Schaltungen mit Z-Dioden

HSD
Hochschule
FB E I
Düsseldorf
Fachbereich
Elektro- und
Informationstechnik
Schaltungs-Praktikum
Schaltungen mit Z-Dioden
Datum:
WS/SS 201..
Teilnehmer
Name
Gruppe:
Matr.-Nr.
1
2
3
Testat
verwendete Geräte:
Zur Versuchsvorbereitung sind die Aufgabenteile 4.2 und 4.4
vor Antritt des Praktikums zu lösen!
Labor für elektronische Bauelemente und Schaltungen
Prof Dr. Lauffs · Dipl.-Ing. Hein
Raum 5.2.46 · Tel.: 0211 / 4351-2320
Stabilisierung von Spannungen mit Z-Dioden
1. Einführung
Die Z-Diode ist ein nichtlineares Bauelement, dessen Verhalten sich nicht einfach durch das
Ohmsche Gesetz beschreiben läßt. Die Abhängigkeit des Stroms von der angelegten Spannung wird am anschaulichsten durch eine Kennlinie dargestellt:
100
I /mA 90
80
70
60
50
I
U
40
30
20
10
0
-10
-20
-30
-40
-50
-60
-70
-80
-90
-100
-9
-8
-7
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
U /V
Z-Diode BZX 85 6V8
Bild 1.1 vollständige I(U)-Kennlinie einer 6,8 V Z-Diode in Vier-Quadranten-Darstellung
1
9
Der charakteristische Teil der Kennlinie ist der sehr steile Stromanstieg bei nur geringen
Spannungsänderungen im Sperrbereich.In den meisten Kennliniendarstellungen der
Z-Diode wird auch nur dieser Teil gezeigt.Zur Vereinfachung wird in Datenblättern die
Kennlinie nicht in der Darstellung im 3. Quadranten sondern im 1. Quadranten gezeigt.
Charakteristische Merkmale dieses Kennlinienteils sind der Beginn des geraden
Kennlinienstückes und die Steigung. Die am Beginn des geraden Kennlinienstückes
anliegende Spannung U z wird zur Kennzeichnung der Z-Diode verwendet. Zur eindeutigen
Definition von U z muß immer der zugehörige Strom I z benannt werden. Die Definition
von U z erfolgt in der Regel bei einem Strom von I z = 5 mA.
Die Steigung der Kennlinie ist ein Maß für den differentiellen W iderstand r z = du / di
der Z-Diode. Je steiler die Kennlinie,desto kleiner ist der differentielle W iderstand.
W egen des nahezu geraden Kennlinienverlauf kann der differentielle W iderstand mit
hinreichend hoher Genauigkeit durch die Bildung eines Steigungsdreiecks ∆u / ∆i
zeichnerisch oder auch durch Messung bestimmt werden.
W egen der steilen Kennlinie eignet sich die Z-Diode zum Aufbau von einfachen
Schaltungen zur Stabilisierung von Spannungen. W enn die Eingangsspannung
Schwankungen unterworfen ist z.B. wegen Schwankungen der Netzspannung, so führt
dies in der Schaltung zwar zu einem höheren Strom, wegen der steilen Kennlinie jedoch
nur zu einer ganz geringen Spannungsänderung an der Z-Diode. Einem parallel zur
Z-Diode betriebenen Verbraucher wird daher eine Spannung mit wesentlich geringerer
Schwankung angeboten, als die ursprüngliche Versorgungsspannung aufweist.
U1
Rv
D
U2
Bild 1.2 Schaltung zur Spannungsstabilisierung
Die W irkungsweise der Stabilisierung geht aus dem Bild 1.3 hervor. W ird die Eingangsspannung von U 1 zu U 1 ' verändert, so erfolgt eine Parallelverschiebung der Arbeitsgeraden.Aus dem alten und dem neuen Arbeitspunkt der Z-Diode ergibt sich eine stark
verminderte Schwankung der Spannung an der Z-Diode und damit auch der Spannung,
mit der der Verbraucher R L betrieben wird.
