ich bin gerade am rumprobieren mit Zener-Dioden. Bevor ich allerdings gleich den Arduino an den Start bring, dachte ich mir, dass ich erstmal ein paar simple Schaltpläne vom Internet bzgl. Z-Dioden nachbaue und so erste Erfahrungen mit diesem Bauteil sammle.
Ich habe diesen Link mit leicht veränderten Widerständen (statt 1k 1,5k und statt 330 Ohm 220 Ohm) auf einem Steckbrett nachgebaut (siehe Anhang).
Wenn ich jedoch die Spannung zwischen Messpunkt1 und Messpunkt2 messe, dann kann hier von Spannungsstabilisierung nicht die Rede sein. Selbst wenn ich eine Spannung von 11V einstelle, ist an den Messpunkten ein Wert deutlich unter 4,7V zu messen.
Im Tutorial ist erklärt, dass die Z-Diode die Spannung auf 4,7V stabilisieren sollte.
Deine Zenerdiode kommt gar nicht dazu etwas zu stabilisieren. Dein Spannungsteiler über die Led ( 1k5/220 ) zieht die Spannung bereits soweit runter, dass die Zenerdiode garnicht in ihren Arbeitspunkt kommt.
Gibt es auch Z-Dioden, die schon bei einer wesentlich geringeren Eingangsspannung, z.B. ab 5V, die 4,7V durchlassen ?
Da ist ein logischer Fehler drin.
Niemand kann Spannungen durchlassen.
Nur Ströme können fließen. Spannungen tun sowas nicht.
Eine Spannung liegt an, sie fließt nicht durch.
Ich weiß, das klingt arg pingelig :o
Aber mit irrigen Vorstellungen, unlogischen Formulierungen, kommt man in der Schaltungstechnik/Bauteilkunde nicht besonders weit.
Wenn Du eine einstellbare Z-Diode brauchst, schaue Dir Mal die DaBla TL431, PDF an.
Ist eine einstellbare Referenz (2,5V ... 36V).
Damit habe ich vor, zwei vorhandene Unterspannungsabschaltungen (Makita, Taschenlampe) auf 16,5V anzuheben, da Diese noch bei 13,1V und 12,6V schalten - laut WWW ist Das viel zu Wenig für einen S5-Akku (18V).
Natürlich muß an der Z-Diode MEHR ankommen, als auf Was Sie begrenzen soll - ist wie ein Überdruck-Ventil - Das begrenzt den Druck ja auch erst, wenn's zu viel wird.
Damit das Beutel dabei nicht verbrennt, muß der mögliche Strom begrenzt werden.
Wende mal Kirchhoff 1 und 2 und das Ohmsche gesetz an:
Wenn Du einen Spannungsteiler von 1kOhm und 330 Ohm und eine rote LED zu 1,6V hast, muß die Netzteilspannung eine gewisser Größe haben, damit überhaupt 4,7V an der Diode anliegen. Die Spannung ist:
I2R2 + 1,6V = 4,7V
I2= (4,7V-1,6V)/R2 = (4,7V-1,6V)/330 Ohm = 9,4mA // Strom durch LED
Unter der Annahme daß unter 4,7V durch die Z-Diode kein Strom fließt (was nicht ganz stimmt aber anäherungsweise mal ok) Muß die Netzteilspannung mindestens:
U = R1I2 +Uz = 1000 Ohm * 9,4mA + 4,7V = 14,1V. // liegen 4,7V an z-Diode an
Unter der Annahme die Zener Strom von (mindestens) 5mA fließen sollte, wird die Nezteilspannung zu
U = R1*(I2 + Iz) +Uz = 1000 Ohm * 14,1mA + 4,7V = 18,8V.
Wende mal Kirchhoff 1 und 2 und das Ohmsche gesetz an:
Wenn Du einen Spannungsteiler von 1kOhm und 330 Ohm und eine rote LED zu 1,6V hast, muß die Netzteilspannung eine gewisser Größe haben, damit überhaupt 4,7V an der Diode anliegen. Die Spannung ist:
I2R2 + 1,6V = 4,7V
I2= (4,7V-1,6V)/R2 = (4,7V-1,6V)/330 Ohm = 9,4mA // Strom durch LED
Unter der Annahme daß unter 4,7V durch die Z-Diode kein Strom fließt (was nicht ganz stimmt aber anäherungsweise mal ok) Muß die Netzteilspannung mindestens:
U = R1I2 +Uz = 1000 Ohm * 9,4mA + 4,7V = 14,1V. // liegen 4,7V an z-Diode an
Unter der Annahme die Zener Strom von (mindestens) 5mA fließen sollte, wird die Nezteilspannung zu
U = R1*(I2 + Iz) +Uz = 1000 Ohm * 14,1mA + 4,7V = 18,8V.
UnoRookie:
Wie kann man in diesem Beispiel die Spannung an den Messpunkten des Voltmeters rechnerisch ermitteln ?
Hab ich das nicht schon ausführlich gezeigt?
Mit Kirchhoff 1 und 2 und dem Ohmschen Gesetz und dem Wissen daß Zener Dioden einen Zenerstrom von minestens 5mA haben sollten.
Grüße Uwe
UnoRookie:
Wie kann man in diesem Beispiel die Spannung an den Messpunkten des Voltmeters rechnerisch ermitteln ?
Ja, genau so, wie es in dem von Dir zitierten Post von Uwe steht. Oder was fehlt dir da noch?
