Warum braucht man eine Spannungsstabilisierung?
Hier ist ein Beispielszenario, das ich so schon erleben durfte:
Ich sitze gerade an einem wichtigen Projekt, das morgen fertig sein muss. Mein Computer arbeitet auf Hochtouren.
Und dann passiert es plötzlich.
Der Bildschirm friert ein. Ich versuche noch, die Arbeit der letzten Minuten zu speichern. Doch bevor ich reagieren kann, wird auf einmal der Bildschirm schwarz.
Ohne Vorwarnung startet der Rechner neu.
Was ist denn jetzt los? Denke ich.
Und zuerst denke ich, es sei ein einmaliger Ausrutscher. Vielleicht eine Spannungsschwankung im Netz oder ein Sekundenbruchteile dauernder Stromausfall. Eine dieser unvermeidbaren Störungen, die immer dann auftreten, wenn man sie gar nicht brauchen kann.
Was bleibt mir anderes übrig. Ich fahre das System wieder hoch, öffne meine Projektdatei und mache da weiter, wo ich aufgehört habe – nur die letzten zehn Minuten Arbeit sind leider futsch.
Aber kaum habe ich mich in die Details vertieft, höre ich das leise Rauschen der Lüfter intensiver werden. Da passiert es auf einmal:
Der Bildschirm friert ein und der Computer reagiert auf keine Eingaben mehr, weder mit der Maus noch mit der Tastatur.
Langsam frage ich mich, was hier eigentlich los ist. Der Rechner, der bis gestern einwandfrei lief, scheint bei den einfachsten Aufgaben überfordert zu sein. Nach einer Weile schwant mir, was los ist und dass hier ein Hardwarefehler vorliegt.
Genauer gesagt ist es ein Fehler in der Spannungsversorgung des Computers.
Unstabile Spannungen führen zu seltsamen Fehlern – so, wie es im grade beschriebenen Szenario bei mir schon vorgekommen ist.
Es geht um die Spannungsstabilisierung. Denn ohne diese kann kein Computer richtig funktionieren.
Meist ist es nur ein winziges Bauteil, das irgendwo auf dem Mainboard seine Arbeit verrichtet – und dessen Aufgabe es ist, die Spannung konstant zu halten. Oder ein Elektrolytkondensator, der keine Kapazität mehr hat.
Auf jeden Fall zeigt es, wie wichtig eine Spannungsstabilisierung ist. Das gilt nicht nur für Computer oder Laptops – auch fast alle anderen elektronischen Geräte benötigen konstante Spannungen. Das gilt besonders dann, wenn sie Mikroprozessoren oder Mikrocontroller enthalten. Bausteine, die meist nur mit stabilisierter Spannung zuverlässig funktionieren.
Aber wie kann eine solche Spannungsstabilisierung aufgebaut werden?
Wie funktioniert so etwas mit der Z-Diode und anderen Bauteilen? Auf die Z-Diode bin ich schon in einem anderen Beitrag eingegangen, in dem es um einen Z-Dioden-Tester ging. Sie finden den Beitrag unter dem Link.
In diesem Beitrag möchte ich näher auf das Thema Spannungsstabilisierung mit der Z-Diode eingehen. Sie erfahren, wie diese funktioniert und aufgebaut werden kann. Außerdem erfahren Sie, welche weiteren Bauteile hilfreich für eine Spannungsstabilisierung sind.
Warum die Spannungsstabilisierung notwendig ist
Ein paar der praktischen Auswirkungen einer fehlenden (oder fehlerhaften) Spannungsstabilisierung haben Sie schon kennengelernt. Es ist eines der wichtigsten Prinzipien in der Elektronik.
Doch warum ist es eigentlich so wichtig, dass Spannungen in Schaltungen stabil bleiben?
Wenn die Spannung zu stark schwankt, kann das die Bauteile in einer Schaltung beschädigen oder sogar die Funktion ganzer Systeme beeinträchtigen. Siehe Beispiel Computer.
