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Die Elektronik-Fibel, das Elektronik-Buch

Käufer der Elektronik-Fibel Kundenmeinung:
Die Elektronik-Fibel ist einfach nur genial. Einfach und verständlich, nach so einem Buch habe ich schon lange gesucht. Es ist einfach alles drin was man so als Azubi braucht. Danke für dieses schöne Werk.

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Operationsverstärker und Instrumentationsverstärker

Käufer Elektronik-Workshop Kundenmeinung:
Mein Lob gilt der übersichtlichen und schönen Darstellung und der guten didaktischen Aufbereitung. Selten werden Schaltungen so gut erklärt, dass es auch noch Spaß macht sich damit zu beschäftigen.

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Lernpaket Elektronische Schaltungen selbst entwickeln und aufbauen

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Spannungsstabilisierung mit Z-Diode

Eine stabilisierte Spannung mit einer Z-Diode ist eine Konstantspannungsquelle. Die Z-Diode ist die einfachste Art der Spannungsstabilisierung. Aber sie eignet sich nur für Schaltungen oder Schaltungsteile mit geringer und weitestgehend konstanter Stromaufnahme. Sie eignet sich auch als Referenzspannungsquelle. Dabei wird die Z-Diode praktisch überhaupt nicht belastet. Wegen viel höherer Temperaturstabilität eignet sich die moderne Bandgap-Referenz dafür viel besser, die genau gleich wie eine Z-Diode beschaltet wird. Bei großen Strömen oder Stromschwankungen kommt man um einen Spannungsregler mit geringerer Verlustleistung nicht herum.

Spannungsstabilisierung mit Z-Diode
Die Stabilisierungsschaltung ist eine Reihenschaltung aus einem Widerstand und einer Z-Diode. Die Darstellung der Schaltung ist eher untypisch. Meist wird der Widerstand RV waagerecht gezeichnet. In dieser Darstellung erkennt man die Verteilung der Spannungen leichter. Zusätzlich ist ein Lastwiderstand RL eingezeichnet.

Berechnung des Stroms IZ, der durch die Z-Diode fließt

Formel zur Brechnung von IZ max
Der maximale Z-Dioden-Strom ist ein Grenzwert, der nicht überschritten werden darf und von der maximalen Verlustleistung Ptot und der Z-Dioden-Spannung abhängig ist. Die maximale Verlustleistung Ptot entnimmt man dem Datenblatt der Z-Diode. Manchmal kann man auch an der Bauform erkennen, welche maximale Verlustleistung die Z-Diode hat. Es gibt Standard-Typen für 500 mW und 1 W. Natürlich gibt es auch Z-Dioden mit geringerer und größerer Verlustleistung.
Der maximale Z-Dioden-Strom IZmax darf nicht überschritten werden. Sonst wird die maximale Verlustleistung überschritten und hat die Zerstörung der Z-Diode zur Folge.
Formel zur Berechnung IZ min
Der minimale Z-Dioden-Strom ist der Strom, der durch die Z-Diode fließen muss, damit ihr Rauschen nicht stört und die Stabilisierung auch wirklich funktioniert.
Den minimalen Z-Dioden-Strom IZmin kann man aus dem Datenblatt herauslesen. Wenn das Datenblatt nicht vorhanden ist, dann kann man davon ausgehen, dass der Strom etwa 10% vom maximalen Z-Dioden-Strom IZmax beträgt.

Berechnung des Gesamtstroms Iges der Schaltung

Formel zur Berechnung von Iges
Beim Gesamtstrom Iges muss man sich zwingend Gedanken machen, wie hoch der Stromverbrauch der nachfolgenden Schaltung oder Bauteile ist. Entweder muss man den Stromfluss der nachfolgenden Schaltung messen oder berechnen. Dieser Strom wird im folgenden Laststrom IL genannt.
Der Gesamtstrom Iges berechnet sich aus dem minimalen Z-Dioden-Strom IZmin und dem Laststrom IL. Der Laststrom ist der Strom, der durch die nachgeschaltete Schaltung oder Bauteile fließt. Thermische Veränderungen haben häufig Einfluss auf das Strom- und Spannungsverhalten von elektronischen Bauelemente. Deshalb nimmt man in der Praxis einen etwas höheren Strom an.

