Tipp: Elektronikbauteile für den Hausgebrauch – Die Z-Diode

Z-Diode - www.michael-floessel.de

 

Ich war ja schon des öfteren beim Thema Spannungsstabilisierung. Dabei sollte man die simpelste Variante via Z-Diode nicht aus den Augen verlieren.

 

 

Oft wird kein großer Strom benötigt, eher geht es um eine stabile Spannung bzw. eine Spannung, die innerhalb einer Schaltung generiert werden kann. In vielen Fällen reicht ein Spannungsteiler mit Widerständen nicht aus, da dieser natürlich stark vom Stromfluss abhängig ist. In der ‚12F675 Quick & Dirty‚ Schaltung z. B. nutze ich daher die Z-Diode. Der PIC braucht nur sehr wenig Strom um zu funktionieren, die Peripherie kann mittels Open Collector Transistoren realisiert werden. Braucht man nur einen geringen Strom, kann es auch ausreichen, nur mit der Z-Diode zu arbeiten. Priorität hat hier der Aspekt, den µController vor Überspannung zu schützen.

zener-diode-prinzip-beispiel

Es gibt die Z-Diode für sehr viele Spannungen und in unterschiedlichsten Varianten, genaue Informationen kann mal wieder nur das Datenblatt liefern. Ein Blick in dieses ist vor allem wegen der Kennlinie wichtig, hier kann der Bereich ersehen werden, in dem das Bauteil am wirkungsvollsten arbeitet.

 

 

Besonderheiten der Z-Diode:

  • Betrieb in Sperrrichtung für den Zener-Effekt
  • In Flußrichtung verhält sie sich wie eine normale Diode (also Spannungsabfall ca. 0,7V)

Ich gebe hier als Beispiel die ZPD 2V7 an (Datenblatt). Sie stabilisiert bei einem bestimmten Stromfluss eine Spannung von ungefähr 2,7V. Ungefähr eben deshalb, weil diese Spannung sehr stark vom Strom abhängig ist. Die ZPD 2V7 arbeitet bei ca. 10-20mA in ihrem optimalen Bereich. Darüber hinaus und darunter ist sie von den 2,7V schon recht weit entfernt.

Wie im Schaltbild oben angegeben, wird der Strom mittels des Vorwiderstandes ‚R1‘ festgelegt, die Spannung wird dann direkt über der Diode abgegriffen. Zusätzlich kann natürlich auch die Differenzspannung, die über R1 abfällt, zusätzlich genutzt werden. Hier wäre nur eben die Masse bzw. GND nicht mehr der Bezugspunkt. Wichtig ist zudem, dass der maximale Strom der dieser Schaltung entnommen werden kann, dem Gesamtstrom durch R1 entspricht. Sollte auch einleuchtend sein, wenn der Widerstand den Strom auf z.B. 25mA begrenzt, kann hinter ihm auch nicht mehr fließen. Etwas kompliziert wird die Geschichte durch die Tatsache, dass alles, was von der Z-Spannung versorgt wird, parallel zur Diode liegt. Im schlimmsten Falle wären das 0 Ohm, ein Kurzschluss eben. Dann ist nur R1 der Strombegrenzende Faktor, die Z-Diode kann nicht mehr arbeiten, sie ist überbrückt.  Da auch die Z-Diode durch den differentiellen Widerstand in der Gesamtschaltung berücksichtigt werden muss, kann bei präziseren Anwendungen erheblicher Aufwand bei der Berechnung notwendig werden. Die Diode und die an sie angeschlossene Last bilden dann eine Parallelschaltung die zu R1 in Reihe liegt. Dies hat natürlich Einfluss auf den Gesamtwiderstand, damit auf den Gesamtstrom und somit auf die Kennlinie der Z-Diode! OK, lassen wir das :mrgreen:

Praktisch kann man das in unseren Anwendungen vernachlässigen, wenn die Z-Diode nur für kleine Leistungen eingesetzt wird. Grundsätzlich bestimmt also R1 den Gesamtstrom. Richtig flexibel geht es, wenn statt eines Festwiderstandes für R1 ein Trimmer gewählt wird. Meist ist das aber der berühmte Schuss mit der Kanone auf die Spatzen.

Überschalgsrechnung mit folgenden Eckdaten:

Bei einer Betriebsspannung von 12V soll durch die Diode ein Strom von 15mA fließen. Die Diode ist immer noch die ZPD 2V7. Laut Datenblatt liegt die Spannung dann bei ca. 2,8V.
Nun also erstmal den nötigen Spannungsabfall über R1 ausrechnen:
12V-2,8V = 9,2V
Um nun den gewünschten Widerstandswert zu erreichen (U = R * I):
9,2V : 15mA =  613,2 Ohm

In der E-12er Reihe wäre dann der gewählte Wert:

630 Ohm

(Zu den E-Reihen kommt demnächst auch noch ein Artikel!)