Unter Zuhilfenahme des differentiellen W iderstandes r z der Z-Diode kann die Stabilisierung durch den Stabilisierungsfaktor
S=
dU 1 R v
Rv
=
+1 ≈
dU 2
rz
rz
oder durch den relativen Stabilisierungsfaktor
S rel . =
Rv
dU 1 /U 1
U2
U2
= S
·
≈
U1
dU 2 /U 2
rz
U1
beschrieben werden.Um die Stabilisierungsfaktoren meßtechnisch oder zeichnerisch
mit Hilfe von Arbeitsgerade und Kennlinie bestimmen zu können werden an Stelle der
mathematisch exakten differentiellen W erte entsprechende ∆-Werte gebildet.
2
I
mA
180
160
140
120
100
RV = 100 Ω
I
80
U
60
40
20
0
2
4
6
8
∆U2
12
10
U 1'
∆U1
14
16
U1
18
U
V
Bild 1.3 W irkungsweise der Spannungsstabilisierung
Aus der Beziehung ist zusätzlich ersichtlich, daß der Vorwiderstand R v einen Einfluß
auf die Stabilisierung hat, ein großer W iderstand R v ergibt eine bessere Stabilisierung
als ein kleinerer. Es ist jedoch zu beachten, daß mit größerem Vorwiderstand wegen
der Verluste in diesem W iderstand der W irkungsgrad der Gesamtschaltung verringert
wird.Eine gute Stabilisierung erreicht man, wenn am Vorwiderstand etwa der gleiche
Spannungsabfall auftritt wie an der Z-Diode.
Bei der Dimensionierung des Vorwiderstandes R v ist darauf zu achten, daß
1. die Z-Diode auch bei minimaler Eingangsspannung im geraden Teil der Kennlinie
betrieben wird,
2. die maximale Verlustleistung der Z-Diode P vmax = I zmax · U z bei maximaler
Eingangsspannung nicht überschritten wird und
3. der Strom durch den Verbraucher einschließlich dessen möglicher Schwankungen
berücksichtigt wird, da dessen Strom ebenfalls durch den Vorwiderstand fließt.
3
2. Schaltungsberechnung
2.1 Z-Diode
Die Z-Diode wird bei minimaler Ausgangslast und maximaler Eingangsspannung am
stärksten belastet. Die geringste Belastung der Diode tritt bei minimaler Eingangsspannung und maximalem Ausgangsstrom auf. Eine gute Stabilisierung erhält man
bei möglichst großer Eingangsspannung. In einem solchen Fall ergibt sich eine nur
wenig geneigte Arbeitsgerade, und Schwankungen der Eingangsspannung haben nur
eine geringe Verschiebung des Arbeitspunktes zur Folge. Im allgemeinen wählt man:
Ue ≈ 2 Uz
2.2 Vorwiderstand
Für die Ermittlung der Größe des Vorwiderstandes gilt:
Rv =
Ue − Uz
Iz
Der maximal zulässige Strom durch die Z-Diode errechnet sich aus ihrer Verlustleistung
und der Z-Diodenspannung, wobei die Toleranzen entsprechend berücksichtigt werden
müssen.
Pv
I zmax =
Uz
Die zulässige Verlustleistung ist entweder für eine bestimmte Umgebungstemperatur
oder für eine bestimmte Gehäusetemperatur im Datenblatt angegeben. Bei Vorliegen
anderer Temperaturen muß die zulässige Verlustleistung erst noch bestimmt werden.
I 1L
U1
I 2L
Rv
D
C1
C2
U2
RL
Bild 2.1 Schaltung zur Spannungsstabilisierung
Die Eingangsspannung soll eine geringe W elligkeit aufweisen. W ird sie mittels einer
Gleichrichterschaltung aus dem Netz gewonnen, muß dafür gesorgt werden, daß auch
in den Zeitpunkten Energie an den Verbraucher abgegeben werden kann, in denen
durch den Gleichrichter, bedingt durch die sinusförmige W echselspannung der Netzversorgung, keine Versorgungsspannung geliefert wird. Die Energiespeicherung erfolgt
durch einen Kondensator.
4
2.3 Kondensator C 1
Der Kondensator C 1 ist zur Glättung der Eingangsspannung vorgesehen. Bild 2.2 zeigt
( stark vereinfacht ) die Spannung am Ladekondensator C 1 .
