Hilfe bei Impedanzwandler

[Kiter11]

Hallo, ich habe ein Problem in der Schule.
Ich soll einen Motor (6V und ca 250mA) mit einer Solarzelle ( mit zwei Parrallelen) betreiben. Von der Theorie her klappt das, allerdings hat der Motor einen Innenwiderstand von ca 1,2 Ohm, das bedutet sie ist deutlich kleiner als meine Spannungsquelle (die Solarzellen), also bricht diese immer zusmmen und nichts funktioniert. Nun suche ich nach einer Lösung und jemand hat den Begriff Impedanzwandler in den Saal geschmissen.

Kann mir jemand erklären wie der Funktioniert und wie ich einen für mein Problem bauen kann?

Hoffe auf Antwort, danke schon mal.

[Lusbueb33]

Ein Impedanzwandler ist ein Operationsverstärker der wie folgt geschaltet wird.

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/d ... andler.png

Der "Witz" ist das der Eingangswiderstand theoretisch unendlich gross ist und der Ausgangswiderstand unendlich klein.
(In der Praxis sind die Widerstände natürlich nicht ganz unendlich, aber doch mehr als genug nahe daran.)

(Allerdings wird ein Opamp in der Regel mit +/-15V gespiesen die bei dir ja nicht vorhanden sind, sonst könntest du ja gleich diese Quelle verwenden.
Wahrscheinlich kann man aber auch auf andere Weise Impedanzwandler bauen als mit Opamps, ich weiss aber leider nicht wie)

Schau mal bei Wikipedia. Da wird am Anfang von einem passiven Impedanzwandler gesprochen, das tönt nicht schlecht...

http://de.wikipedia.org/wiki/Impedanzwandler

[derguteweka]

Moin,

...und jemand hat den Begriff Impedanzwandler in den Saal geschmissen.

Tja, wie heissts so schoen: Dumm geschwaetzt ist schnell

Kann mir jemand erklären wie der Funktioniert und wie ich einen für mein Problem bauen kann?

Yepp. Ich probiers mal: Wenn du aus einer Spannungs( oder auch Strom)quelle mit einem Innenwiderstand (Also aus deinen Solarzellen) mit Gewalt die maximal moegliche elektrische Leistung rausholen willst, dann klappt das, indem du den Lastwiderstand (hier dein Motor) genauso gross machst, wie den Innenwiderstand.
Das nennt man dann Leistungsanpassung. Dabei sinkt die verfuegbare Spannung auf die Haelfte der Leerlaufspannung deiner Spannungsquelle (Vorausgesetzt, der Innenwiderstand der Spannungsquelle bleibt konstant, was glaub' ich bei Solarzellen nicht der Fall ist)
Jetzt waere es aber ja ein doller Zufall, wenn das bei dir gerade so hinhauen wuerde. Dann wuerdest du ja auch wahrscheinlich nicht posten, denn vielleicht wuerde ja dann alles funktionieren. Wenns nicht hinhaut, dann muss man es eben passend machen, d.h. irgendwie den Innenwiderstand der Quelle (Solarzelle) und den Widerstand des Verbrauchers (Motor) passend machen - durch irgendeine Schaltung dazwischen.
Diese Schaltung waere dann der "Widerstandswandler". Leider kenn' ich keine Schaltung, die sowas fuer Gleichspannung macht. Fuer Wechselspannung ist das gar kein Problem, da gehts z.b. mit einem Trafo oder auch -wenns nur fuer eine Frequenz (oder ein schmales Frequenzband) sein soll nur mit Spulen und Kondensatoren.
Jetzt hast du aber nur Gleichspannung, d.h. wenn du jetzt ums Verrecken auf einer Leistungsanpassungschaltung bestehen wuerdest, dann waere die ziemlich kompliziert: Die Gleichspannung der Solarzelle muesste erst in Wechselspannung umgewandelt werden, dann die Impedanzwandlerschaltung, dann wieder gleichrichten fuer den Motor. Das ist nicht nur kompliziert, da kommt auch nix mehr danach raus, weil all diese Stufen Verluste haben. -> also ist's hier leider nix mit selberbauen.