Berechnung des Vorwiderstands RV

Formel zur Berechnung des Vorwiderstandes
Die sehr große Leitfähigkeit der Z-Diode ab dem Zenereffekt macht eine Strombegrenzung durch den Vorwiderstand notwendig. Ohne Vorwiderstand zerstört der Strom die Z-Diode.
Zur Berechnung des Vorwiderstands muss die Eingangsspannung bzw. Quellenspannung der Schaltung, hier Uges, bekannt sein. Sie sollte schon weitestgehend konstant sein und nicht großartig schwanken. Sonst würde es die folgende Berechnung aus den Angeln heben. Verändert sich die Eingangsspannung, dann verändert sich auch der Stromfluss. Unter Umständen muss man sich den minimalen und maximalen Vorwiderstand berechnen, wenn die Eingangsspannung zu sehr schwankt.
Von der Eingangsspannung wird die Z-Dioden-Spannung UZ abgezogen. Es handelt sich dabei um die Sperrspannung der Diode. Sie darf natürlich nicht größer sein, als die Eingangsspannung. Heraus kommt die Spannung, die am Vorwiderstand abfällt (URV = Uges - UZ).

Dimensionierung einer Stabilisierungsschaltung mit Z-Diode

Dimensionierungsschaltung
Gegeben ist folgende Ausgangssituation: Wir haben eine Schaltung mit einer Betriebsspannung von 12 V. Darin befindet sich ein Schaltungsteil, der aber nur mit ca. 5 V arbeitet. Wegen einem Stromverbrauch von nur 50 mA wäre eine eigenständige 5V-Stromversorgung zu aufwendig. In diesem Fall eignet sich die Spannungsstabilisierung mit einer Z-Diode.
Für die Stabilisierungsschaltung wählen wir eine Z-Diode mit 5,1 V und 500 mW. Wir müssen allerdings noch herausfinden, ob die Verlustleistung mit 500 mW ausreichend ist. Und wir benötigen den Widerstandswert des Vorwiderstands RV. Dazu benötigen wir den Strom Iges, der durch die Stabilisierungsschaltung bereitgestellt werden muss.

Z-Diodenstrom und Gesamtstrom

Wir berechnen uns aus der Z-Dioden-Spannung UZ und der Verlustleistung Ptot den maximalen Z-Dioden-Strom IZmax.
Formel zur Berechnung des maximalen Z-Diode-Stroms
Der maximale Z-Dioden-Strom beträgt 98 mA. Es handelt sich um einen Grenzwert, der nicht überschritten werden darf. Für den Gesamtstrom benötigen wir aber den minimalen Z-Dioden-Strom IZmin. Ein Blick in das Datenblatt der Z-Diode wird uns die folgende Berechnung ersparen. Aber das Datenblatt haben wir leider nicht. Und suchen wollen wir auch nicht. Stattdessen wollen wir die Stabilisierungsschaltung so schnell wie möglich aufbauen. Man kann davon ausgehen, dass der minimale Strom durch die Z-Diode ungefähr 10% vom maximalen Z-Dioden-Strom betragen muss.
Formel zur Berechnung des minimalen Z-Dioden-Stroms
Der minimale Z-Dioden-Strom IZmin beträgt 9,8 mA. Wir machen auch gleich weiter mit der Berechnung des Gesamtstroms Iges.
Berechnung des Gesamtstroms
Der berechnete Gesamtstrom der Stabilisierungs- und Lastschaltung beträgt 59,8 mA. Da wir keine mathematische Aufgabe lösen, sondern eine echte Schaltung aufbauen wollen, lassen wir etwas mehr Strom fließen. Gehen wir von 65 mA Gesamtstrom aus. Was nicht über die Lastschaltung fließt, wird über die Z-Diode als Verlustleistung verbraten.

Vorwiderstand

Jetzt fehlt nur noch der Vorwiderstand RV. Er begrenzt den Strom auf den Gesamtstrom der Schaltung und soll in der Hauptsache die Z-Diode vor der Zerstörung schützen.
Formel zur Berechnung des Vorwiderstands
Der berechnete Vorwiderstand RV beträgt 106,15 Ω. Da es einen Festwiderstand mit diesem Widerstandswert nicht gibt, nehme wir einen Widerstand von 100 Ω. Die Differenz ist minimal. Weil er etwas kleiner ist, fließt auch mehr Strom durch die Schaltung. Hier muss man eventuell noch mal nachrechnen, ob der Gesamtstrom nicht zu groß wird. Man kann dann zum Beispiel von einem kleineren Gesamtstrom ausgehen und erst später den Vorwiderstand verkleinern. Auf alle Fälle muss man aufpassen, dass der Vorwiderstand den Strom nicht unter den Gesamtstrom drückt.

