrotechnik und Elektronik das Stabilisieren, daher das Konstanthalten der elektrischen Spannung trotz variablem Strom.

Einleitung

Das Stabilisieren von Spannungen wird beim Einsatz von elektrischen Bauelementen und elektronischen Komponenten erforderlich, welche stabile Spannungen von beispielsweise 5 V benötigen. Primitive elektrische Schaltungen wie beispielsweise eine handelsübliche Glühlampe können durchaus Spannungsschwankungen zulassen, bei hochintegrierten Schaltungen (ICs), etwa Prozessoren, können aber bereits kleine Spannungsschwankungen zu Fehlfunktion oder Versagen der Komponenten führen.

Formen und Anwendung

Generell werden solche Maßnahmen bei den bereits erwähnten empfindlichen elektronischen Schaltkreisen eingesetzt. Auch sind solche festigenden Mittel vonnöten, sofern kurzzeitig große Ströme entstehen, wie beim Einsatz von größeren induktiven Lasten wie Motoren oder ähnlichem (Einschaltstrom).

Bei Gleichspannung verwendet man elektrische Komponenten wie Kondensatoren, Z-Dioden oder Spannungsregler.

Kenngrößen

Stabilisierungsfaktoren

Die Stabilisierungsfaktoren charakterisieren den Einfluss der Schaltung auf Schwankungen der Urspannung U₀.

Die Spannungsstabilisierung arbeitet umso besser, je größer der Stabilisierungsfaktor und je kleiner der Innenwiderstand r_i ist.

Absolut

Der absolute Stabilisierungsfaktor oder Glättungsfaktor ist definiert als:

$G = g = \frac{\Delta U_{0}}{\Delta U_{\mathrm{a}}}$ (bei Nennlast).

Relativ

Der relative Stabilisierungsfaktor ist:

$\begin{align} S & = \frac{\frac{\Delta U_{0}}{U_{0}}}{\frac{\Delta U_{\mathrm{a}}}{U_{\mathrm{a}}}} & = \frac{\Delta U_{0}}{\Delta U_{\mathrm{a}}}\frac{U_{\mathrm{a}}}{U_{0}} & = G \cdot \frac{U_{\mathrm{a}}}{U_{0}} \end{align}$ (bei Nennlast).

Innenwiderstand

Der Innenwiderstand berechnet sich nach:

$r_{\mathrm{i}} = \frac{\Delta U_{\mathrm{a}}}{\Delta I_{\mathrm{L}}}$ für U₀ = konstant.

Glätten

Herstellung von Gleichspannung
oben: Sinusförmige Wechselspannung
darunter: pulsierender Gleichstrom nach Einweg- respektive Zweiweggleichrichtung

Mit „Glätten“ bezeichnet man das Umwandeln einer pulsierenden Gleichspannung, wie sie beispielsweise beim Gleichrichten entsteht, in eine möglichst konstante Gleichspannung.

Das Glätten wird häufig durch Kondensatoren (Glättungskondensatoren) erreicht, die parallel zur Quelle der pulsierenden Spannung (Gleichrichter) geschaltet werden. Bei ausreichend hoher Kapazität können sie viel Ladung aufnehmen, ohne dass die Spannung zu stark steigt (Ladekondensator). Sobald die Spannung sinkt, kann die gespeicherte Ladung wieder abgegeben werden, ohne dass die Spannung zu stark einbricht. Somit üben sie eine puffernde und damit konsolidierende Wirkung auf die angeschlossene Spannungsquelle aus. Trotzdem ist die entstehende Gleichspannung oft noch nicht vollständig frei von Wechselspannungsanteilen, man spricht von Restwelligkeit (Brummspannung). Zweiweggleichrichtung hat den Vorteil, dass sich die Frequenz verdoppelt und deshalb der Filteraufwand sinkt.

Zum weiteren Glätten der Spannung werden zusätzlich auch Drosseln verwendet. Sie werden in den Strompfad eingeschaltet (Reihenschaltung). Weil ihre Induktivität den Stromschwankungen entgegenwirkt, helfen sie, die Restwelligkeit weiter zu verringern und so die Ausgangsspannung zu glätten. Nachteilig sind Gewicht und Volumen.

