Title: 17_Aufgaben_Examen_Halbleiter
Course: noName_Grndl_Elt-GS_RCL

Stabilisierungsschaltung mit Z-Diode

Quelle: https://elektroniktutor.de von 2010
Viele 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.

Die Z-Diode zeigt im Durchbruchbereich einen sehr steilen Stromanstieg. Sie muss über einen Reihenwiderstand an die Eingangsspannung angeschlossen werden, der einen Minimalwert nicht unterschreiten darf. Er begrenzt bei der höchsten zu erwartenden Eingangsspannung den maximal erlaubten Diodenstrom. Dieser Zenerstrom wird bei der Zenerspannung von der maximalen Verlustleistung der Diode bestimmt. Der Maximalwert des Vorwiderstandes ergibt sich aus dem kleinsten Zenerstrom, bei dem die Diode noch zuverlässig arbeitet. Für den minimalen Zenerstrom nimmt man allgemein 10% des Maximalstroms an. Der Verbraucher oder Lastwiderstand liegt parallel zur Z-Diode. Die Schaltung wird daher Parallel-Spannungsstabilisierung genannt.

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 R_Vmin-Geraden eine Parallelverschiebung nach rechts bis kurz vor den Schnittpunkt bei U_Z und I_Zmin = 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 R_Vmax 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.

Stabilisierungsschaltung mit Z-Diode

Übung mit Lösung

siehe: https://dk4ek.de/lib/exe/fetch.php/z-diode.pdf

https://dk4ek.de/lib/exe/fetch.php/z-diode.pdf

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 U_CEsat 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 U_BE-sat = 0,9 V, U_CE-sat = 0,3V, I_C = 200 mA und B_min = 60 wird als Schalttransistor eingesetzt. Der Übersteuerungsfaktor ist ü=2, die Betriebsspannung ist U_b= 24 V und die Eingangsspannung U_1 = 4,8V. Berechnen Sie
a) den Lastwiderstand R_L,
b) den Basisvorwiderstand R_V.

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 U_b = 12V eine Meldeleuchte, die I_C = 100mA aufnimmt. Die Eingangsspannung beträgt U_E = 4V und der Übersteuerungsfaktor ist ü = 3. Bestimmen Sie
a) aus der Tabelle die Werte für U_BEsat, U_CEsat und B_min,
b) den Basisvorwiderstand R_V

Lösung 1:

aus obiger Tabelle für Transsitor BSY 95A:  U_BEsat = 0,87V   U_CEsat = 0,35V   B_min = 50

\( R_V = { ({ U_1 - U_{BEsat}) \cdot B_{min} } \over {ü \cdot I_C} } = { ({ 4V - 0,87V) \cdot 50 } \over {3 \cdot 100mA} } = 522\Omega \)