Verlustleistung des Vorwiderstands

An dieser Stelle könnte die Dimensionierung beendet sein. Aber, bei einem Vorwiderstand sollte man auch immer die Verlustleistung überprüfen. So liegt es nahe einen Widerstand mit 250 mW zu verwenden. Doch, verträgt er das auch mit den vorgegebenen Werten?
Und Vorsicht, der berechnete bzw. angenommene Gesamtstrom hat sich durch den bestimmten Widerstand von 100 Ω verändert. In der nun folgenden Berechnung stellen wir erst mal fest, wie hoch der Gesamtstrom ist, der sich durch den bestimmten Vorwiederstand ergeben hat.
Berechnung des Gesamtstroms
Der Gesamtstrom beträgt 69 mA. Wie hoch ist nun die Verlustleistung Ptot, des Vorwiderstands RV?
Berechnung der Verlustleistung des Vorwiderstands
Hoppla, was ist da passiert? Der Vorwiderstand RV ist einer Verlustleistung PRV von 476 mW ausgesetzt. Da reicht ein 250-mW-Widerstand nicht aus. 500 mW sollten es schon sein. Wer sicher gehen will, der nimmt gleich 1 W.
Was ist, wenn man nur 250-mW-Widerstände hat? In diesem Fall kann man sich mit einem Trick behelfen. Um 476 mW unter 250 mW drücken zu können, muss man entweder den Strom oder die Spannung halbieren (in diesem Fall). Da beides nicht möglich ist, muss man sich eine schaltungstechnische Maßnahme einfallen lassen. Es gibt zwei Möglichkeiten. Die eine wäre, statt dem Vorwiderstand von 100 Ω eine Reihenschaltung aus zwei Widerständen mit 56 Ω. Der Strom ändert sich kaum. Aber an den beiden Widerständen fällt jetzt nur noch etwa die Hälfte der Spannung URV ab. Die Erhöhung des Widerstandswerts von 100 Ω auf 112 Ω dürfte der Schaltung kaum etwas ausmachen. Trotzdem sollte man überprüfen, ob der Gesamtstrom dadurch nicht zu niedrig wird. Und natürlich muss die Verlustleistung der beiden Widerstände noch mal überprüft werden.
Die andere Möglichkeit wäre eine Parallelschaltung aus zwei Widerständen mit 220 Ω. Der Gesamtwiderstand von zwei gleichwertig parallel geschalteten Widerständen halbiert sich. Also nur 110 Ω. Die abfallende Spannung URV ändert sich nicht. Nur der Gesamtstrom Iges teilt sich an den beiden Widerständen auf. Die Erhöhung des Vorwiderstands von 100 Ω auf 110 Ω dürfte der Schaltung kaum etwas ausmachen. Trotzdem sollte man auch hier prüfen, ob der Gesamtstrom dadurch nicht zu niedrig wird. Und natürlich muss die Verlustleistung der beiden Widerstände noch mal überprüft werden.
Eines sollte man hier beachten. Man betreibt zwei Widerstände knapp unterhalb ihrer Grenzwerte. Das verkürzt die Lebensdauer. Schaltungen, die länger gebraucht werden, sollte man so nicht berechnen und aufbauen. Besonders die Reihenschaltung ist gefährlich. Brennt einer der beiden Widerstände durch (Kurzschlussfall), dann könnte sich der Stromfluss aufgrund des sich verkleinernden Widerstands so stark vergrößern, dass die Z-Diode zerstört wird. Eventuell sind dann auch andere Schaltungsteile in Gefahr.

Verlustleistung der Z-Diode

Weil wir gerade so schön am rechnen sind, wollen wir natürlich auch wissen, wie es um die Verlustleistung PZ der Z-Diode steht. Was passiert, wenn die Stabilisierungsschaltung durch die Lastschaltung nicht mehr belastet wird. Ihr also kein Strom mehr entnommen wird. Dann fließt der Gesamtstrom Iges über die Z-Diode. Doch die Z-Diode hat den maximalen Z-Dioden-Strom IZmax, der nicht überschritten werden darf. Wir haben den maximalen Z-Dioden-Strom bereits berechnet. Er beträgt 98 mA. Der berechnete Gesamtstrom Iges von 69 mA unterschreitet diesen Wert. Demnach ist die Z-Diode nicht in Gefahr.
Trotzdem wollen wir wissen wie hoch die Verlustleistung PZ ist, wenn der Gesamtstrom Iges über die Z-Diode fließt.
Berechnung der Verlustleistung der Z-Diode
Die gewählte Z-Diode mit 500 mW reicht aus, um im Zweifelsfall 352 mW verbraten zu können. Sie ist also nicht in Gefahr.

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