Solange noch kein Strom durch die Zenerdiode fließt, ist es ein einfacher Spannungsteiler (+Flußspannung der Led ), wenn Strom durch die Zenerdiode fließt, sind es ca. 4,7V ( je nach genauer Kennlinie der Zenerdiode ). Und diesen Grenzwert hat Uwe oben auch berechnet.
ich versuche es mal aus einem anderen Betrachtungswinkel zu erklären, und damit es einfacher nachvollziehbar wird mit glatten Werten:
Angenommen Du hast eine 5Volt Zenerdiode, die 0,5Watt Maximalbelastung haben darf. Eine weitere Vorgabe wäre, daß Deine Eingangsspannung zwischen 10 und 25Volt schwanken darf.
Damit die ZenerDiode nicht in Rauch aufgeht, dürfen nur maximal 0,1A durch diese fließen (0,5W / 5Volt = 0,1A).
Der Mindestwert Deines Vorwiderstandes ergibt sich aus der Differenz der Zenerspannung und der maximalen Eingansspannung (25V-5V = 20V)
und dem maximalen Strom der durch die ZenerDiode fließen darf, also R = U/I , somit ist R=20V/0,1A, 200Ohm mindestens.
Wenn Du jetzt bei 25V einen Verbraucher an Deine stabilisierte Spannung dran hängst, so kann diese theoretisch maximal 0,1A entnehmen,
bevor Deine Regelung versagt. Braucht Deine Schaltung nur 50mA, dann fließen die anderen 50mA durch die ZenerDiode.
Wenn jetzt aber nur 10V vom Netzteil kommen, dann fließen auf Grund des Widerstandes, der ja immernoch 200Ohm ist, nur noch I=U/R, also (10V-5V)/200Ohm = 25mA.
Unter oben genannten Bedingungen kann so eine Schaltung also nur einen Verbraucher mit theoretisch maximal 25mA stabil versorgen.
Solche Schaltungen sind also sehr ineffizient, da im Fall U=25V 2,375 Watt in Wärme umgesetzt werden, im Widerstand bis zu 2Watt, in der ZenerDiode bis zu 0,5Watt (ohne Verbraucher) ... und das alles für eine Schaltung, die unter diesen Bedingungen nur 5V*0,025A = 0,125Watt haben darf.
SpaghettiCode:
Solche Schaltungen sind also sehr ineffizient, da im Fall U=25V 2,375 Watt in Wärme umgesetzt werden, im Widerstand bis zu 2Watt, in der ZenerDiode bis zu 0,5Watt (ohne Verbraucher) ... und das alles für eine Schaltung, die unter diesen Bedingungen nur 5V*0,025A = 0,125Watt haben darf.
Alle Längsregeler egal ob Z-Diode, Transistorstabilisationsschaltung mit Z-Diode oder Spannungsstabilisator sind wenig effektiv weil viel Verlustleistung erzeugt wird. Bei reinen Z-Dioden-Schaltungen um noch mehr weil die Verlustleistung bei einem geringe Verbrauch immernoch groß ist. Aus diesem Grund werden Z-Dioden zur Spannungskonstanthaltung wenig verwendet. Dies darüber hinaus weil die Spannungsstabilität nicht sehr groß ist.
Bei Spannungsstabilisatoren hängt die Verlustleistung wenigstens größtenteils vom Verbraucherstrom ab.
Hab ich das nicht schon ausführlich gezeigt?
Mit Kirchhoff 1 und 2 und dem Ohmschen Gesetz und dem Wissen daß Zener Dioden einen Zenerstrom von minestens 5mA haben sollten.
Grüße Uwe
Doch, hast du. Hab das Ganze jetzt nochmal nachgerechnet und bin auf dasselbe Ergebnis gekommen.
Eine Frage habe ich allerdings noch : Wenn ich zurück zu dem Beispiel komme (mit 1k und 330 Ohm), dann leuchtet die Rote LED, zwar nicht in voller Helligkeit, aber doch deutlich zu sehen, bereits bei ca. 4 Volt.
Ich habe jetzt versucht, den Rechenweg mit einer Eingangsspannung von 4 V nachzuvollziehen, allerdings scheitert es daran, dass :
Der Strom durch die LED nicht berechnet werden kann, da
Die Spannung U(Ges) kleiner ist als die Spannung an der Z-Diode. Die vollen 4V können nicht an der Z-Diode anliegen, da bereits ein Teil der Spannung an R1 abfällt. Ich weiß zwar, dass U(Ges) = U1 + U2 ist, aber wenn ich U1 und U2 nicht errechnen kann, da I2 fehlt, bin ich ratlos.
Wisst ihr eine Möglichkeit, das Ganze mit einer Eingangsspannung von 4 V auszurechnen ?
UnoRookie:
Wisst ihr eine Möglichkeit, das Ganze mit einer Eingangsspannung von 4 V auszurechnen ?
Bei einer Eingangsspannung von 4V ist die Zenerdiode noch hochohmig. Du kannst da also so rechnen, als wäre sie nicht da. ( Das Kirchhoffsche Gesetzt gilt natürlich auch da, aber im Zweig durch die Zenerdiode fließt eben kein Strom ).
Das hatte ich in #10 schon angesprochen. Da ist das ein einfacher Spannugsteiler, und der Vorwiderstand für die Led ist einfach die Summe aus R1 und R2.
Den Grenzwert für die Eingangsspannung ab der man die Zenerdiode berücksichtigen muß, hatte Uwe in seinem Post #5 auch berechnet. Natürlich gibt es einen Übergangsbereich, da die Kennlinie der Zenerdiode kein echter 'Knick' ist. Aber das kann man in der Praxis normalerweise vernachlässigen.
Ah, ok. Dann handelt es sich also um eine simple Reihenschaltung oder den unbelasteten Spannungsteiler.
Wenn ich das Ganze dann mit den Gesetzen der Reihenschaltung rechne, komme ich zu folgendem :
