Oft ist es notwendig, dass eine Spannung an einen Verbraucher ziemlich konstant sein muss.
Als Beispiel sei nur die moderne Mikroelektronik genannt.
Dort liegt die erlaubte Betriebsspannung meist zwischen 4,75 und 5,25 Volt und neuerdings
in modernen Handys und Navigationsgeräten sogar im Bereich 1,6 bis 3,2Volt.
Dieser recht enge Bereich kann man nicht mit einfachen Netzteilen erreichen.
Es muss eine geregelte Spannung her.
Geregelt heiß das die Ausgangsspannung in einen definierten Bereich festgelegt wird
und Schwankungen der Eingangsspannung sich nur in gewissen Toleranzen auf die Ausgangsspannung auswirken.
Dafür
kann man recht gut Zenerdioden verwenden.
Der so genannte Zener-Effekt wurde 1934 von Clarence Malvin Zener
entdeckt.
Er hat herausgefunden, dass Dioden, wenn diese in Sperrrichtung
( Sperrrichtung heißt das Plus an der Katode und Minus an der Anode anliegt)
betrieben werden ab einer gewissen Spannung 'durchbrechen' und diese Durchbruchsspannung dabei ziemlich konstant halten.
In Durchflussrichtung ( Plus an der Anode und Minus an der Katode) arbeiten Zenerdioden genau wie normale Dioden.
Zenerdioden sind Halbleiter Bauteile mit deren Hilfe man Spannungen stabilisieren kann.Was nichts anderes bedeutet als das ich die Ausgangsspannung hinsichtlich einer schwankende Eingangsspannung
oder eines Verbraucher mit unregelmäßiger Stromaufnahme auf einen zuvor festgelegten Wert stabilisiere.
Das Schaltsymbol der Z-Diode ist der einer normalen Diode ähnlich bis auf den zusätzlichen kleinen Haken
an der waagerechten Linie auf der Kathodenseite.
Man kann Spannungen auf mehrere Arten konstant halten oder stabilisieren.
Die Z-Dioden ist nur eine der vielen Arten.
Der Vorteil die Spannung mit einer Z-Diode zu stabilisieren ist die relativ einfache und kostengünstige Art.
Dazu werden nur zwei Bauteile nämlich die Diode und der Vorwiderstand benötigt.
Der Nachteil dieser Art der Stabilisierung ist die sehr geringen Stromentnahme.
Diese Schaltung kann man daher nur in Bereichen anwenden, in denen die Stromentnahme im mA Bereich liegt.
Z-Dioden haben feste Spannungswerte in Stufen unterteilt zwischen ca. 2 und 100 Volt.
Abb.1Zum Betrieb einer Z-Diode gehört immer auch ein Vorwiderstand um den
Strom durch die Z-Diode zu reduzieren.
Den Vorwiderstand zu berechen kann je nach gewünschten Forderung
herausordernd sein.
Zu den verschiedenen Forderungen könnte eine Variable Eingangsspannung
sowie eine zusätzliche Variable Belastung oder den Einfluss der Temperatur
zählen.
Um es nicht zu kompliziert zu machen, folgt eine Berechnung die den meisten
Anforderungen genügt aber nicht zwangsläufig die optimale Berechnung ist.
Spannung und des zu erwartbaren benötigten Strom.
Außerdem die zu erwartbaren Spannungsschwankung der Versorgungsspannung sehr wichtig.
Beispiel:
Ich habe eine Spannungsversorgung die sich im Bereich zwischen 10 und 13 Volt beläuft.
Die benötigte Ausgangsspannung soll 5,6 Volt betragen.
Und der entnehmbare Strom soll 20 mA betragen.
Als erstes bringe ich in Erfahrung in welchen Spannung Abstufungen es die Z Dioden überhaupt gibt.
Nun habe ich unverschämtes Glück das es diese Dioden genau mit 5,6 Volt gibt.
Als nächstes benötige ich die von der Zenerdioden vertragbare Verlustleistung, die ich in der Regel nur dem Datenblatt entnehmen kann.
Auszug aus dem Datenblatt .Hier entnehme ich zwei Angaben zur maximalen Verlustleistung je nachdem wie die Z-Dioden in der Schaltung verbaut und
damit gekühlt wird.
Aus Sicherheits Gründen nehme ich natürlich den kleinere der beiden Werte, also 400mW.
bzw höchsten Spannung.
Die höchste erwartbare Batterie Spannung beträgt 13 Volt, und an der Zenerdiode soll die geforderte Spannung von 5,6 Volt abfallen,
damit fällt am Widerstand R1 die Differenz der beiden Spannungen ab.
UR1= 13-5,6=7,4 Volt
Die maximale Verlustleistung der Z-Dioden darf 400mW betragen, die an ihr anliegende Spannung beträgt 5,6 Volt.
Daraus lässt sich der Strom durch die Z-Diode wie folgt ausrechnen.
Strom = P/U
Strom= 400mW/ 5,6V
Strom = 71mA
Dieser Wert würde auch dann zum tragen kommen wenn die Last abgeklemmt werden würde.
Also kann jetzt R1 berechnet werden.
R1 = UR1 / Id1
R1= 7,4V / 71mA
R1= 104 Ohm
Damit steht fest das R1 auf keinen Fall kleiner als 104 Ohm sein sollte..
Die Verlustleistung an R1 ist dann
P= U*I
P= 7,4V * 71mA
P= 0,52 Watt
Bei der nebenstehenden
Schaltung nutzen wir die Spannung an der Zenerdiode um damit eine
konstante Betriebsspannungfür die Leuchtdiode zu haben.
Diese Kombination hat den Vorteil, dass man eine relativ verlässliche Spannung hat, mit der man rechnen kann.
Selbst bei schwankender Eingangsspannung bleibt die Spannung
an der
Leuchtdiode ziemlich konstant.
Dieser Effekt wird bei den meisten
geregelten Netzteilen ausgenutzt.
Die konstante Spannung welche
die Zenerdiode liefert wird mit Transistoren oder Operationsverstärkern
verstärkt
und somit kann die Schaltung dann einen ziemlichen großen
Strom mit konstanter Spannung liefern.
Hier sieht man einen Festspannungsregler 7805 dernormalerweise eine Ausgangsspannung von 5 Volt
hergibt.
Bei Einsatz von Zenerdioden können damit aber auch
andere Spannungswerte entnommen werden die sehr
Konstant sind und überdies je nach Regler bis zu 2
Ampere abgeben kann.
Dazu wird einfach in der Minus Leitung eine Zenerdiode
eingesetzt und die betreffende Spannung der Zenerdiode
addiert sich zu der Spannung des Regler dazu.
Beispiel: Festspannungsregler 5 Volt mit einer Zenerdiode
5,6 Volt ergibt eine Ausgangsspannung von 10,6 Volt.