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Bild 1a. Die vorstehend
erläuterte Eigenschaft der ZD kann man nutzen, um an einem Verbraucher
RL unabhängig von einer schwankenden Eingangsspannung Ue eine konstante
Ausgangs-(=Verbraucher-)Spannung Ua zu erzeugen. RL (Der Widerstand RL
steht stellvertretend für irgendeinen Verbraucher) liegt parallel
zur ZD und daher ist die an RL liegende Ausgangsspannung Ua gleich der
an ZD auftretenden Zenerspannung. Der durch Rv fließende Strom teilt
sich auf den Zenerstrom Iz durch ZD und den Verbraucherstrom Ia durch
RL auf.
Erhöht oder erniedrigt sich Ue, so ändert sich der Strom durch
Rv und der Strom Iz durch die ZD entsprechend. Ia ändert sich nicht,
da ja Uz (unabhängig von Iz) und damit auch +Ua konstant geblieben
ist.
Ändert sich andererseits die Größe von RL, so ändert
sich Ia gemäß dem Ohmschen Gesetz Ua = RL x Ia, da ja +Ua konstant
ist. Nimmt man für den Moment Ue als fest an, so ist der Spannungsabfall
Ua - Ue an Rv also auch der Strom durch Rv gemäß Ohmschen Gesetz
unverändert. Die Stromänderung Ia muß also durch eine
entsprechende Änderung von Iz kompensiert werden.
Die Schaltung hält also die Azusgangsspannung Ua stabil sowohl gegenüber
Schwankungen der Eingangsspannung Ue als auch gegenüber Änderungen
des Ausgangsstromes Ia zufolge Änderung des Verbraucherwiderstandes
RL !
Zur Dimensionierung des Vorwiderstandes Rv.
Rv ist so zu wählen, daß einerseits der
maximal zulässige Zenrstrom Iz,max nicht überschritten wird,
andererseits immer ein genügend großer Zenerstrom Iz,min verbleibt,
damit die stabilisierende Wirkung nicht verloren geht. Bei veränderlichem
Ue und veränderlichem RL ergeben sich leicht einsehbar folgende Grenzen
für Rv: Rv,min = (Ue,min - Ua)/(Iz,min + Ia,max) und Rv,max = (Ue,max
- Ua)/(Iz,max + Ia,min). Man wählt für Rv den dazwischen liegenden
Mittelwert.
Werte für die Praxis: Die
Verlustleistung Pz der für die meisten Zwecke ausreichenden kleinen
Glaskörper-Zenerdioden liegt bei Pz = 200 bis 500 mW. Daraus berechnet
sich Iz,max = Pz/Uz, z.B. bei einer 200 mW-10 V-Diode ist Iz,max = 20
mA. Üblicherweise wird Rv so gewählt, daß Iz etwa 5 bis
8 mA beträgt. Iz,min sollte 3 mA nicht unterschreiten.
Sonstige Verwendung.
Neben Stabilisierungszwecken werden Zenerdioden hauptsächlich noch
zur Spannungsbegrenzung (Beispiel siehe D7 in der Modellbahn-Fahrreglerschaltung
b)) und als Koppelelemente zur Überbrückung von Potentialsprüngen,
z.B. bei der Ansteuerung von TTL-Bausteinen verwendet.
Bild 2. Die Schaltung nach
Bild 1a ist nur zur Spannungsstabilisierung bei Verbrauchern RL verwendbar,
die nur wenige Milliampere benötigen. Werden größere Ströme
(bis zu einigen 100 mA) benötigt, ist ein stromverstärkender
Transistor (hier als sog. Emitterfolger) zwischenzuschalten. Die Spannung
an der Basis ist gleich der konstanten Spannung Uz. Da die Spannung am
Emitter gleich der Basisspannung vermindert um die unveränderliche
Flußspannung der Basis-Emitterdiode Ube ~ 0,6 V ist (siehe hierzu
die Seite Erklärung des Transistors weiter unten), ist +Ua = Uz -
0,6 V = const. Die Schaltung Bild 2 stellt liefert konstante Spannung
+Ua an RL.
Bild 3. Verlegt man den
Verbraucher RL in die Kollektorleitung und fügt einen Emitterwiderstand
Re ein, so ist nach dem zu Bild 2 Gesagtem die Spannung an Re, also auch
der Strom durch Re und damit auch der Strom Ia = (Uz - Ube)/Re durch RL
konstant. Die Schaltung liefert einen konstanten Strom durch RL, der nur
von Uz und Re abhängt aber unabhängig (!) von der Größe
von RL ist. (Mehr zu Konstantstromquellen siehe Seite weiter unten).
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