So weit die graue Theorie, wenn man diese Werte mal gegenrechnet und dabei auf die Kennlinie sieht, kommen schon Differenzen ans Tageslicht. Dabei ist noch nicht berücksichtigt, dass an der Diode noch kein eigentlicher Verbraucher hängt. Aber wie so oft in der Praxis, kann man dies eher vernachlässigen. Bei Bedarf an höheren Strömen oder noch präziseren Spannungen, gibt es bessere Lösungen. Um z. B. einen PIC an 12V zu betreiben der nur die Basis eines Transistors ansteuert, ist das Ergebnis allemal ausreichend.

 






 

Emails und Erklärungen zu elektronischen Bauteilen

Artikelbild Elektronik Tipps - www.michael-floessel.deSo, nach ein paar Tagen Nachlässigkeit zu dem Thema, habe ich mir mal wieder die Nachrichten im Maileingang vorgenommen.Einiges ist wie immer der Rubrik ‚Vermischtes‘ zuzuordnen, oben in der Liste stehen aber seit ein paar Wochen die Probleme rund um elektronische Bauteile, deren Einsatz und vor allem deren Funktion. Eien extremen Anstieg verzeichne ich nach dem ‚LED Lauflicht‘ Artikel. Sehr viele Blogleser wollen doch mehr als eine LED pro Pin am µController betreiben, der PIC schafft das aber eben nicht bzw. kann/soll nicht so viel Strom liefern.

Ich kann sehr gut verstehen, dass der Frust riesig sein muss, wenn man mit viel Zeit und Mühe eine Schaltung aufgebaut hat und diese am Ende nicht funktioniert. Noch schlimmer, man hat richtig Geld investiert und das Ganze geht in Rauch auf. Ich mache einfach mal eine kleine Aufzählung der Topthemen, also der Probleme, die wenigstens zwei mal aufgeschlagen sind:

  • Transistor schaltet/arbeitet nicht
  • Richtigen Anschlusspin finden
  • Widerstand wird sehr warm
  • Diode blitzt nurkurz auf (1N4148,LED)
  • Elko bekommt dicke Backen/stinkt/wird warm
  • PIC/IC/xxx wird sehr warm
  • Spannung zu hoch, zu niedrig
  • Größeren Verbraucher mit Controller schalten
  • +/- umschalten ohne Schalter, Relais

Das Problem ist natürlich, dass man, um mit Elektronik arbeiten zu können, gewisse Kenntnisse haben muss, um erfolgreich selber nach Bedarf seine Schaltungen bauen zu können. Nun kann aber nicht jeder Modellbahner, Modellbauer, Hobbylöter etc. auch Elektroniker sein oder ‚mal eben‘ eine Ausbildung nachschieben :-) Für die meisten elektronischen Eigenlösungen ist dies aber auch gar nicht nötig. Ein wenig technisches Interesse reicht oft aus.

Aus diesen Gründen werde ich versuchen, hier eine Art Mini-Bauteil-Kurs aufzubauen. Die grundlegenden Funktionen mit, wenn möglich, Tipps zur Fehlervermeidung und auch ein wenig Theorie. Ohne Anspruch auf Perfektion und wahrscheinlich auch mit Beispielen, die einem professionellen Ausbilder die Tränen in die Augen treiben könnten ;-) Es geht ja auch nicht darum, eine Prüfung mit diesem Wissen zu bestehen oder seinen Lebensunterhalt damit zu verdienen, es geht einfach darum, die Bauteile mit denen man werkeln möchte, ein wenig besser kennen zu lernen. Nebenbei findet man vielleicht auch einen Tipp, wie man ein Vorhaben realisieren könnte, das bisher nur an der der passenden Elektronik gescheitert ist. Alles nur im Bereich bis 24V, also nichts wirklich gefährliches. Trotzdem schon einmal der Hinweis: KLICK!

In vielen Büchern und auch während meiner Ausbildung startet das Thema Elektronik oft mit den physikalischen Grundlagen. Elektronen und Protonen, negatives und positives, geladenes und ungeladenes. Diese Dinge lasse ich aus! Wenn man nicht gerade sehr spezielle Vorhaben angehen möchte, spielt z.B. das Wissen über einen P/N Übergang keine große Rolle. Da soll ein Transistor schalten oder verstärken, eine Diode leiten oder sperren. In einigen Fällen geht es nicht ganz ohne Hintergrundtheorie, ich versuche dieses aber so kurz wie möglich zu halten. Wer verstärktes Interesse an der Elektronik verspürt, kann sich ja immer noch tiefer in die Materie einarbeiten, interessante Themen gibt es reichlich.

