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Thema: Schaltung mit Zenerdiode und Transistor als Konstantstromquelle

  1. #1
    Erfahrener Benutzer Robotik Einstein
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    Schaltung mit Zenerdiode und Transistor als Konstantstromquelle

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    hallo,
    ich habe hier folgende Schaltung gefunden mit einer Zenerdiode und Transistor als Konstantstromquelle :
    Klicke auf die Grafik für eine größere Ansicht

Name:	Zenerdiode_143453.jpg
Hits:	49
Größe:	57,9 KB
ID:	31960

    hierzu folgende Frage:
    1.) Ist das richtig, dass es eine Konstantstromquelle ist und keine Konstantspannungsquelle ?
    2.) wozu dient der 1k Emitterwiderstand, und kann man auch auf ihn verzichten?
    3.) kann man ersatzweise auch eine "normale" Diode in Sperr-Richtung statt der Zenerdiode verwenden mit ähnlichem Effekt?
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  2. #2
    Erfahrener Benutzer Robotik Einstein Avatar von 021aet04
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    Das ist eine KSQ, für die LED. Aber eine Spannungsquelle für den Widerstand zwischen Emitter und Masse (ich nenne ihn Rem).

    Die Beschreibung bezieht sich darauf das die Versorgungsspannung hoch genug ist.
    Die Zenerdiode liefert eine konstante Spannung Uz (hier 3,9V). Am Transistor hast du die Ube Spannung (ca. 0,9V). Uz = Ube + URem => man sieht das an Rem immer die Spannung konstant ist (Uz - Ube). Da der Widerstand Rem konstant ist (1k) hast du einen konstanten Strom (ohmsches Gesetz). Welcher Strom fließt solltest du ausrechnen können.

    Der Strom ändert sich aber durch die Erwärmung des Transistors, also kann man diese Schaltung nur für geringe Ströme und geringen Anforderungen bei de Genauigkeit einsetzen (z.b bei 20 mA LEDs oder Optokoppler).

    Den Widerstand bei der LED kann man theoretisch weglassen. Dieser ist aber dafür da das nicht die volle Leistung am Transistor verheizt wird.

    Ob man eine Diode statt der Zenerdiode verwenden kann solltest du mit der Beschreibung oben selbst herausfinden können.

    MfG Hannes
    Geändert von 021aet04 (28.08.2016 um 15:30 Uhr)

  3. #3
    Erfahrener Benutzer Robotik Einstein
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    danke, aber mit den Abkürzungen in den Erklärungen kann ich jetzt nichts richtiges anfangen.
    die Zenerdiode liefert 3,9V zwischen Basis und Emitter, soviel ist mir klar, eine höhere Spannung aus der Spannungsquelle (bis 18V) wird dann doch auf 3,9V abgeleitet?
    Das heißt doch, dass an der Basis konstant 3,9V anliegen, mit 100k Vorwiderstand also I=3,9/100000 ≈ 40µA, das müsste dann ja auch konstant sein.

    Verstärkungsfaktor des Transitors ist etwa 200, d.h. es könnte max. ein Emitterstrom von ≈ 8mA fließen.

    Damit hörts dann erstmal auf...

    was passiert also, wenn man den Emitterwiderstand weglässt/kurzschießt?
    Und ob sich eine normale Diode in Sperrrichtung dann ähnlich verhält, ist mir nicht klar - fällt dann die Basis-Spannung z.B. auf 0,7V ab?
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  4. #4
    Erfahrener Benutzer Robotik Einstein Avatar von 021aet04
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    Die Zenerdiode hat weder Basis noch Emitter. An der Zenerdiode fällt, theoretisch, immer die Zenerspannung ab, das ändert sich etwas mit der Temparatur, dem Strom durch die Diode,... Dioden haben immer Anode und Kathode.

    Spannungen haben das Zeichen "U", Strom hat "I" und Widerstand hat "R". Dann gibt es noch übliche Bezeichnungen, z.B. Uz, bedeutet U => Spannung an der Zenerdiode. Eigentlich sollte "z" tiefergestellt sein. Die Bezeichnungen die ich oben verwendet habe:
    Uz: Spannung der Zenerdiode
    Ube: Basis/Emitterspannung des Transistors (wird auch in den Datenblättern so angegeben)
    URem: Spannungsabfall am 1k Widerstand zwischem Emitter des Transistors und Masse
    Rem: Widerstand zwischen Emitter Transistor und Masse

    Deine Berechnung ist auch falsch. Am 100k Widerstand fällt die Versorgungsspannung - Zenerspannung ab. Somit hast du einen Strom von: (U-Uz)/R => (18V-3,9V)/100000=141µA, das ist aber egal, wichtig ist die Spannung der Zenerdiode. Der 100k Widerstand zieht nur die Spannung von der Basis Richtung Versorgungsspannung, wird aber durch die Zenerdiode auf 3,9V begrenzt.

