Spannungsstabilisierung mit Z

Spannungsstabilisierung mit Z-Dioden
von B. Kainka, Auszug aus: Grundwissen Elektronik
Die Spannung eines einfachen Netzgeräts ist in hohem Maße von der Belastung abhängig.
Auch bei Batterieversorgung ist die Spannung nicht konstant, sondern nimmt mit der
Entladedauer ab. Für viele Schaltungen ist dagegen eine konstante Betriebsspannung
wichtig. Deshalb benötigt man Maßnahmen der Spannungsstabilsierung. Sie reichen von
einer einfachen Zenerdiode über Transistor-Regelschaltungen und integrierte
Spannungsregler bis zu Schaltreglern für höhere Leistungen.
Benötigt man eine stabile Spannung bei geringer Strombelastung, dann bietet sich die
Verwendung einer Zenerdiode an. Die Zenerdiode wird in Sperrichtung betrieben und zeigt
bei einer bestimmten Spannung einen steilen Anstieg des Sperrstroms. In
Durchlassrichtung verhält sie sich wie eine normale Si-Diode.
Für diesen Durchbruch bei Spannungen zwischen 3 V und 200 V sind zwei verschiedene
Prinzipien verantwortlich. Der Zenereffekt überwiegt bei Spannungen unter 5,6 V und
besitzt einen negativen Temperaturkoeffizienten, d.h. die Zenerspannung sinkt um bis zu
0,1 % pro Grad. Oberhalb 5,6 V überwiegt der Avalanche-Effekt (Lawineneffekt) mit einem
positiven Temperaturkoeffizienten. Eine Zenerdiode für 5,1 V besitzt daher den geringsten
Temperaturkoeffizienten. Zenerdioden um 7,5 V haben dagegen die steilste Kennlinie und
damit den kleinsten differentiellen Innenwiderstand und bieten damit die beste
Spannungsstabilisierung bei schwankendem Zenerstrom. Die folgende Tabelle zeigt die
wichtigsten Daten für einige Zenerdioden. Der differentielle Innenwiderstand ist bei einem
kleinen Zenerstrom von 1 mA größer als bei IZ = 5 mA.
UZ
3,9V
5,1 V
5,6 V
6,2 V
7,5 V
10 V
15 V
24 V
Ri bei Iz=1mA
400 Ohm
400 Ohm
80 Ohm
40 Ohm
15 Ohm
20 Ohm
25 Ohm
30 Ohm
Ri bei Iz =5 mA
85 Ohm
60 Ohm
15 Ohm
6 Ohm
2 Ohm
2 Ohm
3 Ohm
6 Ohm
TK bei IZ = 5mA
-2,5 mV/K
-0,8 mV/K
+1,2 mV/K
+2,3 mV/K
+4,0 mV/K
+6,4 mV/K
+11,4 mV/K
+20,4 mV/K
Typische Daten für Zenerdioden unterschiedlicher Spannung
Das Bild zeigt die Kennlinien von Zenerdioden bis 18 V. Man erkennt deutlich die
unterschiedliche Steilheit. Den steilsten Verlauf zeigt eine Zenerdiode mit UZ = 7,5 V. Das
Diagramm zeigt außerdem für jede Diode die maximale Strombelastung für eine
Verlustleistung von 500 mW.
Sperrkennlinien einiger Zenerdioden (Telefunken)
Man betreibt die Zenerdiode in einer Spannungsteilerschaltung mit einem Vorwiderstand.
Bei steigender Eingangsspannung steigt der Zenerstrom, wobei die Spannung fast
konstant bleibt. Der verwendete Vorwiderstand richtet sich nach der geringsten
Eingangsspannung der Schaltung und nach der höchsten vorkommenden Stromentnahme.
Bei diesen Eckwerten muss noch ein ausreichender Strom durch die Diode fließen, um eine
konstante Spannung zu gewährleisten. Bei zu kleinen Strömen ist die Kennlinie weniger
steil und der differentielle Widerstand relativ groß, sodass die Stabilisierung schlechter
wird.
Prinzip der Zenerstabilisierung
Ein einfaches Beispiel soll die Berechnung verdeutlichen. Eine Zenerdiode mit 6,2 V soll für
eine Spannungsstabilisierung für Batterieversorgung mit einem 9-V-Block verwendet
werden. Die angeschlossene Schaltung soll einen schwankenden Strombedarf zwischen 1
mA und 7 mA aufweisen. Die Stabilisierung muss bis herab zu einer Batteriespannung von
7 V reichen, um die Batterie genügend ausnutzen zu können. Der kleinste Strom durch die
Zenerdiode soll 1 mA betragen. Durch den Vorwiderstand muss also bei einer
Eingangsspannung von 7 V noch ein Strom von 8 mA fließen. Die Spannung am
Vorwiderstand beträgt 7 V - 6,2 V = 0,8 V.
