HSD FB E I. Hochschule Düsseldorf Fachbereich Elektro- und Informationstechnik. Datum: WS/SS Gruppe: Teilnehmer Name Matr.-Nr.

Transkript

1 HSD FB E I Hochschule Düsseldorf Fachbereich Elektro- und Informationstechnik Schaltungs-Praktikum Schaltungen mit Z-Dioden Datum: WS/SS Gruppe: Teilnehmer Name Matr.-Nr 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 M1.13a/b Tel.: 0211 /

2 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 I 40 U 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

3 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 Uz wird zur Kennzeichnung der Z-Diode verwendet. Zur eindeutigen Definition von Uz muß immer der zugehörige Strom Iz benannt werden. Die Definition von Uz erfolgt in der Regel bei einem Strom von Iz = 5 ma. Die Steigung der Kennlinie ist ein Maß für den differentiellen Widerstand rz = du / di der Z-Diode. Je steiler die Kennlinie,desto kleiner ist der differentielle Widerstand. Wegen des nahezu geraden Kennlinienverlauf kann der differentielle Widerstand mit hinreichend hoher Genauigkeit durch die Bildung eines Steigungsdreiecks u / i zeichnerisch oder auch durch Messung bestimmt werden. Wegen der steilen Kennlinie eignet sich die Z-Diode zum Aufbau von einfachen Schaltungen zur Stabilisierung von Spannungen. Wenn 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. Rv D U2 Bild 1.2 Schaltung zur Spannungsstabilisierung Die Wirkungsweise der Stabilisierung geht aus dem Bild 1.3 hervor. Wird die Eingangsspannung von zu ' 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 RL betrieben wird. Unter Zuhilfenahme des differentiellen Widerstandes rz der Z-Diode kann die Stabilisierung durch den Stabilisierungsfaktor d Rv Rv S = = +1 du2 rz rz oder durch den relativen Stabilisierungsfaktor Rv d/ U2 Srel. = = S du2/u2 rz U2 beschrieben werden.um die Stabilisierungsfaktoren meßtechnisch oder zeichnerisch mit Hilfe von Arbeitsgerade und Kennlinie bestimmen zu können werden an Stelle der mathematisch exakten differentiellen Werte entsprechende -Werte gebildet. 2

4 I ma R V = 100 Ω 80 I U U ' V U2 Bild 1.3 Wirkungsweise der Spannungsstabilisierung Aus der Beziehung ist zusätzlich ersichtlich, daß der Vorwiderstand Rv einen Einfluß auf die Stabilisierung hat, ein großer Widerstand Rv ergibt eine bessere Stabilisierung als ein kleinerer. Es ist jedoch zu beachten, daß mit größerem Vorwiderstand wegen der Verluste in diesem Widerstand der Wirkungsgrad 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 Rv 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 Pvmax = Izmax Uz 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

5 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. Izmax = Pv 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. I1L I2L C1 Rv D C2 U2 RL Bild 2.1 Schaltung zur Spannungsstabilisierung Die Eingangsspannung soll eine geringe Welligkeit aufweisen. Wird 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 Wechselspannung der Netzversorgung, keine Versorgungsspannung geliefert wird. Die Energiespeicherung erfolgt durch einen Kondensator. 4

6 2.3 Kondensator C1 Der Kondensator C1 ist zur Glättung der Eingangsspannung vorgesehen. Bild 2.2 zeigt ( stark vereinfacht ) die Spannung am Ladekondensator C1. U TE 5ms UBr 5ms 10ms t 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 C1 ist. Die Entladung erfolgt nach einer e-funktion mit der Zeitkonstanten: τe = RL C1 Aus der maximal zulässigen Brummspannung UBr und dem maximalen Entladestrom I1L von C1 erhält man als Näherung eine Beziehung zwischen C1 und der Größe des Entladezyklus TE C1 = TE I1L UBr Nimmt man für den Spitzenwert der Brummspannung einen zulässigen Wert von 10 % der Nenneingangsspannung und für die Entladezeit ca. 5ms an ( Bild 2.2 ),so kann der erforderliche Wert des Kondensators C1 abgeschätzt werden. 2.4 Kondensator C2 Der Kondensator C2 ist nur dann erforderlich, wenn kurzzeitig Spitzenbelastungen durch den Verbraucher auftreten können, bei denen der ausgangsseitige Laststrom I2L 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 C2 nur für den jeweiligen Anwendungsfall erfolgen kann. Als Erfahrungswert kann angegeben werden: C2 / µf = 0,1 I2Lmax / 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 RL gegen zu hohe oder falsch gepolte Spannungen zu schützen. So verhindert die Schaltung nach Bild 2.1, daß die Spannung am Verbraucher RL größer als UZ oder in der anderen Richtung kleiner als die Durchlaßspannung UD der Z-Diode wird. 5

7 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 rz.ergänzen Sie die Kennlinie durch Einzeichnen einer Verlustleistungshyperbel für die Leistung von 0,5 W. Uz ( Iz = 5 ma) = Uz ( Iz =30 ma) = V V rz = Iz ma 50 0 Diagramm Uz V 4.2 Berechnen Sie den Vorwiderstand RV 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 C1 und C2 und den Lastwiderstand RL. RV = C1 = RL = C2 = 6

8 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 %. min = U2 ( min ) = = 12 V U2 ( =12V) = max = U2 ( max ) = Berechnen Sie aus Ihren Messungen: S = Srel. = 4.4 Konstruieren Sie in die erste Periode von den Verlauf der Ausgangsspannung U2, 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 Werte! U 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