Langer Rede kurzer Sinn:
Deine Kombination aus Solarzelle und Motor passt nicht zusammen, d.h. du brauchst entweder andere Solarzellen oder einen anderen Motor.
Wenn dein Motor uebrigens bei 6V 250mA braucht, dann kannst du mit einem Innenwiderstand von 24 Ohm rechnen, die 1.2 Ohm hast du wahrscheinlich gemessen, als der Motor nicht eingeschaltet war; das ist dann "nur" der Widerstand der Kupferdraehte im Motor und spiegelt nicht den normalen Betriebsfall wieder. (Eher den Fall, das jemand den Motor einfach festhaelt, so dass er sich nicht drehen kann).

Gruss
WK

Edit: Das mit den Operationsverstaerkern ist halt ein wenig problematisch, weil du dafuer ja eine extra Stromversorgung brauchst, d.h. dann koenntest du die Solarzellen auch gleich ganz weglassen und den Motor aus der Stromversorgung speisen...
Jetzt seh' ich grad noch, dass du in deinem Ausgangspost was von "parallel" geschrieben hast. Vielleicht kannst du die Solarzellen auch in Reihe schalten, wenn sie nicht zusammen vergossen sind. Koennte sein, dass dann dein Motor und die Solarzellen besser zusammenpassen.
Durch das in Reihe statt Parallelschalten wird der Innenwiderstand der Solarzellenanordnung dann vervierfacht.

Gruss
WK

[Lusbueb33]

Wie viele Ampere liefert eigentlich so eine Solarzelle?
Denn wenn du die Zellen in Serie schaltest, hättest du 12 V und damit würde sich ein Opamp wohl bereits begnügen. Das klappt evtl. doch... .

Ich bin mir allerdings nicht sicher ob ein Opamp 250mA am Ausgang liefern kann. Das Datenblatt wird dir einem das aber gerne mitteilen .
(Beschäftige mich erst grad seit kurzem mit Operationsverstärkern...)

[Martin67]

Hallo,

ich denke es macht wenig Sinn, eine Impedanzwandlerstufe mit einem Op oder mit anderen Verstärkerelementen aufzubauen, denn seine Ausgansimpedanz ist ja zudem noch abhängig von der Quellimpedanz der Spannungsquelle. (Genau genommen addieren sie sich). Mein Ratschlag: Einen Energiespeicher, der während den Stillstandszeiten die Energie der Solarzelle speichert. (Akku). Diese hat einen genügend kleinen Innenwiderstand.

Auch ein großer Kondensator könnte bereits helfen, denn der RI des Motors wird größer, wenn er auf Drehzahl kommt. Der Kondensator kann deshalb beim Anlauf erheblich behilflich sein. Wenn er zuvor ohne Last geladen wird.

[Kiter11]

Hallo allezusammen und vielen Dank für die schnellen und qualitativen Antworten.

1. Das mit dem Innenwiderstand des Motors ist echt nur der der Wicklungen bei 0 Drehzahl, habe ich mich wohl etwas blöd angestellt.

2. Das Problem mit dem OP ist tatsächlich das, dass dieser eine Versorgungspannung von 15 V braucht.

3. Problem des ganzen ist, das die Solarzelle eigentlich totaler mist ist, denn wenn ich diese benutze und in einem gesunden Verhältnis auch gebrauchen möchte müsste ich mir eine Karosserie aus Papier bauen und einen Solarmotor, das wäre dann ein Fahrzeug was 3km/h fährt und technisch gesehen keinerlei Ansprüche stellt. Also kam der Lehrer auf die gloreiche Idee, das wir zwar Akkus verwenden dürfen (ich habe 5x1,2V zur Verfügung), aber eine bzw mehrere Solarzellen auf jeden Fall verwendet und auch in einem vernünftigen Verhältnis zur Akkuleistung stehen sollen. D.h. er hat sich das wohl so vorgestellt, das die Akkus nur beim Start des Autos benötigt werden (hohes Drehmoment, viel Strom) und danach das Auto mit Solarleistung fährt.