Z-Dioden beziehungsweise Zener-Dioden können eingesetzt werden, um Spannungen zu begrenzen, die einen bestimmten Wert überschreiten (die Zener- oder Z-Spannung). Sie können auch Restwelligkeit verringern. Zener- (Z-)Dioden müssen mit einem Vorwiderstand betrieben werden, an welchem die Spannungsschwankungen abfallen. Parallel zur Zener-Diode wird die weiter geglättete (und verringerte) Spannung abgenommen.

Wichtig: Z-Dioden können nur die Restwelligkeit verringern, indem sie Überspannung beseitigen. Unterspannungen können sie nicht ausgleichen. Darum können sie nur für solche Spannungen eingesetzt werden, die bereits vorgeglättet wurden; beispielsweise mit einem Kondensator.

Als besonders wirksame Methode zum Glätten hat sich der Einsatz elektronischer Spannungsstabilisatoren etabliert. Diese werden direkt mit dem Ladekondensator verbunden und verringern die Restwelligkeit sehr stark. Elektronische Spannungsstabilisatoren gibt es in großer Zahl und Bauart: Festspannungsregler, Regler für kleine und große Ströme und auch mit einstellbarer Ausgangsspannung.

Glättungsfaktor

Siehe: absoluter Stabilisierungsfaktor!

Sieben

Siebung wird oft gleichbedeutend mit Glätten gesehen – siehe auch: Glättungskondensator. Es kann aber auch das Trennen von Wechselspannungen (-strömen) sehr unterschiedlicher Frequenz Siebschaltungen gemeint sein.

Das Beseitigen von hochfrequenten Störspannungen auf einer niederfrequenten (Netz-)Spannung wird oft als Siebung bezeichnet.

Dabei kann es das Ziel sein, das Eindringen hochfrequenter Störungen in ein Gerät (Empfänger) zu verhindern. Auch der umgekehrte Fall kommt vor. Die Anschlüsse eines Schaltnetzteil werden üblicherweise mit „Siebgliedern“ versehen, die das Austreten hochfrequenter Störspannungen aus dem Gerät verhindern sollen.

Typische Siebschaltungen sind als Tiefpass ausgeführt.

Siebschaltungen arbeiten typischerweise in einem breiten Frequenzbereich und sind nicht sehr selektiv. Sie sollen ja ein breites Frequenzband (Frequenzgemisch) unterdrücken oder „heraussieben“.

Im Gegensatz dazu stehen schmalbandige Filterschaltungen (Schwingkreise, Bandfilter etc.), die verwendet werden, um aus mehreren Frequenzen (Funksignalen) eine bestimmte Frequenz (einen Sender) zu filtern. Die gefilterten Signale werden üblicherweise zur weiteren Verarbeitung verstärkt (Verstärkung).

Siebfaktor

Der Siebfaktor s gibt an, wie viel mal größer die Welligkeitsspannung (Brummspannung) am Eingang des Siebglieds $U_{\mathrm{w}\, 1} = U_{\mathrm{Br}\, 1}$ ist als am Ausgang $U_{\mathrm{w}\, 2} = U_{\mathrm{Br}\, 2}$:

$s = \frac{U_{\mathrm{w}\, 1}}{U_{\mathrm{w}\, 2}} = \frac{U_{\mathrm{Br}\, 1}}{U_{\mathrm{Br}\, 2}}\, .$

Siehe auch

• Restwelligkeit
• Stromstabilisierung/Überlastschutz
• Integrierte Schaltung
• Einschaltströme
• Siebschaltung

Literatur

• Adolf J. Schwab: Elektroenergiesysteme – Erzeugung, Transport, Übertragung und Verteilung elektrischer Energie. Springer Verlag 2006, ISBN 3-540-29664-6.
• Klaus Beuth sowie Wolfgang Schmusch: Elektronik 3. Grundschaltungen. 10., erweiterte Auflage. Vogel-Fachbuch, Würzburg 1990, ISBN 3-8023-0555-8. S. 45–50 + S. 188–209 (448 S.).

Weblinks

• Elektronik-Kompendium:
  • Einsatz und Bauweise von Glätt- und Siebschaltungen
  • Spannungsstabilisierung durch den Einsatz von Z-Dioden
  • Spannungsregelung mit elektronischer Brummsiebung