Stabile Spannungen sind für viele elektrische Geräte unverzichtbar, da sie die empfindlichen Komponenten schützen und für zuverlässige Betriebsbedingungen sorgen.
Ob in Computern, medizinischen Geräten oder Autos – überall dort, wo sensible Elektronik im Spiel ist, sind konstante Spannungen zwingend notwendig. Besonders in der Mikroelektronik könnten Spannungsschwankungen verheerende Folgen haben, da hier die Toleranzen für die Spannungsversorgung meist sehr gering sind.
Die Spannungsstabilisierung hat dabei nicht nur eine schützende Funktion, sondern optimiert auch die Effizienz der Geräte. Wenn alle Bauteile mit der idealen Spannung versorgt werden, arbeiten sie optimal, erzeugen weniger Wärme und nutzen die Energie effizient.
Das führt nicht nur zu längerer Lebensdauer, sondern auch zu einem zuverlässigen und stabilen Betrieb der Geräte.
Und nun erfahren Sie, wie eine Spannungsstabilisierung mithilfe der Z-Diode funktioniert und was die Z-Diode zum Schlüssel dafür macht.
Die Z-Diode als Herzstück der Stabilisierung
Die Z-Diode ist ein unscheinbares Bauteil, das in vielen Schaltungen die Rolle von einem „Spannungskonstanthalter“ übernimmt.
Aber was macht sie so besonders? Der Schlüssel liegt im sogenannten Zener-Effekt, der dieser speziellen Diode ihre Stabilisierungseigenschaften verleiht.
Eine Z-Diode sieht auf den ersten Blick aus wie eine gewöhnliche Diode, ist jedoch speziell dafür konstruiert, in Sperrrichtung zu arbeiten.
Eine Standarddiode (etwa einer wie die 1N4148) betreibt man in Durchlassrichtung. In Sperrrichtung lässt sie den Strom nicht fließen. Es sei denn, man legt eine viel zu hohe Spannung in Sperrrichtung an. Sie arbeitet also wie ein Ventil für den elektrischen Strom.
Eine Z-Diode arbeitet ebenfalls wie ein Ventil für den elektrischen Strom – aber mit einem wesentlichen Unterschied:
Sie ist auch in Sperrrichtung leitend, aber erst ab einer bestimmten Spannung. Dies ist die sogenannte Zener- oder Durchbruchspannung, die erreicht werden muss, bis sie in dieser Stromrichtung leitend wird.
Überschreitet die Spannung diesen Punkt, wird der „Zener-Effekt“ aktiviert:
Die Z-Diode beginnt zu leiten, aber auf eine kontrollierte Weise, bei der sie die überschüssige Spannung ableitet und eine konstante Spannung aufrechterhält. Sie hält sozusagen die Spannung auf diesem stabilen Wert.
Wie können Sie sich das vorstellen? Dazu ein praktisches Beispiel:
Stellen Sie sich ein Wasserbecken mit einem Überlauf vor. Steigt der Wasserstand über einen bestimmten Pegel an, läuft das überschüssige Wasser hier ab.
Der Wasserstand bleibt auch dann konstant, wenn noch mehr Wasser nachfließt.
So ähnlich funktioniert das auch mit einer in Sperrrichtung in den Stromkreis geschalteten Z-Diode. Die „überschüssige“ Spannung fließt ab, sodass die an der Z-Diode anliegende Spannung konstant anliegt, auch wenn die Eingangsspannung an der Schaltung höher ist. Damit funktioniert das ähnlich wie beim Wasserüberlauf am Waschbecken.
Und so wie in der folgenden Abbildung sieht das im Schaltbild aus.
Zur Funktionsweise:
Am Eingang der Schaltung liegen 9 Volt an. Die Z-Diode „öffnet“ ab 6 Volt. Diese 6 Volt liegen am Ausgang der Schaltung an.
Und sie liegen dort auch an, wenn am Eingang 7 Volt, 8 Volt oder 12 anliegen.