Ich kann natürlich so viele Solarzellen benutzen wie ich will, nur zum einen müssen die natürlich irgendwie aufs Auto passen und zum anderen habe ich echt keine Ahnung von Solarzellen, bei Conrad gibt es welche zu kaufen und astronomischen Werten von 18V und 120mA haben aber das bringen die wohl nur in der Wüste.
Wenn sich einer also mit Solarzellen auskennt und mir einen Typ + Händler nennen kann welche für mein Problem (den Motor) geeignet ist, wäre ich natürlich auch schon einen goßen Schritt weiter. Ich denke ich habe so den Platz eines DIN A4 Blattes für die Solarzelle(n).

Danke nochmals für die super Antworten und hoffe auf weiteren regen Wissensaustausch.

Mfg
Sven

[derguteweka]

Moin,

Problem des ganzen ist, das die Solarzelle eigentlich totaler mist ist, denn wenn ich diese benutze und in einem gesunden Verhältnis auch gebrauchen möchte müsste ich mir eine Karosserie aus Papier bauen und einen Solarmotor, das wäre dann ein Fahrzeug was 3km/h fährt und technisch gesehen keinerlei Ansprüche stellt.

Hehehe - naja, wenn das besser funktionieren wuerde, dann wuerden wir doch schon lange alle mit Solarautos durch die Gegend gondeln.

Guck' dir doch mal z.b. beim Reichelt das "Solarpanel A6W" an. Das Dingens kann grad' mal 6W abgeben und wiegt ueber 2 Kilos, wenn dann noch das Gewicht von Akkus und vom Motor dazukommt.. Das ist schon wirklich ein bisschen eine Schnapsidee.

Erschreck' doch mal deinen Lehrer mit einer "alternativen" Energiequelle:
http://de.wikipedia.org/wiki/Plutoniumbatterie

300g Plutonium, ein paar Thermoelemente und Kuehlkoerper - und schon ist eine Batterie fertig, die 11W liefert bei vielleicht 500g Gewicht. Und das sogar wenns dunkel ist (und vielleicht laenger als allen lieb ist ).

Gruss
WK

[Kiter11]

Ja das das nicht so einfach wird habe ich mir schon gedacht und auch zu meinem Lehrer gesgt, wenn das so funktionieren würde, müssten die Schalker sich nicht mit den Russen zusammen tun

Das mit dem Plutonium ist vieleicht gar nicht so schlecht, hast du ne adresse wo ich das her bekomme??

Nun jetzt aber wieder ersnt, ich habe Solarpannels gefunden, die mir bei deutschem Tageslicht ca 10V und 20mA liefern, die Platten sind 120x50 und wiegen nur ein par Gramm. Ich dachte nur, es gibt vieleicht welche die noch leistungsstärker sind und nicht Größer als DIN A4 und auch nicht schwerer als 1/2 Kilo

[BernhardS]

Hallo,

schau halt mal bei den Elektronikversendern rein. C*nrad und so.
Da gibt es Zellen in allen Größen und auch passende Motörchen.

[Kiter11]

Hallo,

danke für deine Antworten,

ich weiß leider nicht wie das bei der Reihenschaltung von Solarzellen ist.

Aber mal ne andere Frage, sagen wir mal ich würde einen OP mit meinen Akkus betreiben und die Solarzellen bzw die Spannung dann, durch den OP als Impedanzwandler, auf den Motor schalten, würde die Solarzelle dann icht sogar wirklich in einem "vernünftigem" Verhältnis zu den Akkus stehen, das die Solarzelle(n) nicht alles allein betreiben können ist ja eigentlich logisch, aber so 50:50 wäre ja schon gut. Ich weiß nur nicht ob es überhaupt einen OP gibt der einen Ausgangsstrom von mehr als 250mA mitmacht.

[derguteweka]

Moin,

Wenn die Solarzellen alle ungefaehr gleich beleuchtet sind, sollte es mit Reihenschaltung keiene Probleme geben. Bloed ist es nur, wenn z.b. 4 Solarzellen in Reihe geschaltet sind, von denen 3 beleuchtet sind und eine im Schatten liegt oder sowas in der Art.

Vergiss die Impedanzwanderschaltung mit OpAmp. Das ist kein Problem des max. Ausgangsstroms (Es gibt LeistungsOpAmps, fuer die waeren 250mA ein echter Klacks), sondern das ist einfach eine andere Form von Impedanzwandlung, die fuer deinen Fall voellig unbrauchbar ist.