U
TE
U Br
5ms
5ms
t
10ms
Bild 2.2 Eingangsspannung und Brummspannung
Der Kurvenzug ist unterteilt in eine Aufladung und eine Entladung, je nachdem, ob die
vom Gleichrichter gelieferte Spannung größer oder kleiner als die Spannung am
Kondensator C 1 ist. Die Entladung erfolgt nach einer e-Funktion mit der Zeitkonstanten:
τ E = RL · C1
Aus der maximal zulässigen Brummspannung U Br und dem maximalen Entladestrom
I 1L von C 1 erhält man als Näherung eine Beziehung zwischen C 1 und der Größe des
Entladezyklus T E
C1 = TE ·
I 1L
U Br
Nimmt man für den Spitzenwert der Brummspannung einen zulässigen W ert von 10 %
der Nenneingangsspannung und für die Entladezeit ca. 5ms an ( Bild 2.2 ),so kann der
erforderliche W ert des Kondensators C 1 abgeschätzt werden.
2.4 Kondensator C 2
Der Kondensator C 2 ist nur dann erforderlich, wenn kurzzeitig Spitzenbelastungen
durch den Verbraucher auftreten können, bei denen der ausgangsseitige Laststrom I 2L
so groß wird,daß der minimale Z-Diodenstrom von ca. 5mA nicht mehr fließen kann.
Die möglichen Spitzenbelastungen haben so verschiedenen Charakter, daß eine genaue
Berechnung der Größe des Kondensators C 2 nur für den jeweiligen Anwendungsfall
erfolgen kann. Als Erfahrungswert kann angegeben werden:
C 2 / µF = 0,1 · I 2Lmax / mA
3. Begrenzerschaltungen
Z-Dioden werden außer zur Spannungstabilisierung auch häufig zur Begrenzung von
Spannungen eingesetzt. Die Schaltung entspricht der aus Bild 2.1, jedoch ohne
die Kondensatoren. Hier hat die Z-Diode die Aufgabe den Verbraucher R L gegen
zu hohe oder falsch gepolte Spannungen zu schützen. So verhindert die Schaltung
nach Bild 2.1, daß die Spannung am Verbraucher R L größer als U Z oder in der
anderen Richtung kleiner als die Durchlaßspannung U D der Z-Diode wird.
5
4. Versuchsdurchführung
4.1.Bestimmen Sie durch Messung die Diodenspannungen in Sperrichtung für die
Ströme von 5mA und 30mA und zeichnen Sie unter Verwendung dieser Meßwerte
die durch 2 Geraden angenäherte Kennlinie in Diagramm 4.1 Errechnen Sie aus Ihrer
Messung den differentiellen Innenwiderstand r z .Ergänzen Sie die Kennlinie durch
Einzeichnen einer Verlustleistungshyperbel für die Leistung von 0,5 W .
U z ( I z = 5 mA) =
V
Uz ( I z =30 mA) =
V
rz =
Iz
mA
50
0
Uz
V
5
Diagramm 4.1
4.2 Berechnen Sie den Vorwiderstand R V zum Betrieb der Schaltung nach Bild2.1 für
eine Eingangsspannung von 12 V bei einem Laststrom von 20 mA und einem Z-Diodenstrom von 10 mA. Berechnen Sie die beiden Kondensatoren C 1 und C 2 und den
Lastwiderstand R L .
RV =
C1 =
RL =
C2 =
6
4.3 Bauen Sie die unter 4.2 berechnete Schaltung in der vereinfachten Form ohne die
Kondensatoren auf und messen Sie den Stabilisierungsfaktor für den Betrieb an einer
Eingangsspannung von 12 V unter Zugrundelegung von Schwankungen der Eingangsspannung von ± 10 % .
U1min =
U1
=
U 2 ( U 1min ) =
12 V
U1max =
U 2 ( U 1=12V ) =
U 2 ( U 1max ) =
Berechnen Sie aus Ihren Messungen:
S=
S rel. =
4.4 Konstruieren Sie in die erste Periode von U1 den Verlauf der Ausgangsspannung U 2 ,
wenn die Schaltung mit einer Eingangswechselspannung mit dem Effektivwert von 10 V
und einer Frequenz von 50 Hz betrieben wird.Skalieren Sie die Achsen und markieren Sie
charakteristische W erte!
U
U1
t
4.5 Überprüfen Sie Ihre Zeichnung zu Punkt 4.4 durch eine entsprechende Messung.
(Messung bitte in die zweite Periode der Eingangsspannung in 4.4 einzeichnen.)
7