    Der Transistor steuert so weit auf bist an der BE-Strecke (Basis Emitter) ca. 0,9V abfällt. Wenn das der Fall ist hast du am Widerstand Rem Uz-Ube=3,9V-0,9V=3V => diese Spannung bleibt konstant, egal welche Versorgungsspannung du hast (sofern diese hoch genug ist). Da die Spannung konstant ist (3V) und der Widerstand ebenfalls konstant (1k) hast du einen konstanten Strom von I=U/R=3V/1000Ohm=3mA
    Jetzt solltest du dir die Antwort selbst geben können wenn du den Rem kurzshließt bzw offen lässt. Das selbe ist wenn du einen Diode nimmst. Die 1N400x Serie hat bei Nennstrom (1A) eine Flussspannung von 1V.

    MfG Hannes

  5. #5
    Erfahrener Benutzer Robotik Einstein
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    vielen Dank noch mal, die Abkürzungen sind jetzt klar, aber ganz verstanden habe ich den Rest der Erklärungen leider immer noch nicht...

    Das mit der von mir erwähnten Zenerdiode und "Spannung zwichen Basis und Emitter" bezog ich ntl auf den Transistor:

    (edit - uups - es sind ja 3,9, nicht 4.9!)

    durch die Zenerspannung von 3,9V sind das als 3,9V - ok, minus Spannungsabfall im Transistor selber, also nochmal 0,9V (?) weniger (?),
    insgesamt also Basis-Emitterspannung 3,9-0,9=3,0V (?) .

    Wie hoch ist denn jetzt der Basisstrom nach deiner Rechnung? Der müsste doch konstant sein, aber wie hoch denn?

    Auch wie du von 3V auf 3mA kommst, ist mir nicht klar.

    Unklar ist auch immer noch, was ohne den Emitterwiderstand passiert,

    und ebenfalls ist mir noch unklar, was mit einer 1N4001 oder 1N4148 Diode in Sperrrichtung statt Zenerdiode passiert, weil mir das Dioden- Verhalten in Sperrichtung völlig unklar ist - sind das die 1V, die du erwähnt hast, auf die sie dann begrenzen, statt 3,9V ?
    Geändert von HaWe (28.08.2016 um 20:13 Uhr)
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  6. #6
    Erfahrener Benutzer Roboter Genie Avatar von White_Fox
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    Um mal auf deine Eingangsfrage zurückzukommn: Nein, es ist keine Stromquelle.
    Die Schaltung ist eine reine Spannungsquelle. Die Kombination Transistor, Z-Diode und Widerstand ist die (zweit)einfachste Schaltung zur Spannungsstabilisierung und wurde früher gern in Traonetzteilen verwendet.

    Ich will nicht behaupten daß 021aet04 mit seinem ersten Post falsch liegt, aber daß es richtig ist würde ich auch nicht bestätigen wollen. Für mich bleibt eine Spannungsquelle Spannungsquelle, auch wenn ich der LED einen Widerstand spendiere.

    Eine Stromquelle mi Transistoren sieht so aus:
    http://dieelektronikerseite.de/Lecti...%20Gleiche.htm

  7. #7
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    ok, danke für den neuen Gesichtspunkt. Wie sieht es dann mit den anderen "inneren Eigenschaften" der Schaltung aus?
    Das mit der von mir erwähnten Zenerdiode und "Spannung zwichen Basis und Emitter" bezog ich ntl auf den Transistor:

    (edit - uups - es sind ja 3,9, nicht 4.9!)

    durch die Zenerspannung von 3,9V sind das als 3,9V - ok, minus Spannungsabfall im Transistor selber, also nochmal 0,9V (?) weniger (?),
    insgesamt also Basis-Emitterspannung 3,9-0,9=3,0V (?) .

    Wie hoch ist denn jetzt der Basisstrom nach deiner Rechnung? Der müsste doch konstant sein, aber wie hoch denn?

    Auch wie du von 3V auf 3mA kommst, ist mir nicht klar.

    Unklar ist auch immer noch, was ohne den Emitterwiderstand passiert,

    und ebenfalls ist mir noch unklar, was mit einer 1N4001 oder 1N4148 Diode in Sperrrichtung statt Zenerdiode passiert, weil mir das Dioden- Verhalten in Sperrichtung völlig unklar ist - sind das die 1V, die du erwähnt hast, auf die sie dann begrenzen, statt 3,9V ?

    - und warum ist der Basistrom konstant?
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  8. #8
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    Du musst dir dringend die Grundlagen aneignen, auch auf elektronische Bauelemente und dessen Eigenschaften.

