Hobby-Elektronik: Spannungs-Stabilisierung mit Zenerdiode und Transistoren
Obwohl heute stabilisierte Spannungsversorgungen im allgemeinen mit Festspannungsreglern (siehe Seite "Festspannungsregler") aufgebaut werden, möchte ich hier einige diskret mit Zenerdiode und Transistoren aufgebaute Spannungsstabilisierungs-Schaltungen zeigen, die für Experimentierzwecke oder, falls kein geeigneter Festspannungsregler zur Hand ist, besonders geeignet sind.
Erläuterungen
Der Lastwiderstand RL steht hier bei allen Schaltungen stellvertretend und symbolisch für den an den Ausgang der Stabilisierungsschaltung (mit der Ausgangsspannung Ua) angeschlossenen Verbraucher.
Als Eingangsspannung Ue ist eine mit einem Brückengleichrichter aus einem Trafo gewonnene und mit einem Elko (2200 bis 4700 uF) geglättete ungeregelte positive Gleichspannung, mindestens ca. 3 V größer als die gewünschte Ausgangsspannung Ua, geeignet.
Die Leistungstransistoren BD435, BD436 (ähnliche Typen genausogut verwendbar) sind mit einem geeignet großen Kühlblech zu versehen. Ausprobieren: wenn der Transistor, mit dem Finger gefühlt, sich nicht mehr gut anfassen läßt, ist das Kühlblech zu klein !
Bild 1 zeigt die Grundschaltung einer Spannungsstabilisierung mit Zenerdiode und Transistor. Die Schaltung entspricht der Konstantspannungsquelle Bild 2 auf der vorhergehenden Seite "Zenerdioden". Die Schaltung ist hier ausgelegt für eine Ausgangsspannung Ua = + 5 Volt und einen maximalen Ausgangsstrom von einigen hundert Milliampere. Die Spannung Uz der Zenerdiode muß um die Basis-Emitter-Spannung Ube ~ 0,6 V größer als die gewünschte Auzsgangsspannung Ua gewählt werden.
Bild 2. Für größere der Schaltung entnehmbare Verbraucherströme ist hier der Transistor aus Bild 1 durch eine Darlington-Schaltung mit T1 und T2 ersetzt. Die Zenerspannung Uz ist hier um 2 x Ube, also ca. 1,2 V, höher als die gewünschte Ausgangsspannung Ua zu wählen. Die Größe des Zenerdioden-Vorwiderstandes Rv ist entsprechend der vorhandenen Eingangsspannung Ue und der Zenerspannung Uz zu wählen (zur Dimensionierung siehe die Erläuterungen auf der vorhergehenden Seite "Zenerdioden").
Bild 3 zeigt eine interessante mit einer Komplementär-Darlingtonstufe aufgebaute Stabilisierungs-Schaltung.
Zum Verständnis denke man sich T1 zunächst weg und den 4,7k-Widerstand überbrückt. Dann sieht man, daß der Rest der Schaltung mit T2 genau der Schaltung nach Bild 1 entspricht ! Die nun wieder vollständige Schaltung läßt sich jetzt wie folgt als Regelkreis verstehen: Weicht die Ausgangsspannung Ua ein wenig von der durch die Zenerdiode vorgegebenen (um Ube verminderten) Referenzspannung nach oben oder unten ab, so wird diese Differenz mit T2 verstärkt und die am 4,7k-Kollektorwiderstand von T2 abgegriffene verstärkte Spannung der Basis des Stelltransistors T1 zugeführt, der die Abweichung ausregelt.
Experimentierschaltung: Die Schaltung nach Bild 3 ist für eine feste Ausgangsspannung von gut 12 Volt ausgelegt. Sie läßt sich leicht zu einem kleinen Experimentier-Netzgerät mit variabler Ausgangsspannung von 0 bis 12 Volt erweitern: Die Basis von T2 wird von der Zenerdiode abgetrennt. Parallel zu der Zenerdiode wird ein 10k-Poti mit seinen äußeren Enden angeschlossen und die Basis von T2 mit dem Potiabgriff verbunden. Jetzt kann man mit dem Poti eine variable Referenzspannung abgreifen, der entsprechend die Ausgangsspannung Ua sich einstellt. Wichtig: Die Schaltungen nach Bild 1 bis Bild 3 sind nicht kurzschlußgeschützt. Als einfachste Kurzschlußsicherung trennt man bei dem Experimentiergerät die Ue-Leitung (Bild 3) zwischen den beiden Punkten, bei denen der 1,5k- und 4,7k-Widerstand angeschlossen sind, auf und fügt eine 12V-Halogen-Glühbirne (10 oder 20 Watt) ein.


Bild 4 zeigt eine einfache mit komplementären Transistoren aufgebaute kurzschlußfeste (!) Stabilisierungsschaltung, hier ausgelegt für ca. 9 V Ausgangsspannung und einen maximalen Ausgangsstrom Ia,max bis ca. 800 mA.
Für die Dimensionierung gelten folgende Beziehungen:
Ausgangsspannung Ua = (Uz - 0,6 V) x ((R1/P1) + 1)
Maximaler Ausgangsstrom Ia,max = (Ua - Uz) x BT1/(R2 + P2)
(U in V, I in A, R in Ohm, BT1 = Gleichspannungsverstärkung von T1, (BT1 ~ 150 für Überschlagsrechnungen)
Bei Überschreiten von Ia,max durch den Verbraucher (RL) wird Ua heruntergeregelt und Ia nimmt ab ! Die Schaltung nimmt ihren normalen Betriebszustand erst nach Beseitigung der Überlast (durch Vergrößerung von RL) wieder ein.

Stabilisierungsschaltungen ohne Zenerdioden
Für kleine Spannungen unter ca. 2,7 V gibt es keine brauchbaren Zenerdioden. (Als Alternative ist eine LED für ca. 1,5 V gut einsetzbar.) Die Schaltungen nach Bild 5 und 6 sind vornehmlich zur Stabilisierung kleiner Spannungen (z.B. 1,5 V-Batterie-Spannung) bei geringem Stromverbrauch durch RL gedacht. Bei geringer Stromentnahme und geringer Differenz Ue - Ua sind für die Transistoren die Typen BC548 (npn) und BC558 (pnp) oder ähnliche ausreichend. Probieren und Experimentieren ist hier angesagt !
Bild 5. Regelkreis: Ändert sich ein klein wenig die Spannung Ua, so ändert sich gleichsinnig der Strom durch R5, durch die Basis und im Kollektorkreis von T3, damit durch die Basis und im Kollektorkreis von T2, damit durch die Basis von T1, womit sich gegensinnig der Spannungsabfall an der Kollektor-Emitterstrecke ändert und die Änderung von Ua ausregelt.
Die Größe der Ausgangsspannung ist annähernd gegeben durch Ua = 0,6 V x ((R5/R4) + 1), hier also Ua ~ 1,1 V. (aus Zeitschrift Funkschau)
Bild 6. Die Funktion dieser Schaltung ist ähnlich wie die von Bild 5. (aus Zeitschrift Elektor)

Literaturhinweis: Wer sich näher für das Thema interessiert, dem sei das Buch G.Peltz: Stromversorgungen selbstgebaut. Theorie und praxiserprobte Nachbauschaltungen. Elektorverlag 1988 empfohlen.
(13.1.2004)