Was passiert aber mit der Spannung über den 6 Volt?
Diese liegt am Vorwiderstand in der Schaltung an. Würde dieser fehlen, würde der Stromfluss durch die Z-Diode – genauer gesagt, der Stromfluss verursacht durch die Spannungsdifferenz zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung – viel zu hoch. Deshalb ist dieser Widerstand so wichtig.
Denn an ihn liegen die „überschüssigen Volt“ an, im Beispiel aus dem Schaltbild also 3 Volt.
Ist an der Schaltung wie im Schaltbild dargestellt kein Verbraucher angeschlossen, fließt also ein Strom durch den Widerstand und die Z-Diode. Diese beiden Bauteile bilden eine Reihenschaltung. Da die Spannung an der Z-Diode durch deren Spannungswert (also der auf dem Bauteil angegebenen Z-Diodenspannung) vorgegeben ist, bleibt für den Vorwiderstand der „Rest“ übrig, in dem Fall die 3 Volt.
Läge die Eingangsspannung bei 10 oder 12 Volt, wären es 4 oder 6 Volt. Aber auch der Stromfluss würde sich aufgrund der höheren Eingangsspannung erhöhen.
Und es kommt noch etwas Weiteres hinzu:
Da man eine solche Schaltung nicht aus Spaß aufbaut, sondern ein Verbraucher angeschlossen werden soll, erhöht sich der Strom durch den Widerstand nochmals. Denn der durch den Verbraucher fließende Strom kommt hinzu.
Sie können sich denken, dass eine solche Schaltung aus den genannten Gründen nur für sehr geringe Lasten geeignet ist. Trotzdem wird (oder besser wurde) sie in dieser Form in vielen Geräten schon eingesetzt.
Die Z-Diode ist also eine einfache Lösung, wenn es darum geht, Spannungsschwankungen abzufangen und eine stabile Spannung zu erzeugen.
Angenommen, die Spannung in einer Schaltung steigt plötzlich an, zum Beispiel durch Schwankungen der Stromquelle oder durch Belastungsänderungen. Ohne eine Stabilisierung könnte dies zu Überlastungen führen und empfindliche Bauteile schädigen. Hier greift die Z-Diode ein:
Sobald die Spannung den Spannungswert überschreitet, beginnt die Z-Diode zu leiten und sorgt dafür, dass die Spannung nicht weiter ansteigt. Sie hält die Spannung konstant und schützt so die Schaltung.
Ähnlich, wie ein Überlauf am Wasserbecken den Raum vor einer Überschwemmung schützt, indem er das überschüssige Wasser abfließen lässt.
Was passiert bei der Spannungsstabilisierung mit der Überspannung?
Sie sollten wissen, dass die Z-Diode die überschüssige Spannung nicht „verschwinden“ lässt. Stattdessen setzt sie die zusätzliche elektrische Energie in Wärme um. Das bedeutet, dass sie nur bis zu einer gewissen Belastung stabilisierend wirken kann.
Wird die Leistung zu hoch, kann die Z-Diode überhitzen und beschädigt werden. Daher wird bei der Schaltungsplanung genau darauf geachtet, dass die Z-Diode nur innerhalb ihres Leistungsbereichs arbeitet.
Der Zener-Effekt ist also eine Art „Notbremse“ für die Spannung. Sobald die Spannung auf einen festgelegten Wert steigt, tritt die Z-Diode in Aktion und hält die Spannung in einem engen Bereich konstant.
So schützt der Vorwiderstand die Z-Diode
Warum der Widerstand in der Schaltung eingesetzt wird, haben Sie bereits erfahren, zumindest ansatzweise. Er ist ein kleines, aber wichtiges Bauteil, das dafür sorgt, dass die Z-Diode vor Überlastung geschützt bleibt.
Der Vorwiderstand übernimmt gleich zwei zentrale Aufgaben: Er begrenzt den Strom, der durch die Z-Diode fließt und reguliert so ihre Belastung, um eine Überhitzung zu verhindern.