    Ein NPN Transistor hat zwischen B und E eine PN Strecke (daher auch der Name PNP und NPN), das gleiche hast du bei einer Diode. Du kannst dir also die BE Strecke wie eine Diode vorstellen (und auch so mit einem Diodentester prüfen).
    Die Zenerdiode hat eine Spannung von 3,9V (siehe Plan aus deinem ersten Post). Somit hast du am Verbindungspunkt 100k Widerstand, Zenerdiode, Basis eine Spannung von 3,9V (immer gegen Masse gemessen). Die BE Strecke ist eine Diode (Anode = Basis, Kathode ist Emitter), an dieser Diode fällt eine Spannung von ca. 0,9V ab. Und die 0,9V ist immer die Basis-Emitter Spannung und nicht die 3V (oder bei 4,9V Zenerspannung 4V).

    Und vergiss einmal den Basisstrom, wichtig ist die Spannung zwischen Emitter und Masse, also die Spannung die am Widerstand von 1k anliegt, nur diese ist ist für die Ledspannung ausschlaggebend. Du hast zwar einen Basisstrom, der ist aber im vergleich zum Ledstrom verschwindend gering, wirkt sich dadurch auch fast nicht aus.

    Und eine Diode (1N400x bzw 1N4148 ) funktioniert nur in Flussrichtung (Anode an Basis), aber erst bei mindestens 2 Dioden in Serie. In Sperrrichtung funktioniert es nicht, du brauchst an der Basis eine konstante Spannung, Wenn sich die Versorgungsspannung ändert, ändert sich auch die Spannung oder besser der Strom an der Basis. Eine Zenerdiode ist ein spezielles Bauteil, in die eine Richtung funktioniert es wie eine normale Diode (ca. 1V Spannungsabfall), aber in Sperrrichtung wird die Spannung auf die Zenerspannung begrenzt.

    Was ohne Emitterwiderstand bzw bei Einem Kurzschluss passiert lässt sich relativ leicht berechnen.
    Als Beispiel Unterbrechung, zum Rechnen kannst du einen Wert über 1MOhm nehmen. Nehmen wir einen Wert von 10MOhm und eine Zenerspannung von 3,9V. Die Formel bzw Herleitung findest du im Post 4. 3V/10MOhm = 3V/10000000Ohm = 0,3µA => Led wird nicht leuchten
    Bei einem Kurzschluss ist der Widerstand gering, zum Rechnen nehmen wir einen Widerstand von 0,1Ohm. 3V/0,1Ohm = 30A => Deine Schaltung wird nicht lange leben.


    Zum Verständniss kannst du ein Simulationsprogramm herunterladen (ich verwende LTSpice) und kannst die Schaltung simulieren. Du kannst alle Spannungen, Ströme,... anzeigen lassen.

    Edit: Es ist zwar keine gute KSQ, aber dennoch eine KSQ, für die Led. Grundsätzlich ist es eine Spannungsquelle, habe ich aber oben geschrieben. Diese konstante Spannung liegt am Widerstand zwischen Emitter und Masse. Da der Widerstand ebenfalls konstant ist, ist auch der Strom durch diesen Konstant. Somit hast du eine Konstantstromquelle. Die KSQ mit 2 Transistoren ist aber besser.

    MfG Hannes
    Geändert von 021aet04 (28.08.2016 um 20:34 Uhr)

  9. #9
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    wieso rechnest du bei kurzgeschlossenem Emitterwiderstand mit nur 0,1 Ohm? Im Stromkreis liegt doch auch der Kollektorteil mit 1kOhm plus LED, hier fließt doch der Hauptteil des Stromes?
    Also hätte ich in der Strecke
    Pluspol - 1kOhm - LED - Kollektor - Basis -Emitter - Masse
    doch irgendwas von ein bisschen mehr als 1kOhm, und nicht 0,1 Ohm? (keine Ahnung, wieviel Ohm ne LED hat... )

    Und bei 9V und etwas über 1kOhm kann der Strom doch nicht größer werden als max. 9V/1000 Ohm=9mA bzw 18V/1000 Ohm = 18mA...?!

    Dieser Strom wird von der durchgeschalteten Basis verursacht, und dessen Höhe hängt wieder vom Basisstrom und dem Verstärkungsfaktor ab...!?

    Auch sonst hat man doch bei Emitterschaltungen den Emitter direkt an Masse, ohne Emitterwiderstand dazwischen...?!

    Oder wie oder was?
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  10. #10
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    Die 30A sind theoretisch, was möglich wäre wenn du sonst keine last hättest. Aber man kann sagen das der Transistor komplett offen ist. Den Strom kannst du ausrechnen indem du die (Versorgung - LED Spannung - CE-Spannung) / Vorwiderstand der LED rechnest.

    MfG Hannes

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