Spannungsstabilisierung mit Z-Diode und Transistor (Kollektorschaltung)
Man spricht auch von "Stabilisierung mit Z-Diode und Längstransistor" oder "Serienstabilisierung mit Längstransistor".
Zum einfachen Stabilisieren von Spannungen verwendet man im in der Regel Z-Dioden. Doch Z-Dioden können nur mit einem geringen Strom belastet werden. Vor allem dann, wenn man eine Z-Diode mit hoher Zener-Spannung wählen muss.
Um dieses Problem zu vermeiden, wird ein Transistor in Kollektorschaltung (Emitterfolger) als Stromverstärker eingesetzt. Weil dabei die Spannung selbst nicht verstärkt wird, bezeichnet man diese Methode als Impedanzwandler (Widerstandswandler): Der Ausgangswiderstand zwischen Emitter und Masse (GND) ist um den Faktor der Stromverstärkung des Transistor niedriger, als der Eingangswiderstand an der Basis bezogen auf die Masse (GND).
Welchem Zweck dient der Widerstand RC?
Ein Kurzschluss am Ausgang führt zur Zerstörung des Transistors. Deshalb sollte ein Schutzwiderstand RC von ca. 10 Ohm in den Laststromkreis eingebaut sein. Die Stabilisierung lässt dann etwas nach, aber der Lastwiderstand darf dann kleiner sein.
Das zeigt, dass es nur einen kleinen Spielraum für die Wahl von RC gibt und im unteren Widerstandsbereich bleiben muss. Aber, Dauerkurzschlussfest ist diese Schaltung nicht. Dazu bräuchte es kompliziertere regeltechnische Maßnahmen. Wer mehr dazu wissen will, der kann das unter Spannungsregelschaltung mit elektronischer Brummsiebung von Thomas Schaerer nachlesen.
Welchem Zweck dient der Widerstand RE?
Der Widerstand RE dient zum Einstellen des Arbeitspunkts des Transistors, wenn keine Last dran hängt. Der Grund: Wenn RE nicht existiert und kein RL angeschlossen ist, fließt kein Basis-Strom und so kann sich auch keine Basis-Emitter-Spannung von 0,7 V bilden.
Der Widerstand RE muss so niedrig sein, dass die Spannung UBE etwa bei 0,7 V liegt. Wenn ein Strom durch RL fließt und der Kollektor-, bzw. Emitterstrom größer wird, dann steigt auch UBE ein bisschen an.
Warum eine Z-Diode?
Die Z-Diode ist deshalb notwendig, um die Ausgangsspannung auch bei schwankender Eingangsspannung einigermaßen stabil zu halten. Sie kann deshalb nicht einfach so gegen einen Widerstand ausgetauscht werden.
Wer am Ausgang eine stabilisierte Spannung braucht, der verwendet eine Z-Diode. Anders macht diese Schaltung nicht sehr viel Sinn.
Zur Erinnerung: Um eine vergleichsweise gute Stabilität zu erreichen, sollte der Querstrom Iz durch die Z-Diode mindestens 5 mal größer sein, als der Basisstrom bei maximalem IL.
Berechnung der Ausgangsspannung
Die Ausgangsspannung Ua wird durch die Zenerspannung UZ abzüglich der Basis-Emitter-Spannung UBE bestimmt.
Lastwiderstand der Z-Diode
Mit dieser Schaltung sinkt die Belastung der Z-Diode um den Faktor der Stromverstärkung des Transistors.
Dimensionierte Beispiel-Schaltung
| Ue | +15 V |
|---|---|
| D1 | Z6 |
| T1 | Kleinsignaltransistor |
| RV | 390 Ω |
| RC | 10 Ω |
| RE | 10 kΩ |
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