Grundlagen der Elektronik: Netzteile und Oszillatoren

Stromversorgung

Elektronische Geräte sind in der Lage, die Wechselspannung des industriellen Vertriebsnetzes (50 Hz) in eine zur Versorgung elektronischer Geräte benötigte Spannung umzuwandeln.

Schaltnetzteil (Switched Power Supply)

Ein Schaltnetzteil ist ein elektronisches Gerät, das elektrische Energie mithilfe von Schalttransistoren umwandelt. Während ein Spannungsregler Transistoren im aktiven Verstärkungsbereich verwendet, schalten Schaltnetzteile dieselben Schalter bei hohen Frequenzen (typischerweise 20–100 kHz) zwischen Sperrgebiet (offen) und Sättigung (geschlossen).

Nachteile von Schaltnetzteilen (im Vergleich zu Linearen Netzteilen)

Schaltnetzteile sind komplexer und erzeugen hochfrequentes elektrisches Rauschen, das sorgfältig minimiert werden muss, um Störungen an umliegenden Geräten zu vermeiden.

Größe und Gewicht

Der lineare Transformator ist in der Regel schwerer als der umgewandelte (d. h., der Transformator in einem Schaltnetzteil ist kleiner und leichter).

Lineare Netzteile (Linear Power Supplies)

Lineare Netzteile folgen diesem Muster:

1. Transformation
2. Gleichrichtung (Korrektur)
3. Filterung
4. Regelung (Verordnung)

Transformation

Der Transformator wird verwendet, um die Spannung des Vertriebsnetzes (220 V RMS, 50 Hz) für das Netzteil zu reduzieren und den Rest der Schaltung zu isolieren. Er besitzt zwei Wicklungen (primär und sekundär) auf demselben magnetischen Kern, wodurch eine Leistungsübertragung durch elektromagnetische Induktion ermöglicht wird.

Gleichrichtung (Korrektur)

Dies ist der Prozess, bei dem der sekundäre Wechselstrom in eine Richtung (oder in Pulse) umgewandelt wird. Die Gleichrichtung kann erfolgen als:

• Halbwellengleichrichtung: Der sekundäre Strom fließt nur in eine Richtung durch die Diode. Der Laststrom fließt daher immer in die gleiche Richtung.
• Vollwellengleichrichtung: Bestehend aus vier Dioden (Brückenschaltung). Der Strom zirkuliert durch die Last (R_L) immer in die gleiche Richtung, und es gibt keine Unterbrechungen wie beim Einweggleichrichter.

Filterung

Sobald wir das gleichgerichtete Signal erhalten, das noch Wechselspannungskomponenten enthält, erfolgt die Filterung, um diese Komponenten zu beseitigen und ein kontinuierliches Signal zu erhalten. Dies wird durch einen Kondensator parallel zur Last (R_L) erzielt.

Regelung (Verordnung)

Die Regelung sorgt dafür, dass die Quelle eine niedrige Ausgangsimpedanz aufweist. Gleichzeitig wird die Restwelligkeit reduziert.

Reglertypen

• Zenerdiode als Spannungsreferenz
• Leistungstransistoren (für große Ausgangsströme)
• Regler mit Operationsverstärker
• Integrierte Regler

Oszillatoren

Ein Oszillator ist eine Schaltung, die in der Lage ist, Gleichstrom in einen Strom umzuwandeln, der sich in regelmäßigen Abständen zeitlich ändert (periodischer Strom). Diese Schwingungen können Sinus-, Rechteck-, Dreieck- oder andere Formen annehmen, abhängig von der erzeugten Wellenform. Er ist im Grunde ein Verstärker, dessen Eingangssignal über eine Rückkopplungsschleife von seiner eigenen Leistung abgeleitet wird.

Typen von Oszillatoren

Gekoppelter Transistor-Oszillator

Dies ist eine typische Oszillatorschaltung für integrierte HF-Empfänger auf einem einzigen Chip.

Phasenverschiebung-Oszillator (BJT)

Er verwendet einen BJT-Transistor als aktives Element der Verstärkerstufe.

Phasenverschiebung-Oszillator (FET)

Ein FET-Transistor wird als aktives Element der Verstärkerstufe verwendet.

Niederfrequenz-Oszillatoren

Wien-Brücke Oszillatorschaltung

Die Wien-Brücke Oszillatorschaltung ist ein typischer Oszillator für kleine bis mittlere Frequenzen im Bereich von 5 Hz bis 1 MHz und wird meist in kommerziellen Audio-Generatoren verwendet.

Hochfrequenz-Oszillatoren (Colpitts und Hartley)

Dies sind zwei klassische Oszillatormodelle für die Kommunikation mit einem einzigen aktiven Element (BJT oder MOSFET).

Colpitts Oszillator

Während der Wien-Brücke Oszillator bei niedrigen Frequenzen ausgezeichnet ist, ist er bei hohen Frequenzen (oberhalb von 1 MHz) nicht geeignet. Eine Alternative ist der LC-Oszillator, der für Frequenzen zwischen 1 und 500 MHz eingesetzt werden kann. Der Colpitts Oszillator ist ein solcher LC-Oszillator.

Hartley-Oszillator

Beim Hartley-Oszillator wird die Rückkopplungsspannung durch L2 erzeugt und bildet zusammen mit L1 einen induktiven Spannungsteiler.

Quarzoszillator

Ein Quarzoszillator ist ein harmonischer Oszillator, dessen Frequenz durch einen Quarz oder piezoelektrische Keramik bestimmt wird. Quarzoszillatoren sind wichtig für die Genauigkeit und Stabilität der Schwingungsfrequenz und werden in Kommunikationssendern und -empfängern verwendet.