Du hast eigentlich fuer dein Auto keine andere Chance, als durch entsprechende Reihen- oder Parallelschaltung von Solarzellen eine Spannungsversorgung aufzubauen, die moeglichst gut zu deinem Motor passt.
Wenn du noch Akkus mit ins Spiel bringst, dann ist die simple Loesung: Einfach Akku, Solarzellenanordnung und Motor parallel schalten.
Weiss jetzt aber nicht, ob sich dann nicht der Akku auch ueber die Solarzellen entladen kann, wenns dunkel ist. Dann braeuchtest du noch eine Schottkydiode.
Die komplexere Loesung waere dann ein Solarladeregler. Die Dinger gibts fertig zu kaufen, allerdings imho nur fuer 12 oder 24V Systeme, nicht fuer 6V.

Gruss
WK

[Stromus]

Kann mir jemand erklären wie der Funktioniert und wie ich einen für mein Problem bauen kann?

Hoffe auf Antwort, danke schon mal.

Ein Impedanzwandler wandelt wie der Name schon sagt eine Impedanz in eine andere Impedanz. Sinn macht eigentlich die Transformation einer großen Impedanz in eine kleinere Impedanz. Der Sinn der Sache ist die allgegenwertige Bildung von Spannungsteilern. Man verbinde ein Schaltungsteil mit einem anderen Schaltungsteil und schon haben wir eigentlich die Verbindung zweier Widerstände, die letztendlich den o.g. Spannungsteiler bilden.
Beispiel: man nehme eine Spannungsquelle mit 5V Ausgangsspannung und 100Ohm Ausgangswiderstand. Wenn wir jetzt diese Quelle mit einem 100Ohm Widerstand verbinden bilden wir einen Spannungsteiler. Da beide Widerstände gleich sind, haben wir auf jedem eine Spannung von genau 2,5V. Hmmmmmmm manchmal ist das nich akzeptabel. Vielleicht wollen wir die gesamte oder zumindest das meiste von dieser 5V-Spannung auf der Last haben. Was tun? Man nehme eine Schaltung her, sog. Impedanzwandler, man transformiere den Widerstand der Quelle in einen viel kleineren Widerstand und man verbinde dann das Ergebnis mit der Last. Sinn macht das auch dann, wenn die Quelle eine bestimmte Funktionsform der Spannung anbietet und uns genau diese Form interessiert. Aber Achtung zu allen dieser Überlegungen braucht man eine zweite Quelle, die den Strom liefern kann, denn Impedanzwandler bedeutet Leistungsverstärkung, aber keine Spannungsverstärkung, also Stromverstärkung.

ich denke es macht wenig Sinn, eine Impedanzwandlerstufe mit einem Op oder mit anderen Verstärkerelementen aufzubauen, denn seine Ausgansimpedanz ist ja zudem noch abhängig von der Quellimpedanz der Spannungsquelle. (Genau genommen addieren sie sich)

Nein ist sie nicht und noch genauer genommen addieren sie sich nicht

[Martin67]

ich denke es macht wenig Sinn, eine Impedanzwandlerstufe mit einem Op oder mit anderen Verstärkerelementen aufzubauen, denn seine Ausgansimpedanz ist ja zudem noch abhängig von der Quellimpedanz der Spannungsquelle. (Genau genommen addieren sie sich)

Nein ist sie nicht und noch genauer genommen addieren sie sich nicht

Hallo, im Anhang eine mögliche Endstufe eines OP's

Stromus, wir sind uns doch einig, dass der Anhang für die Darstellung reicht. Auch wenn sicher Details bei der Endstufe fehlen. Jedoch ist ersichtlich, dass selbst bei einer idealen Endstufe mit Ra=0 immer noch Ri bleibt oder? Die Spanngsversorgung der Impedanzwandlerstufe kommt doch von den Solarzellen, wie soll dann die Ausgangsimpedanz kleiner werden als die Impedanz der Versorgungsquelle?

