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Stabilisiertes Netzteil mit Zenerdiode


Diese Art wurde früher oft angewendet, als es noch keine Festspannungsregler gab. Die Stabilisierung der Ausgangsspannung erfolgt hier über eine Zenerdiode. Zenerdioden haben in Sperrichtung betrieben einen konstanten Spannungsabfall, der unabhängig von der angelegten Spannung ist.



Funktion stabilisiertes Netzteil mit Zenerdiode

Der Strom durch die Zenerdiode darf nur sehr gering sein, damit diese nicht zerstört wird. Zenerdioden muß man deshalb immer mit einem Vorwiderstand betreiben! Dieser liegt meist bei 5 oder Milliampere.

Weil dieser Strom für den Ausgang viel zu gering ist, muß er durch einen Transistor verstärkt werden:


netzteil_zenerdiode.gif

Schaltung eines stabilisierten Netzteils mit Zenerdiode


Der Maximalstrom am Ausgang des Netzteils hängt von der Stromverstärkung des verwendeten Transistors ab. Nehmen wir z. B. eine Stromverstärkung von 200 an, dann kann man bei einem Basisstrom von 10 Milliampere 2 Ampere aus dem Netzteil "ziehen". Soll der Maximalstrom 1 Ampere betragen, muß der Basisstrom auf 5 Milliampere eingestellt werden, denn 0,005 Ampere mal 200 sind 1 Ampere.

Wie wird nun der Widerstand R1 berechnet? Nehmen wir als Beispiel einen Strom durch die Zenerdiode von 5 Milliampere, einen Basisstrom von 10 Milliampere für T1 und eine Spannung von 5,6 Volt an der Zenerdiode an, so ist:


netzteil_zenerdiode1.gif

Wir nehmen hier den nächsten Wert in der E-12 Normreihe, das wären 220 Ohm.

Da zwischen der Basis und dem Emitter eines Transistors etwa 0,7 Volt abfallen, ist die Spannung am Ausgang, also am Emitter, um diesen Betrag geringer. In unserem Beispiel wären das 5,6 Volt - 0,7 Volt = 4,9 Volt.

Weiterhin muß man die Verlustleistung des Transistors beachten! Die Verlustleistung des Transistors ergibt sich aus der Differenz zwischen Ein- und Ausgangsspannung multipliziert mit dem Ausgangsstrom:


netzteil_zenerdiode2.gif

Man geht also normalerweise so vor:

  • Stabilisierte Ausgangsspannung festlegen (Ausgangsspannung = Zenerspannung - 0,7 Volt). Dabei beachten, daß es Zenerdioden nur für bestimmte Spannungen gibt! Man muß sich eben für eine dieser entscheiden.
  • Ausgangsstrom festlegen, z. B. 1 Ampere.
  • Verlustleistung des Transistors ermitteln und einen nehmen, der diese auch verträgt.
  • Stromverstärkungsfaktor des Transistors ermitteln und ausgehend vom Ausgangsstrom den Basisstrom berechnen.
  • Widerstand R1 wie oben gezeigt berechnen.


Regelbare Ausgangsspannung

Man kann diese Schaltung auch erweitern, so daß sie eine regelbare Ausgangsspannung liefert! Dazu wird die steuerbare Transistorstrecke T2 / R2 / P1 / R3 eingebaut. Die Zenerdiode dafür, daß die Emitterspannung des Transistors T2 konstant gehalten wird. Diese Schaltung ist oft in älterer Literatur zu finden.


netzteil_zenerdiode2.gif

Schaltung eines stabilisierten Netzteils mit Zenerdiode
und regelbarer Ausgangsspannung


Betrachten wir zunächst den Fall, daß der Schleifer des Potis P1 am Verbindungspunkt P1 / R2 steht. In Diesem Fall ist nur R2 wirksam und der Basisstrom für den Transistor T2 ist jetzt am höchsten. Das führt dazu, daß T2 voll geöffnet ist und ein Kollektorstrom über R1 durch T2 fließt. Durch den Kollektorstrom von T2 fällt am Widerstand R1 eine gewisse Spannung ab. Dadurch wird die Spannung am Verbindungspunkt R1 / T1 / T2 und damit an der Basis von T1 niedriger und T1 schließt mehr wodurch die Spannung am Emitter von T1 ebenfalls geringer wird. Der Widerstand R2 bestimmt damit die untere Grenze der einstellbaren Ausgangsspannung.

Im anderen Fall befindet sich der Schleifer des Potis P1 am Verbindungspunkt P1 / R3. Jetzt ist R2 plus dem Wert von P1 wirksam und der Basisstrom für den Transistor T2 ist am niedrigsten. Das führt dazu, daß T2 mehr schließt und auch der Kollektorstrom über R1 durch T2 geringer wird. Durch den geringeren Kollektorstrom von T2 fällt am Widerstand R1 eine entsprechend kleinere Spannung ab. Dadurch wird die Spannung am Verbindungspunkt R1 / T1 / T2 und damit an der Basis von T1 höher und T1 öffnet mehr wodurch die Spannung am Emitter von T1 ebenfalls höher wird. Der Widerstand R3 bestimmt damit die obere Grenze der einstellbaren Ausgangsspannung.

Die Schaltung verhält sich wie ein spannungsabhängiger Widerstand. Wird die Ausgangsspannung aus irgendeinen Grund höher, so steigt auch der Kollektorstrom von T2 durch R1. Dadurch fällt an R1 wieder etwas mehr Spannung ab und die Basisspannung von T1 sinkt, wodurch die Ausgangsspannung wieder etwas zurückgeregelt wird. Sinkt die Ausgangsspannung, z. B. aufgrund einer stärkeren Last, so wird der Kollektorstrom durch T2 und damit der Spannungsabfall an R1 niedriger. Dadurch wird die Basisspannung an T1 höher, wodurch dieser mehr öffnet und die Ausgangsspannung steigt.


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