Er sorgt dafür, dass nur ein Strom bis zu einer gewissen Stärke durch die Z-Diode fließen kann. Wenn wir eine Stromquelle ohne Vorwiderstand direkt an eine Z-Diode anschließen würden, könnte bei einem Anstieg der Eingangsspannung schnell ein zu großer Strom durch die Diode fließen.
Die Z-Diode würde überhitzen und durchbrennen. Der Vorwiderstand hält den Strom im Griff und stellt sicher, dass die Z-Diode innerhalb ihrer sicheren Grenzen arbeitet.
Aber wie funktioniert das genau?
Im Schaltbild ist es bereits zu erkennen. Der Vorwiderstand sorgt dafür, dass ein Teil der Spannung, die durch die Schaltung fließt, vor der Z-Diode „verbraucht“, also in Wärme umgewandelt wird.
Und dieser Spannungsabfall am Vorwiderstand reduziert die Spannung, die tatsächlich an der Z-Diode ankommt, sodass sie nur so viel Leistung aufnehmen muss, wie sie verarbeiten kann.
Dies ist besonders wichtig, weil die Z-Diode zwar in der Lage ist, überschüssige Spannung in Wärme umzuwandeln, jedoch nur bis zu einem bestimmten Punkt – ihrer maximalen Belastungsgrenze.
Zusätzlich bietet der Vorwiderstand eine Pufferzone. Angenommen, der Strombedarf der angeschlossenen Schaltung verändert sich plötzlich, etwa durch das Ein- und Ausschalten von Bauteilen. Ohne Vorwiderstand könnte die Z-Diode in solchen Momenten überlastet werden. Der Vorwiderstand puffert solche Schwankungen ab.
Die Dimensionierung des Vorwiderstands ist dabei natürlich nicht willkürlich. Er wird so gewählt, dass er den Strom im Rahmen der maximalen Belastbarkeit der Z-Diode hält, selbst wenn die Eingangsspannung schwankt. Dies erfordert genaue Berechnungen, um sicherzustellen, dass der Widerstand den Stromfluss zuverlässig begrenzt, ohne die Spannung unnötig zu verringern.
Der Vorwiderstand ist damit mehr als nur ein Schutz – er ist ein wichtiges Schaltungselement. Dank ihm kann die Z-Diode zuverlässig als Spannungsregler arbeiten, selbst wenn die Eingangsspannung schwankt.
Was ist nun aber, wenn Sie einen Verbraucher mit einer höheren Stromaufnahme anschließen wollen? Auch dafür gibt es eine Lösung, auf die ich nun eingehen möchte. Hierfür kommt ein weiteres Bauteil ins Spiel: der Transistor.
Der Transistor als Verstärker: wenn mehr Leistung nötig wird
Eine Z-Diode ist zwar gut dafür geeignet, um Spannungen zu stabilisieren, aber ihre Belastbarkeit ist doch sehr begrenzt. Sobald höhere Ströme benötigt werden, kommt der Transistor ins Spiel – als Verstärker, welcher der Z-Diode das Leben deutlich leichter macht.
Die Z-Diode stellt auch weiterhin die stabile Referenzspannung bereit.
Aber statt an diese direkt an die Last anzulegen, wird sie zur Ansteuerung des Transistors genutzt. Der Transistor selbst übernimmt dann die Aufgabe, die höhere Stromlast zu tragen und die Spannung zur eigentlichen Last weiterzuleiten. Er verstärkt den Strom, den die Z-Diode allein nicht bewältigen könnte, und schützt sie so vor Überlastung.
Der Widerstand wird ebenfalls entlastet, da nun der Laststrom für den Verbraucher nicht mehr durch ihn hindurchfließen muss. Sehen Sie sich dazu die folgende Schaltung an.
Die Z-Diode selbst benötigt nur einen geringen Strom, um ihre Spannung zu stabilisieren, und dank des Transistors wird diese stabile Spannung auf einen deutlich stärkeren Strom „übertragen“. Der Transistor sorgt so für eine größere Stromverstärkung und hält die Ausgangsspannung konstant, selbst wenn die angeschlossene Last schwankt.