[Stromus]

Nein eben nicht. Diese Kollektorschaltungen bieten einen Ausgangswiderstand an, der nichts mit dem Innenwiderstand der Versorgung zu tun hat. Das ist aber nur dann möglich, wenn die Transistoren im aktiven Bereich arbeiten.
Deren Ausgangswiderstand lässt sich in erster Näherung darstellen:

Ausgangswiderstand der Signalquelle sagen wir mal „R_Signal“ an der Basis geteilt durch Beta:

ra = R_Signal/Beta

Unter Signalquelle an der Basis versteht man die Schaltung (was auch immer die Topologie sein mag), die die Kollektorschaltung steuert. Eine tiefere Betrachtung bringt als Ausgangswiderstand:

ra = (R_Signal + rBE)/Beta

anders ausgedrückt wäre ra =[ (R_Signal/Beta) + re] mit re als Emitter-Widerstand im Arbeitspunkt
re = UT/IE, wobei UT = Temperaturspannung und IE = Emitterstrom im Arbeitspunkt. Shockley demonstriert uns warum das so ist.

Eine noch tiefere Betrachtung liefert das Ergebnis in Abhängigkeit von R_Signal für drei mögliche Bereiche:

1/S, wenn R_Signal < rBE, wobei S = Steilheit

(R_Signal + rBE)/Beta, wenn rBE<R_Signal<Beta x RE, wobei RE = Emitterwiderstand

RE, wenn R_Signal > Beta x RE

Diese letzte Situation hat zwei mögliche Gründe:

1. Die Signalquelle stellt eine sehr hohe Spannungsverstärkung dar, die auf Kosten eines sehr großen Ausgangswiderstandes geht und der Emitterwiderstand ist sehr klein => hohe Belastung!
2. Eine schlecht gebaute Kette!

Die sehr hohe Spannungsverstärkung lässt sich aber auch realisieren ohne, dass deren Ausgangswiderstand sehr groß werden muss.

Diese ganze Betrachtung setzt voraus, dass die Stromquelle des Transistors noch steht (aktiver Bereich). Ein Ausgangswiderstand der Versorgung schiebt nur den Arbeitspunkt in Richtung Sättigungsbereich, aber so lange dieser Arbeitspunkt im aktiven Bereich bleibt, macht sich diese Erscheinung überhaupt nicht bemerkbar!

[Stromus]

Und damit, ich Dir zeige, dass ich Dich eigentlich nicht verfolge, hatte ich ursprünglich auch das hier durchgehen lassen:

So jetzt zu den großen Kondensatoren:
Diese sind weder am Eingang noch am Ausgang ersetzbar, denn der niederfrequente Anteil muss geglättet werden. (Brummspannung, Lastwechsel...). Jedoch haben Kondensatoren eine unerwünscht Eigenschaft. Sie besitzen Serieninduktivitäten (ESL) und parallele Verlustwiderstände (ESR) Beide wirken sich mit steigender Frequenz negativ aus. Vor allem bei Elkos sind diese Nebeneffekte sehr stark vertreten, so dass sie Ihre glättende Wirkung für Hochfrequenzen fast gänzlich verlieren und zudem sich noch erwärmen. Jetzt kommt aber der kleine Kondensator ins Spiel. Dieser parallel zum Elko, entfaltet seine Eigenschaften genau im höherfrequenten Bereich. Er hat bessere ESL und ESR Werte und entlastet den Elko von den hochfrequenten Signalanteilen.
Sind die Anforderungen einer Schaltung und die Gefahr von hochfrequenter Einstreuung noch höher, werden weitere Maßnahmen unternommen. Z.B.: LC Siebketten im Spannungszweig.

Die Regelungstechnik lehrt uns, dass jedes System irgendwann induktiv wird. In disesm Fall wäre das diese Serieninduktivität, die Du ansprichst. In Wirklichkeit noch bevor dies passiert wird die Eigenschaft des Kondensators bereits durch den RESR (Serienwiderstand = endlicher Widerstand des Dielektrikums) verschlechtert. Dieser wirkt sich im oberen Frequenzbereich aus.
Der andere parallele Widerstand ergibt sich aus den Oberflächenströmen (Feuchtigkeit, Schmutz) und wirkt sich eher im unteren Frequenzbereich aus. Das ganze kann durch die Betrachtung der entsprechenden Zeigerdiagramme besser verstanden werden.

Fazit: Nur ESR wirkt sich mit steigender Frequenz aus!