Die Spannungsstabilisierung arbeitet jeweils nur ein einem gewissen
Bereich. Sobald die Spannung unter einen gewissen Grenzwert
absinkt oder der Ausgangsstrom über einen bestimmten Grenzwert
ansteigt, sinkt auch die Ausgangsspannung, der Stabilisierungseffekt
ist also nicht mehr gegeben.
Ein Problem der Zenerstabilisierung ist ihr schlechter Wirkungsgrad
bei steigender Eingangsspannung und sinkendem Ausgangsstrom.
Im ungünstigsten Fall beträgt die Eingangsspannung 9 V und der Ausgangsstrom 1 mA.
Am Vorwiderstand liegt eine Spannung von 9 V-6,2 V = 2,8 V. Der Eingangsstrom beträgt
also:
Obwohl der Verbraucher im Beispiel nur bis zu 7 mA benötigt, wird also
bei voller Batterie der vierfache Strom von 28 mA entnommen. Die
überschüssige Leistung wird in nutzlose Wärme umgewandelt. Am
Vorwiderstand beträgt die Leistung:
Der Strom durch die Zenerdiode beträgt 28 mA-1 mA=27 mA. Bei einer Spannung von 6,2
V wird also auch hier eine erhebliche Leistung in Wärme umgesetzt:
In diesem ungünstigsten Fall wird insgesamt eine Leistung von
252 mW aus der Batterie entnommen, wovon nur ca. 6 mW von
der angeschlossenen Schaltung aufgenommen werden. Der
Wirkungsgrad beträgt daher 2,4 %, d.h. 97,6 % der Energie
wird nutzlos in Wärme verwandelt. Im günstigsten Fall (Ui=7 V,
Io= 7 mA) nimmt der Verbraucher 43,4 mW auf, aus der Batterie
wird eine Leistung von 56 mW entnommen, der Wirkungsgrad
beträgt also 77,5 %. Insgesamt wird also die Batterie wesentlich schneller entladen, als es
eigentlich nötig wäre.
Für Batterieversorgung erweist sich die einfache Zenerstabilisierung wegen ihres
schlechten Wirkungsgrads als ungünstig. Es gibt jedoch andere sinnvolle Anwendungen,
von denen hier einige genannt werden sollen:
•
In der Autoelektrik kommen nur geringe Schwankungen der Batteriespannung
zwischen ca. 11 V und 15 V vor, und es steht genügend Energie zur Verfügung.
Kleinere Schaltungen lassen sich sinnvoll mit einer Zenerdiode betreiben. Sie sind
damit gut gegen eventuelle gefährliche Spannungsspitzen geschützt.
•
Bei Versorgung mit einem einfachen Steckernetzteil und einem relativ geringen
Strombedarf bis ca. 20 mA kann der Einsatz einer Zenerdiode sinnvoll sein, weil es
weniger auf einen guten Wirkungsgrad ankommt.
•
Wenn in einer Schaltung bereits eine höhere, stabile Betriebsspannung vorliegt und
nur eine kleinere Hilfsspannung benötigt wird, dann bietet sich der Einsatz einer
Zenerdiode an. Sie verringert gleichzeitig eventuelle Störspannungen.
Aus dem differentiellen Innenwiderstand und dem Vorwiderstand der Zenerschaltung lässt
sich für jeden Arbeitspunkt ein Stabilisierungsfaktor angeben, der besagt wie gut
Schwankungen der Eingangsspannung ausgeregelt werden. Bei einem Zenerstrom von 5
mA beträgt der Innenwiderstand 6 Ohm . Zusammen mit dem Vorwiderstand von 100
Ohm ergibt sich hier ein Spannungsteiler mit einem Verhältnis von 0,06. Der
Stabilisierungsfaktor beträgt daher 6%. Bei einer Änderung der Batteriespannung um 1 V
ergibt sich eine Änderung der stabilisierten Spannung um 60 mV. Sobald die
Batteriespannung nahe an die Zenerspannung herankommt und der Zenerstrom
wesentlich geringer wird, steigt der Innenwiderstand der Zenerdiode und der
Stabilisierungsfaktor wird schlechter.
Achtung der Stabilisierungsfaktor ist folgendermaßen definiert:
In diesem Beispiel beträgt er also
17,7
S=
U E
.
U A
Kehrwert von 6%
Ein weiters Problem der Zenerdiode ist ihr relativ großes breitbandiger Rauschen in der
Größenordnung von 1 mV. Man kann daher Zenerdioden gezielt als Rauschquellen in der
Messtechnik einsetzen (siehe z.B. Filtermessung mit Rauschgenerator). Bei der
Spannungsstabilisierung stört das Rauschen dagegen, weil es über die Betriebsspannung
in den Signalweg einer Schaltung gelangen kann. Wenn es auf eine sehr saubere und
störspannungsfreie Spannung ankommt, ist das Eigenrauschen einer Zenerdiode also
problematisch. Man kann es aber durch einen zusätzlichen Kondensator reduzieren. Damit
wird zugleich der differentielle Innenwiderstand der stabilisierten Spannungsquelle für
höhere Frequenzen kleiner.