Der Transistor macht die Schaltung leistungsfähiger, was den Ausgangsstrom angeht. Mit seiner Hilfe kann eine Z-Diode auch in Anwendungen mit höherem Laststrom eingesetzt werden.
Die Z-Diode liefert die stabile Referenzspannung, und der Transistor übernimmt die Aufgabe, diese Stabilität auf die gesamte Schaltung zu übertragen. Damit wird die Kombination von Z-Diode und Transistor zu einem kleinen, leistungsfähigen Team, das auch höhere Ausgangsströme liefern kann.
Im Zusammenspiel passiert Folgendes:
Die Z-Diode stabilisiert die Spannung auf einen bestimmten, festen Wert und speist damit die Basis vom Transistor. Der Transistor wird so angesteuert, dass er genau diesen stabilen Spannungswert an die Last weitergibt. Die Z-Diode allein könnte diese Aufgabe aufgrund ihrer begrenzten Belastbarkeit nicht übernehmen. Aber in Kombination mit dem Transistor kann sie eine viel größere Last stabilisieren. Der Transistor agiert hier als Verstärker, der die Z-Diode von zu viel Strom entlastet und ihre präzise Spannung auch an größere Verbraucher weiterleitet.
Berechnung der Komponenten: Vorwiderstand, Verlustleistung und Co.
Für eine funktionierende Spannungsstabilisierung mit Z-Diode ist eine präzise Dimensionierung der Komponenten das A und O. Dabei müssen wir sicherstellen, dass die Z-Diode innerhalb ihrer vorgegebenen Grenzwerte arbeitet und nicht überlastet wird.
In diesem Abschnitt geht es um die Berechnung des Vorwiderstands, des Gesamtstroms sowie der Dimensionierung der einzelnen Bauteile.
Spannungsstabilisierungsschaltung Beispiel
Schauen wir uns eine Schaltung zur Spannungsstabilisierung an einem Beispiel an. Die Schaltung soll eine Ausgangsspannung von ca. 12 Volt bei einer variierenden Eingangsspannung von bis zu etwa 18 Volt liefern. Dabei soll die Schaltung bis zu 600 Milliampere Laststrom liefern können.
Zusammengefasst also folgende Werte:
- Eingangsspannung (UE): 18 bis 19 V
- Ausgangsspannung (UA): 12 V
- Ausgangsstrom (IA): 600 mA
- Stromverstärkung (B): 70
Berechnung der Z-Diodenspannung (UZ)
Die Z-Diodenspannung ergibt sich aus der Ausgangsspannung UA und der Basis-Emitter-Spannung (UBE) des Transistors. Der Spannungsabfall kommt durch den Halbleiterübergang des Transistors zustande. Daraus ergibt sich Folgendes;
UZ = UA + UBE = 12 V + 0,7 V = 12,7 V
Berechnung des Basisstroms (IB)
Da der Ausgangsstrom IA etwa dem Kollektorstrom IC entspricht und der Basisstrom IB im Vergleich zur Verstärkung B klein ist, ergibt sich (70 ist der Verstärkungsfaktor des hier verwendeten Transistors):
IB = IC / B = 600 mA / 70 ≈ 8,57 mA
Mindeststrom der Z-Diode (IZmin)
Um stabile Bedingungen sicherzustellen, sollte der Mindeststrom der Z-Diode IZ etwa 10 Prozent des maximalen Basisstroms betragen:
IZmin = 0,1 × IB = 0,1 × 8,57 mA = 0,857 mA
Gesamtstrom durch den Widerstand R (IR)
Der Strom IR durch den Widerstand R1 ist die Summe aus Basisstrom IB und Mindest-Z-Diodenstrom IZ. Der Strom teilt sich also „hinter“ dem Widerstand in den Basisstrom und den Z-Diodenstrom:
IR = IB + IZ = 8,57 mA + 0,857 mA ≈ 9,43 mA
Berechnung des Widerstandswertes R
Für die Berechnung von R im ungünstigsten Fall nehmen wir die minimale Eingangsspannung von UE = 18 V an, da hier die Spannungsreserve für den Widerstand am kleinsten ist:
UR = UE – UZ = 18 V – 12,7 V = 5,3 V
Daraus ergibt sich für den Widerstand R:
R1 = UR / IR = 5,3 V / 9,43 mA ≈ 562 Ω
Aus der E12-Reihe ergibt sich ein Standardwert für R1 von 560 Ω.
