Spannungsstabilisierung mit Z-Dioden

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1 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 Ri bei Iz=1mA Ri bei Iz =5 ma TK bei IZ = 5mA 3,9V 400 Ohm 85 Ohm -2,5 mv/k 5,1 V 400 Ohm 60 Ohm -0,8 mv/k 5,6 V 80 Ohm 15 Ohm +1,2 mv/k 6,2 V 40 Ohm 6 Ohm +2,3 mv/k 7,5 V 15 Ohm 2 Ohm +4,0 mv/k 10 V 20 Ohm 2 Ohm +6,4 mv/k 15 V 25 Ohm 3 Ohm +11,4 mv/k 24 V 30 Ohm 6 Ohm +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.

2 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

3 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

4 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 Kehrwert von 6% S= U E U A. 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

5 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 Si- Dioden 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.

6 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.

7 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.