Elektro Formeln und Quizzes
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Juni 2020
Testkurs für Elektrotechnik für Formeln und Quizzes -
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Stabilisierungsschaltung mit Z-Diode
Quelle: https://elektroniktutor.de von 2010Viele elektronische Geräte und Schaltungen arbeiten nur dann zuverlässig, wenn ihre Versorgungsspannung weitgehend konstant bleibt. Die zunehmende Belastung einer einfachen Spannungsquelle führt zur Abnahme ihrer Ausgangsspannung. Wird die Versorgungsspannung von einem Netzteil erzeugt, so machen sich Schwankungen auf der Eingangsseite ohne besondere Vorkehrungen auch am Ausgang bemerkbar.
Die Verbrauchergleichspannung kann mit Hilfe einer Zener-Diode auf sehr einfache Weise in einem weiten Bereich konstant gehalten werden. Dazu sind folgende Bedingungen zu erfüllen:- Die Eingangsspannung ist immer größer als die Z-Spannung.
- Die Ausgangsspannung ( Verbraucherspannung ) ist die Z-Spannung.
- Der Arbeitsbereich der Z-Diode liegt im Durchbruch der Sperrkennlinie.
- Die maximale Verlustleistung der Z-Diode darf nicht überschritten werden.
- Ein minimaler Diodenstrom darf nicht unterschritten werden.
Bei bekannter maximaler Eingangsspannung kann für eine gegebene Z-Diode der kleinste Vorwiderstandswert errechnet werden. Die höchste Verlustleistung an der Diode tritt bei Leerlauf ohne Lastwiderstand auf. Der Vorwiderstand errechnet sich aus der Differenzspannung dividiert durch den maximalen Zenerstrom. Dieser Widerstand sollte im Kurzschlussfall, wo die gesamte Eingangsspannung an ihm abfällt, keinen Schaden nehmen. Er muss für hohe Verlustleistung dimensioniert sein.Diese Dimensionierung hat einen Nachteil: Die Eingangsspannung darf den zur Berechnung angenommenen Maximalwert nicht übersteigen. Ihr Vorteil liegt in der maximal höchsten Belastbarkeit, da der Quelleninnenwiderstand sehr klein ist. Der kleinste Lastwiderstandswert, bei dem die Z-Diode noch einwandfrei stabilisiert, errechnet sich beim minimalen Zenerstrom und der Differenzspannung, die über dem Vorwiderstand abfällt:Führt man im Kennliniendiagramm mit der RVmin-Geraden eine Parallelverschiebung nach rechts bis kurz vor den Schnittpunkt bei UZ und IZmin = 15 mA durch, kann man die minimale Eingangsspannung ablesen, bei der die Schaltung noch stabilisiert. Sie darf dann aber nur noch unwesentlich belastet werden, d. h. der Laststrom muss sehr klein gegenüber dem minimalen Zenerstrom sein. Bei einem Laststrom von 1 mA errechnet sich die kleinst mögliche Eingangsspannung zu 7,2 V. Die Schaltung arbeitet dann noch zuverlässig, wenn der Lastwiderstandswert nicht kleiner als 6,8 kΩ ist.
In gleicher Weise kann auch ein maximaler Vorwiderstand berechnet werden. Die Widerstandsgerade ist im Kennliniendiagramm als RVmax eingezeichnet. Der Widerstandswert errechnet sich zu rd. 200 Ω. Die Z-Spannung ist dann ebenfalls nicht mehr belastbar, d.h. der Lastwiderstandswert kann nicht kleiner als 6,8 kΩ sein.
In der Praxis wird man einen Arbeitspunkt wählen, der zwischen diesen beiden Extremen liegt. Die Stabilisierung arbeitet dann optimal bei variabler Belastung und bei unstabilen Eingangsspannungen. In der Literatur findet man entsprechende Berechnungsformeln für einen minimalen und maximalen Vorwiderstand in Abhängigkeit von den jeweils minimalen und maximalen Zener- und Lastströmen:Eine optimale Stabilisierung wird erreicht, wenn man die Schaltung wie folgt dimensionieren kann:
- Die Eingangsspannung ist mindestens doppelt so groß wie die Z-Spannung.
- Bei mittlerer Belastung liegt der Arbeitspunkt in der Mitte der Arbeitskennlinie.
- Der Vorwiderstand muss bei der höchsten Eingangsspannung den Diodenstrom auf den maximal erlaubten Zenerstrom begrenzen.
- Der minimale Zenerstrom darf in keinem Betriebsfall unterschritten werden.
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Formeln Halbleiter, Diode, Transsitor
Stabilisierung mit Z-Diode
Eine optimale Stabilisierung wird erreicht, wenn man die Schaltung wie folgt dimensionieren kann:
- Die Eingangsspannung ist mindestens doppelt so groß wie die Z-Spannung.
- Bei mittlerer Belastung liegt der Arbeitspunkt in der Mitte der Arbeitskennlinie.
- Der Vorwiderstand muss bei der höchsten Eingangsspannung den Diodenstrom auf den maximal erlaubten Zenerstrom begrenzen.
- Der minimale Zenerstrom darf in keinem Betriebsfall unterschritten werden.
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nicht bewerteter Test zum Thema Halbleiter, Diode, Transistor
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Transistor als Schalter
Wird ein Transistor mit einem genügend großen Basisstrom übersteuert, kann man ihn als Schalter verwenden (siehe Schaltbild). An der Kollektor-Emitterstrecke fällt dann lediglich die Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung UCEsat ab. Damit der Transistor schnell und sicher durchschaltet, wählt man einen um den Übersteuerungsfaktor ü größeren Basisstrom.
\( I_C = { { U_b - U_{CEsat} } \over { R_L } } \\ I_B = { { ü \cdot I_C } \over { B_{min} } } \\ R_L = { { U_B - U_{CEsat} } \over { I_C } } \\ R_V = { ({ U_1 - U_{BEsat}) \cdot B_{min} } \over {ü \cdot I_C} } \)
Beispiel 1:
Der Transistor BCY58 mit UBE-sat = 0,9 V, UCE-sat = 0,3V, IC = 200 mA und Bmin = 60 wird als Schalttransistor eingesetzt. Der Übersteuerungsfaktor ist ü=2, die Betriebsspannung ist Ub= 24 V und die Eingangsspannung U1 = 4,8V. Berechnen Sie
a) den Lastwiderstand RL,
b) den Basisvorwiderstand RV.Lösung 1:
\( \\ R_L = { { U_B - U_{CEsat} } \over { I_C } } = { { 24V - 0,3V } \over { 200mA } } = 120\Omega \\ R_V = { ({ U_1 - U_{BEsat}) \cdot B_{min} } \over {ü \cdot I_C} } = { ({ 4,8V - 0,9V) \cdot 60 } \over {2 \cdot 200mA} } = 585\Omega \)
Beispiel 1:
Ein Transistor BSY 95A schaltet an Ub = 12V eine Meldeleuchte, die IC = 100mA aufnimmt. Die Eingangsspannung beträgt UE = 4V und der Übersteuerungsfaktor ist ü = 3. Bestimmen Sie
a) aus der Tabelle die Werte für UBEsat, UCEsat und Bmin,
b) den Basisvorwiderstand RVLösung 1:
aus obiger Tabelle für Transsitor BSY 95A: UBEsat = 0,87V UCEsat = 0,35V Bmin = 50
\( R_V = { ({ U_1 - U_{BEsat}) \cdot B_{min} } \over {ü \cdot I_C} } = { ({ 4V - 0,87V) \cdot 50 } \over {3 \cdot 100mA} } = 522\Omega \)
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