Erzeugen einer rauscharmen Hilfsspannung
Wenn es auf höchste Spannungskonstanz ankommt, ist der Temperaturkoeffizient einer
normalen Zenerdiode vor allem bei sehr kleinen und sehr großen Zenerspannungen zu
schlecht. Oft ist es günstig, eine Zenerdiode von 5,1 V oder 5,6 V mit geringer
Temperaturänderung zu verwenden und die Zenerspannung mit einem OPV auf den
gewünschten Wert zu verstärken. Für besondere Zwecke werden temperaturkompensierte
Zenerdioden angeboten. Ein typischer Einsatz liegt in der Erzeugung einer hochstabilen
Abstimmspannung von 33 V für den Einsatz von Kapazitätsdioden.
Interessant ist, dass praktisch jeder NPN-Si-Kleinsignaltransistor ebenfalls als Zenerdiode
eingesetzt werden kann. Die Basis-Emitter-Diode weist einen ausgeprägten Zenereffekt
mit etwa 9 V auf. Wie jede Zenerdiode hat auch der Transistor ein erhebliches
Eigenrauchen, sodass man ihn als wirkungsvolle Rauschquelle zu Messzwecken einsetzen
kann. Ist das Rauschen unerwünscht, dann muss ein Siebkondensator verwendet werden.
Ein Transistor als Zenerdiode
Oft benötigt man in einer Schaltung stabilisierte Hilfsspannungen. Wenn es um kleinere
Spannungen geht, kann es sinnvoll sein, statt einer Zenerdiode eine oder zwei normale SiDioden in Durchlassrichtung zu betreiben. Der differentielle Innenwiderstand einer Diode
liegt bei einem Strom von 1 mA im Bereich von 25 Ohm, ist also wesentlich geringer als
der Innenwiderstand einer Zenerdiode mit kleiner Zenerspannung. Oft verwendet man
auch LEDs zur Stabilisierung, wenn Spannungen zwischen ca. 1,5 V und 2 V benötigt
werden. Der Temperaturkoeffizient betragt dabei ca. -2 mV/K für jede Diodenstrecke.
Spannungsstabilisierung mit Dioden in Durchlassrichtung
Manchmal ist es sinnvoll, statt eines Vorwiderstands eine Konstantstromquelle zu
verwenden. Dazu eignet sich z.B. ein J-FET. Zum einen kommt es damit zu keiner
unnötigen Steigerung des Zenerstroms bei höheren Eingangsspannungen. Zum anderen
verbessert die Konstantstromquelle den Stabilisierungsfaktor ganz erheblich, weil sie selbst
einen sehr großen Innenwiderstand hat. Für beste Ergebnisse sollte eine ausreichende
Restspannung von ca. 3 V am FET bleiben.
Verwendung eines FET als Konstantstromquelle
Wenn eine hochstabile Spannung benötigt wird, setzt man eine Vorstabilisierung ein. Man
kann z.B. zwei Zenerschaltungen hintereinander schalten. Noch besser ist es, aus der
stabilisierten Ausgangsspannung selbst eine höhere Eingangsspannung abzuleiten. Setzt
man dazu einen OPV ein, hat man den weiteren Vorteil, dass alle Änderungen des
Laststroms allein durch den OPV aufgebracht werden und an der Zenerdiode selbst keine
Laständerungen mehr auftreten.
Eine hochgenaue Spannungsquelle mit OPV
Für die Schaltung wurde eine Zenerdiode mit minimalem Temperaturkoeffizienten
eingesetzt. Man kann den Temperatureinfluss noch weiter verringern, wenn man ihn
gezielt kompensiert. Eine Zenerdiode mit 6,2 V hat einen TK von +2,2 mV, der sich durch
den TK einer normalen Si-Diode von -2,2 mV/K kompensieren lässt. Bei einer
Durchlassspannung von 0,6 V erhält man eine Zenerspannung von 6,8 V.
Kompensation der Temperaturabhängigkeit
Für höhere Ansprüche ersetzt man Zenerdioden durch integrierte Spannungsreferenzen.
Sogenannte Bandgap-Referenzschaltungen bestehen intern aus einer reinen
Transistorschaltung, verhalten sich aber nach außen hin wie hochkonstante Zenerdioden.
Solche Spannungsreferenzen werden z.B. 2,5 V, 5 V und 10 V angeboten und spielen eine
wichtige Rolle in der Messtechnik. Bandgap-Referenzen werden weiter unten behandelt.