Belastbarkeit des Widerstands
Im ungünstigsten Fall der maximalen Eingangsspannung UE = 19 V beträgt die Spannung an R:
UR = 19 V – 12,7 V = 6,3 V
Die erforderliche Leistung von R ist dann:
PR1 = UR² / R1 = (6,3 V)² / 560 Ω ≈ 70,9 mW
R sollte also eine Mindestbelastbarkeit von 100 mW aufweisen.
Belastbarkeit der Z-Diode
Im ungünstigsten Fall fließt kein Ausgangsstrom, sodass der gesamte Strom IR über die Z-Diode abgeleitet werden muss:
IZ = IR ≈ 9,43 mA
Die Leistungsbelastbarkeit der Z-Diode beträgt:
PZ = UZ × IZ = 12,7 V × 9,43 mA ≈ 119,7 mW
Die Z-Diode sollte daher eine Mindestbelastbarkeit von 150 mW aufweisen.
Belastbarkeit des Transistors
Im ungünstigsten Fall beträgt die Eingangsspannung UE = 19 V und der Ausgangsstrom IA = 600 mA. Die Kollektor-Emitter-Spannung UCE ist dann:
UCE = UE – UA = 19 V – 12 V = 7 V
Die Leistung des Transistors beträgt:
PV2 = IC × UCE ≈ IA × UCE = 600 mA × 7 V = 4,2 W
Der Transistor sollte daher eine Mindestbelastbarkeit von 5 Watt aufweisen.
Zusammenfassung der neuen Werte:
- Z-Diodenspannung UZ: 12,7 V
- Widerstand R1: 560 Ω, Belastbarkeit mindestens 100 mW
- Z-Dioden-Belastbarkeit: mindestens 150 mW
- Transistor-Belastbarkeit: mindestens 5 W
Praktischer Aufbau der Schaltung zur Spannungsstabilisierung
Als Z-Diode stand leider nur eine ZPD12 mit einer Nennspannung von 12 Volt zur Verfügung. Dementsprechend wird also die Ausgangsspannung der Schaltung etwas weniger als 12 Volt betragen.
Der Transistor erwärmt sich doch recht schnell. Ein Kühlkörper ist deshalb notwendig. Aber die Schaltung funktioniert mit den errechneten Werten, wenn auch mit geringer Abweichung durch die Z-Diode mit nur 12 Volt, sehr gut.
Mehr zum Darlington-Transistor in Kürze in einem weiteren Beitrag. Nur soviel als Info:
Ein Darlington-Transistor oder eine Darlington-Schaltung besteht aus zwei hintereinandergeschalteten Bipolartransistoren, wobei der Ausgang des ersten Transistors an die Basis des zweiten Transistors gekoppelt ist.
Durch diese Anordnung erreicht man eine sehr hohe Stromverstärkung, es ist ähnlich wie bei zwei Verstärkerstufen. In einer Darlington-Schaltung fließt nur ein sehr kleiner Basisstrom in den ersten Transistor, um einen deutlich höheren Ausgangsstrom im zweiten Transistor zu steuern. Die Darlington-Schaltung wird häufig eingesetzt, wenn eine hohe Verstärkung bei geringer Ansteuerleistung benötigt wird, beispielsweise in Leistungsschaltern und Verstärkern.
Weiter zum Beitrag mit dem Z-Dioden-Tester.