Die lose und ohne Reihenfolge auftretenden Beiträge kommen übrigens in die Rubrik ‚Tipps und Tricks‘. Wie oft und umfangreich die Beiträge erscheinen werden weis ich noch nicht. Das erstellen der Artikel ist recht aufwändig, auch werden zu vielen Bauteilen mehrere Teilartikel erscheinen, manchmal ist es eben viel Stoff. Ich werde mit dem NPN Transistor beginnen und habe bei der Vorbereitung schon bemerkt, dass diese Themen nicht in 10 Minuten zu behandeln sind.

Bitte nehmt diesen Artikel auch als Ausgleich für die Antworten in den Mails, in denen nur ‚ich versuche mich darum zu kümmern‚ stand :mrgreen:

 

Spannungsabfall an Dioden/Kennlinien, elektronische Fehler und Fallen…

Siliziumdioden

Es gibt so ein paar Sachen im Web, die mich einfach stören. Besonders dann, wenn man sich an gefundenen Informationen orientiert und dann falsche oder schlechte Ergebnisse erzielt. Nicht jeder muss Experte auf jedem Gebiet sein, geht auch gar nicht. Das schöne am WWW ist doch unter anderem, dass man schnell an Informationen kommen kann, ohne sich vorher Tagelang mit Ballast auseinandersetzen zu müssen, den man am Ende gar nicht benötigt. Um heraus zu finden, wieviel Öl mein Auto bekommt, muss ich kein KFZ-Mechaniker sein. Um den Zylinderkopf zu wechseln in der Regel aber schon, zumindest muss ich fundiertes Wissen besitzen.

Oft werden aber durch ‚Try & Error‘ gewonnene Erkenntnisse als unumstößliche Tatsachen verkauft, ohne das wirklich die Funktion oder der eigentliche Vorgang verstanden wurde.

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Leuchtdioden – einfache Anschlussmöglichkeiten und Fehler

In den vergangenen Tagen ist mir mal wieder eine Platine in die Hände gefallen gedrückt worden, auf welcher zahlreiche blaue Leuchtdioden gleichzeitig leuchten sollten und eine nach der anderen ausgefallen ist. Klassischer Fehler war der Anschluss der Dioden in Reihe ohne Vorwiderstand direkt an die 12V Batterie im Fahrzeug. Da mir dieser (und ähnliche) Fehler schon öfter begegnet sind, schreibe ich einfach mal ein paar Zeilen dazu. (Vorsicht:Theorie :-D )

 

 

 

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Quick & Dirty – simple Schaltung für PIC 12F675

Grundsätzlich: Dies ist keine Schaltung, die ich als professionell einstufen würde, es ist wirklich eine ‚Quick & Dirty‘ Lösung – auch wenn einige davon bei mir seit Jahren funktionieren.

Da der PIC 12F675 (und andere) recht anspruchslos ist, kann man ihn mit einem Minimum an Bauteilen zum Leben erwecken.

Ich habe mal eine kleine  und schnell zu bauende Lösung gesucht, um eine LED an einer 12V Rollerbatterie zum Blinken zu bringen. Dazu reichten incl. LED und µController sieben Bauteile. Klar hätte auch eine Blink LED gereicht, hatte ich aber gerade nicht da und es sollte später auch noch etwas an Elektronik dazukommen, zusätzlich war mir die Blinkfrequenz einer käuflichen Blink LED zu gering.

Also habe ich mit Bauteilen aus der Kramkiste folgendes aufgebaut:

12f675_Quick_&_Dirty

Es gibt natürlich bei so einer improvisierten Lösung auch einiges zu beachten! Also bitte weiterlesen!

 

 

 

  • Der max. Strom wird durch R1 bestimmt, mehr kann aus dem PIC nicht heraus kommen
  • R1 ist so zu berechnen, das die Z-Diode nicht überlastet wird
  • Bei zu hoher Last an D1/R1 kann das Ganze zu warm werden
  • Wenn nur C1 verwendet wird, MUSS die Betriebsspannung sauber und halbwegs stabil sein, ansonsten noch ’nen kleinen Elko einsetzen!
  •  Ist das eine Schaltung, die man durch was besseres ersetzen sollte :-)