Schaltung mit Zenerdiode und Transistor als Konstantstromquelle

[avr_racer]

ist für mich unlogisch:

Mit nichten. Das Problem liegt in deinem Verständnis! Die Stromgegenkopplung wirkt sofort für menschlische Zeitverhältnisse. Vom Verständnis her musst du quasi eine Zeitdehung einsetzen um es dir selbst begreiflich zu machen so dumm es sich auch anhört. Die Wirkung setzt ja sofort um, auch wenns nur ein Elektron mehr ist was sich in diesem Strompfad befindet. In Volt wäre das eine Änderung von 0,000000000000000001V und noch weit weniger aber eine Änderung aber dies führt hier zu weit...

für mich (bei Batteriespannung deutlich über 4V) ist die Spannung an Emitter gegen Grund IMMER 3V

Sie ist immer aktiv also die Stromgegenkopplung.

Also nochmal auch an dich die Bitte: rechne mir doch bitte mal vor, wie hoch der Strom ist, der bis an die Basis und durch die Basis bis an den Emitter fließt, wenn ein 1k Emitterwiderstand vorhanden ist, und das bei 9V und bei 18V. Eine ganz einfache Rechnung, denn alle Widerstände und alle Spannungen sind ja bekannt, und dann zeige mir btte, warum und wo meine Rechnung oben mit den 30µA falsch ist.

Beantwortest du mir die folgende Frage unter folgender Bedingung:

Nährungsweise kann man sagen das der Strom vom Emitter ähnlich dem im Kollektor ist für das erste.
Nehmen wir an, Aufgrund dieser Annahme, dass der Strom durch Rv und der LED 5mA betragen. Wieviel ist dann der Strom im Kollektorkreis (ca.) und welche Spannung fällt am Rv der Led ab ???

Die Sache ist wenn man es dir komplett vorrechnet hast du zwar DAS Ergebniss aber das heißt nicht das du es auch verstanden hast....

Würde mich mal interessieren wo du die Schaltung her hast ?

[wkrug]

Ihr geht hier immer von einer B-E Spannung von 0,9V aus.
Das würde schon mal auf einen Darlington Transistor hindeuten und der hat schon mal ein Stromverstärkung von um die 1000.
"Normale" Transistoren haben hier eher 0,6V
@HaWe
Zerpflück doch erstmal die Schaltung auf ihre einzelnen Komponenten.
Zuerst hast Du mal eine Z-Diode mit Vorwiderstand.
Wenn die Spannung vor dem Widerstand über deren Z-Spannung liegt und auch etwas Strom fließt wird sich dort eine Spannung von 3,9V einstellen.
Diese 3,9V liegen nun an der Basis des Transistors.
Durch einen Strom in die Basis wird der Transistor nun aufgesteuert.
Wenn der Basisstrom groß genug ist wird sich am Emitter der Transistors eine Spannung von 3V einstellen.
Denn wenn die Spannung hier höher wäre würde der Transistor sperren.
Dadurch würde aber der Strom am Emitter wieder kleiner -> Die Spannung am Emitter somit kleiner und der Transistor würde wieder besser leiten usw.
Das Ganze ist also ein Regelkreis.
Da am Emitter nun 3V anliegen, werden durch den Widerstand 3V/1kOhm = 3mA fließen.
Am Kollektor werden es etwas weniger als 3mA sein ( Basisstrom fehlt ja hier ), aber das geht ja bereits in den Bauteiletoleranzen ( 5% ) unter.

Das bedeutet, den Strom im Kollektorkreis kann man über den Wert des Emitterwiderstandes einstellen.

Der 1 k Widerstand vor der LED ist im Prinzip nicht nötig, wenn man die Verlustleistung ausser Betracht lässt.

An einem 1k Widerstand werden 3V abfallen. Also an den beiden miteinander 6V. Für die LED rechne ich mal 2V. An der CE Strecke müssen es mindestens auch noch mal 0,2V sein.
Also wird die Schaltung erst ab ca. 8,2V anfangen zu regeln, wenn da der Basisstron schon reicht.
Bei 18V werden am Transistor 10V abfallen (18-3-3-2=10).
Am Transistor hat man dann eine Verlustleistung von 10V x 0,003A = 30mW.
Würde der eine Widerstand vor der Diode fehlen hätte man 13 x 0,003 = 39mW.
Das ist hier zwar nun auch nicht wirklich viel, aber bei höheren Strömen ( anderer Emitterwiderstand ) durchaus relevant.

Ich persönlich halte den Vorwiderstand an der Z-Diode 100k für zu hoch.
Bei kleinen Versorgungsspannungen fließt kaum Strom durch die Z-Diode und man ist da voll noch vor dem Knick der Z-Spannung.
Ausserdem muß der Transistor eine sehr hohe Stromverstärkung haben um hier sauber funktionieren zu können.
Deshalb und wegen der hohen B/E Spannung vermute ich hier einen Darlington Typ.

[Peter(TOO)]

Hallo wkrug,

Ihr geht hier immer von einer B-E Spannung von 0,9V aus.
Das würde schon mal auf einen Darlington Transistor hindeuten und der hat schon mal ein Stromverstärkung von um die 1000.
"Normale" Transistoren haben hier eher 0,6V

Ein normaler Si-Transistor liegt um 0.6V bis 0.7V, hängt von I_B und R_BE ab. Bei Leistungstransistoren kann es wesentlich mehr sein, weil da I_B sehr gross wird und die Verstärkung schnell mal nur noch bei 30 liegt.

