Zum Experimentieren mit Gleichrichtern benötigen wir eine ungefährliche Wechselstromquelle. Lass uns also eine bauen!
Bau einer Wechselstromquelle
Das Ziel in diesem neuen Projekt ist es, eine sichere Wechselstromquelle zu bauen, die es uns ermöglicht, mit verschiedenen Gleichrichterschaltungen zu experimentieren. Wie können wir dieses Ziel erreichen? Nun, genau das werden wir in dieser Projektreihe herausfinden. Heute beginnen wir mit einigen grundlegenden Überlegungen.
Grundlegende Überlegungen zu Wechselstrom
Was brauchen wir für Wechselstrom? Nun, es gibt zwei Dinge, die hier interessant sind: die Wellenform des erzeugten Signals und der ständige Wechsel der Stromrichtung.
Der wichtigste Aspekt von Wechselstrom ist, dass es keine feste Polarität gibt. Die Stromrichtung wechselt ständig. Diese Eigenschaft ist es, die dem Wechselstrom seinen Namen gibt. Wenn wir ein echtes Wechselstromsignal erzeugen wollen, müssen wir uns also mit der Frage beschäftigen, wie wir die Polarität ändern und negative Spannungen erzeugen können.
Wenn wir dies erreichen, können wir unser Signal bereits als Wechselstromsignal bezeichnen. Andere Aspekte wie die Wellenform und die Frequenz spielen dabei keine Rolle. Um jedoch einen realistischen Eindruck davon zu bekommen, wie Gleichrichterschaltungen mit Netzspannung arbeiten würden, sollten wir eine Sinuswelle mit einer Frequenz von 50 Hz erzeugen. Ein nettes Extra wäre es, die Frequenz reduzieren zu können. Dies würde Experimente mit Gleichrichtern ermöglichen, ohne dass man dazu ein Oszilloskop benötigt. Ein Multimeter würde dann bereits ausreichen, um zu analysieren, was während der Gleichrichtung passiert. Zu guter Letzt sollte unsere Wechselstromquelle auch noch einfach nachzubauen sein und keine exotischen Bauteile erfordern.
Erzeugen eines Sinussignals
Nachdem wir nun die Anforderungen an das zu erzeugende Wechselstromsignal besprochen haben, sollten wir uns fragen, wie wir ein solches Signal erzeugen können.
Schauen wir uns zunächst einmal an, welche Möglichkeiten wir zur Erzeugung des Sinussignals haben. Dazu sollten wir zunächst einen Schritt weiter vorne anfangen und über die Signalerzeugung auf dem Arduino im Allgemeinen sprechen.
Wir haben hier drei Optionen zur Verfügung:
digitalWrite: Um einen Pin ein- und auszuschaltentone: Zur Erzeugung von Audiosignalen einer bestimmten Frequenz (Rechtecksignal)analogWrite: Zum Erzeugen eines PWM-Signals
Leider können wir mit keiner dieser Optionen direkt eine Sinuswelle erzeugen. Hierfür bräuchten wir eine Funktion, die ein echtes analoges Signal erzeugt. Dies wäre mit einem Digital-Analog-Wandler oder kurz einem DAC möglich. Leider hat der Arduino Uno keinen DAC. Wir können jedoch ein externes DAC-Modul verwenden oder alternativ einen PWM-Ausgang und eine Filterschaltung verwenden, um die Funktionalität eines DAC mit dem Arduino nachzubilden. Apropos Filter, wir könnten auch versuchen, ein Rechtecksignal, das durch Umschalten eines Pins oder durch PWM erzeugt wird, durch den Einsatz von Filtern in eine Sinuswelle umzuwandeln.
Wenn du noch nichts über Filter weißt, ist das kein Problem. Die Details der Signalerzeugung, werden wir in den nächsten Teilen dieser Projektserie besprechen. Dort werden wir auch untersuchen, welche dieser Möglichkeiten für unseren Anwendungsfall am besten geeignet ist.
Negative Spannungen
Sobald wir in der Lage sind, ein Sinussignal zu erzeugen, müssen wir uns fragen, wie wir ein echtes Wechselstromsignal mit negativen Spannungen erzeugen können.
Nun, eine Möglichkeit ist, ein dafür spezialisiertes IC zu verwenden. Dies würde es jedoch unnötig schwierig machen, die Wechselstromquelle nachzubauen. Eine Schaltung zur Erzeugung negativer Spannungen selbst zu bauen, würde ebenfalls den Rahmen dieses Projekts sprengen. Wir brauchen eine einfachere Lösung.
In der Tat gibt es solch eine einfache Lösung. Um sie zu verstehen, müssen wir uns daran erinnern, wie Spannung überhaupt definiert ist. Ich habe das im Tutorial Grundlagen der Elektrizität erklärt. Eine Spannung ist die Differenz zwischen zwei elektrischen Potentialen. Sie wird immer im Vergleich zu einem Referenzpunkt gemessen. Dieser Referenzpunkt wird auch als Masse bezeichnet. In den meisten Fällen ist dies der Minuspol einer Batterie oder eines Netzteils. Eine negative Spannung bedeutet, dass das gemessene Potential unterhalb des Potentials des Referenzpunktes liegt. Wenn wir negative Spannungen für den Wechselstromteil unserer Schaltung erzeugen wollen, können wir dies leicht erreichen, indem wir diesen Referenzpunkt verschieben. Wir verwenden einfach einen Spannungsteiler, um die Versorgungsspannung zu halbieren. Der Ausgang dieses Spannungsteilers fungiert dann als Masse-Referenz für den Wechselstromteil unserer Schaltung.
Im Falle der 5-V-Versorgungsspannung eines Arduinos hat unsere neue Masse-Referenz eine Spannung von 2,5 V in Bezug auf die Masse des Arduinos. Wenn wir jedoch diese 2,5 V als unsere neue Masse-Referenz deklarieren, liegen die Spannungen, die wir mit dem Arduino erzeugen können, nun im Bereich von - 2,5 V bis + 2,5 V. Das bedeutet, dass unser erzeugtes Sinussignal dann ein echtes Wechselstromsignal ist.
Das folgende Bild fasst diese Idee in einem abstrakten Schaltplan zusammen.
Mögliche Fallstricke
Die bisherigen Überlegungen sind ein großartiger Start, aber es gibt einige Probleme, mit denen wir früher oder später beschäftigen werden müssen. Die wichtigste Frage ist, ob wir genug Strom und Spannung für die Experimente mit den Gleichrichterschaltungen bekommen.
Die Verwendung eines Spannungsteilers ist eine sehr einfache Möglichkeit, das Problem mit der negativen Spannung zu lösen, jedoch begrenzt dies die Spitzenspannung unseres Wechselstromsignals auf die Hälfte der Versorgungsspannung. Es gibt keine einfache Möglichkeit, diese Einschränkung zu umgehen.
Der Spannungsteiler sowie mögliche Filterschaltungen, die wir zur Erzeugung des Sinussignals verwenden, begrenzen zusätzlich den Strom, den unsere Schaltung liefern kann. Dieses Problem sollten wir durch eine Verstärkung des erzeugten Signals lösen können. Aber das besprechen wir, wenn wir so weit sind.
