Stabilisierung von Gleichspannungen mit einer Diode

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1 UniversitätPOsnabrück Fachbereich Physik Vorlesung lektronik W. Bodenberger 1 Dr. W. Bodenberger Stabilisierung von Gleichspannungen Stabilisierung von Gleichspannungen mit einer Diode, Der Diodenstrom i D und die Diodenspannung U 2 sind durch zwei Bedingungen festgelegt: 1)durch die Diodenkennlinie i D = f(u 2 ) 2)durch die ingangsspannung U 1 und den Spannungsabfall von i D + i L an L Mit den Kirchhoffschen egeln ergibt sich: KS: i i D i L = 0 (1) KV: i + U 2 U 1 = 0 (2) Der Spannungsabfall am Lastwiderstand L ergibt sich zu i L = U 2 (3) L Aus (2) erhält man: i = U 1 U 2 und aus (1) i D = i i L () rsetzt man die Ströme i und i L durch die Spannungen so ergibt sich i D = U 1 U 2 U 2 (5) L Dies ist die Geradengleichung der Arbeitsgerade oder auch Widerstandsgerade, die man im Kennlinienfeld i D undu 2 darstellt. A A ) H> A JI F K J i D = U 1 U 2 ( ) (6) L Den Achsenabschnitt auf der y - Achse erhält man, wenn man U 2 = 0 setzt. Dies ergibt den maximalen Strom der durch die Diode fließt. r ist gleich U 1 /. Die maximale Ausgangsspannung U 2max (den Achsenabschnitt auf der x - Achse) erhält man, wenn man den Strom i D = 0 setzt. r ist: U 2 = L U 1 (+ L ). Die Steigung ist (+ L) L Die gesuchte Ausgangsspannung U 20 im Arbeitspunkt ergibt sich aus dem Schnittpunkt beider Kurven im i D U 2 - A A A J

2 UniversitätPOsnabrück Vorlesung lektronik W. Bodenberger 2 ine Änderung U 2 von U 20 kann zwei Ursachen haben, einmal ein Schwanken der Primärspannung um. Zum anderen eine Änderung der Belastung L,d.h.Änderung des Verbraucherstromes um i L. Im ersten Fall wird die Widerstandsgerade um,, A A ) H> A JI F K A A A J > A 5? D M = K A H- C = C I I F = K C Ist r D L dann wird (+ L ) parallel verschoben: Aus dem Bild liest man ab: U 2 = r D i D Für i D kann man die Widerstandsgerade einsetzen: ( U1 U 2 = r D U ) 2 ( + L ) () L Für die Ausgangsschwankung U 2 in Abhängigkeit von der Schwankung der ingangsspannung U 1 ergibt sich dann: U 2 = r D 1 + r (8) D (+ L ) L U 2 = r D (9) Ändert sich die Belastung um i L, so dreht sich die Widerstandsgerade um den Schnittpunkt U 1 der i D -Achse:, mit A A ) H> A JI F K J Mit i = U 1 U 2 erhält man da U 1 konstant sein soll für i = U 2. Für die Ströme gilt nach Formel (1) i D = i i L Damit U 2 = r D i D = r D [ i i L ]. Die Auflösung nach U 2 und i L A A A J > A 5? D M = K A H* A = I JK C U 2 = r d ( + L ) i L (10) Für r D wird damit aus der vorstehenden Gleichung: U 2 r D i L (11) Das bedeutet, die Spannungsquelle hat effektiv einen Innenwiderstand der Größe r D.Dasursprüngliche Schaltbild wird damit äquivalent zu einer rsatzspannungsquelle mit einem Innenwiderstand, der aus der Parallelschaltung des Diodenwiderstandes r D und dem Begrenzungswiderstand besteht.

3 UniversitätPOsnabrück Vorlesung lektronik W. Bodenberger 3 H, Zahlenbeispiel: Als Beispiel wird eine Si - Diode gewählt. Die Werte im Arbeitspunkt sind: i D0 = 0mA U 20 = 0,8Volt r D = 1Ω U 1 = 10Volt L = Am Widerstand muß die estspannung von U 1 minus dem Spannungsabfall an der Diode U 20 abfallen.damit erhält man für : = U 1 U 20 i D0 = 9,2 102 = 230Ω Wie groß ist nun die Stabilisierung gegen Schwankungen der ingangsspannung U 1? U 2 = r D = = 10 3 oder U 2 U 20 = U 2 U 1 U1 U 20 = U 1. Welche Stabilisierung erreicht man bei einer Schwankung des Lastwiderstandes L? U 2 = r D i L Bei einer angenommenen Schwankung von i L von 10 ma ergibt sich eine Schwankung der Ausgangsspannung von U 2 = Volt.

4 UniversitätPOsnabrück Vorlesung lektronik W. Bodenberger Stabilisierung mit Zenerdiode. Genau das gleiche Prinzip der Spannungsstabilisierung durch eine in Durchlaßrichtung betriebene Diode wird angewendet bei einer Stabilisierung durch eine in Sperrichtung betriebene Zenerdiode: A A H@ K H? D > HK? D I F = K C, K H? D > HK? D A A A A H A A A A A A A H A A A Spannungsbegrenzung nach unten (pick - off Die Grundschaltung ist sehr einfach. Sie besteht aus einer Diode und einem begrenzenden Widerstand an den in diesem Fall eine positive Spannung +U d angelegt ist. So lange die ingangsamplitude von U 1 kleiner als die von U d ist bleibt die Diode gesperrt und U 2 ist gleich Null. Die nebenstehende Schaltung ist die einfachste Form eines Impulshöhen Diskriminators. Impulse,deren Amplituden kleiner als U d sind werden nicht übertragen. 1 F K I D D A, H H = J H

5 UniversitätPOsnabrück Vorlesung lektronik W. Bodenberger 5 rzeugung von Dreiecks - Impulsen. Mittels eines C - Hochpasses einer Diode und einer Klemmspannung lassen sich Dreieckspulse erzeugen. J 8 J Bei t= 0 springt U 2 auf die Spannung U. Dadurch wird die Diode gesperrt.u 2 strebt nach dem Sprung zunächst exponentiell gegen U d,solange die Diode sperrt, d.h. U 2 > 0ist: U 2 =(U + U d ) exp( t T ) U d für U 2 0 U 2 U (U + U d ) tt für t T t U 2 U U d C wenn u U d Sobald jedoch U 2 rdpotential erreicht, leitet die Diode wieder und hält U 2 auf dem Potential 0 fest. Ist U d U so nimmt U 2 annähernd linear ab, und es entsteht ein Dreieckspuls mit der Basisbreite Impulsverlängerung mit pick - off - Dioden. τ T UU d Die Schaltung besteht im Prinzip aus einem Tiefpaß mit einer Diode in J + J 6 + U 2 wächst nach dem positiven Sprung von U 1 exponentiell mit T 1 =( i + d ) Can. Springt U 1 zurück auf 0 Volt, sperrt die Diode und der Kondensator entlädt sich mit T 2 = Cüber.