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.

 






 

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 :-)