Bei Ge-Transistoren sind es 0.2V bis 0.3V bei kleiner Leistung.

Nein, die 0.9V kommen nur daher, dass sich mit diesem Wert bei dieser Schaltung besser rechnen lässt:
3.9V-0.9V=3.0V
3.9V-0.6V=3.3V

Ein Darlington hat zwei BE-Strecken in Serie, also 1.2 bis 1.4V.

MfG Peter(TOO)

[avr_racer]

Habe es gestern Abend für mich mal durchgerechnet, mit realistischen Werten.

Ube mit 0,6V Uled mit 1,8V und naja wie soll ich sagen, so richtig funzen wird die Schaltung nicht, da Re und R1 zu hoch sind, der Rv der Led weg muss, der Iz mit 330µA zu klein ist so das die Z-Diode eher bescheiden arbeiten wird und R1 dann auf 38KOhm geändert werden müsste. Die Hfe habe ich auf 100 angenommen da hier auf dem Transistor gar nicht eingegangen wird. Unterm Strich ist das nur eine Symbolschaltung mit wahrscheinlich willkürlichen Werten die nicht wirklich zu einander passen.

[HaWe]

die 0,9V kamen mir auch komisch vor, die hat mal irgendwer hier gepostet, ich dachte einfach mal, das würde sitimmen, ich bin aber auch bislang eher von 0,7V BE-Spannung ausgegangen.
Gefragt hat mich bisher niemand nach dem Transistortyp, es handelt sich um einen BC817. Die Schaltung stammt aus irgendeinem Elektroniktutorial.

Die Schaltung zu zerpflücken versuche ich ja dauernd, nur kamen wir bisher in den Erklärungen nicht wirklich dazu.

Was ich schon immer erstmal trennen wollte ist (immer bei Durchsteuerung des Transistors durch ausreichend hohe Batteriespannung)
a) die Betrachtung des Stromflusses durch die Basis, die den Transistor ansteuert, und die über den Verstärkungsfaktor (~200x) einen max. Collektor-Emitterstrom hervorruft und
b) dann all das, was duch die Verstärkung und alle Widerstände etc.im Collektor-Emittestromkreis passiert.

(Das ganze ntl nur in den Fällen, in denen der Transistor durchgesteuert hat und auch die Batteriespannung deutlich über den Uz=3,9V liegt, damit die Spannungsbegrenzung durch die Zenerdiode aktiv werden kann.)

Aber dazu kommen wir erst später!

Bisher hat mir noch niemand den Basistrom ausgerechnet (oder ich muss es übersehen haben).
Eine Rückkopplung kann ich in der Schaltung nicht erkennen.
Wenn also die Regulierung über mehrere Stufen und Rückkopplung irgendwie erfolgt, müsste man das schrittweise rechnen und darlegen können, aber da erkenne ich nichts - für mich sind Basisspannung immer 3,9V, und der Basistrom errechnet sich für mich im obigen Fall ( wie in der geposteten Abbildung) ausschließlich
aus der Uz,
dem 100k Vorwiderstand,
dem Spannungsabfall UT im Transistor durch B-E-Strecke
und einem eventuell vorhandenen 1k Emitterwiderstand.

Wenn UT nicht 0,9V sondern 0,7V sind, komme ich dann auf
(3,9V-0,7V)/(100k+1k) = ca. 32µA (und zwar immer!)

Die Höhe dieses Basisstroms entscheidet nach meinem Transistorverständnis in Verbindung mit dem konstanten Verstärkungsfaktor (200x) über den max. Strom im Kollektor-Emitter-Stromkreis, so wie immer beim Transistor als Strom-Verstärker:
kleiner Basisstrom=> kleiner CE-Strom, großer B-Strom =>großer CE-Strom.
Dieser ist dann im Falle der 32µA max. (!) 32µA x 200 = 6,4mA (max.).
Soweit die 32µA konstant sind, sind dann auch die max. 6,4mA Kollektorstrom konstant (soll ja auch eine Konstantstromquelle sein, was diese Theorie stützen würde).

WENN jetzt uneingeschränkt (!) Strom am Emitter zur Verfügung stünde, dann WÜRDEN bei 3,2V 3,2mA durch den 1k Emitterwiderstand fließen.
Alleine vom Basistrom her können es aber wegen des 100k Vorwiderstandes aus dieser Richtung nur max. 32µA werden.
Sind es aber mehr mA (z.B. 3,2 mA), die tasächlich durch den Emitterwiderstand fließen, können sie also nicht von der Basis kommen sondern nur vom Kollektor, und dann liegen sie auch tatsächlich noch innerhalb des 6,4mA Verstärkungs-Limits.


wenn das jemand anders rechnet, lasse ich mich sehr gerne klüger machen!


Doch wie gesagt: zum CE-Stromkreis kommen wir erst später, jetzt erst mal der 1. Schritt...

Also, wie hoch ist in den beiden genannten Fällen der Basistrom?
Zunächst für Batteriespannung 9V konstant und dann für 18V konstant.

Bitte Freiwillige vor!

[Ceos]

Ich hab gestern meine wilden GEdanken mal zusammen genommen und mir das Beispiel nochmal angesehen

Was deinen Basisstrom angeht:
Über deine Z-Diode fließen ohne Transistor 51µA bei 9V weil 9V - 3.9V(Z) = 5.1V(R) / 100k = 51µA (die Kennlinie der Diode vernachlässigen wir)

Sobald aber der Transistor mit offenem Kollektor angeschlossen wird bricht die Spannung zusammen, denn der Transistor verhält sich als nichts anderes als eine gewöhnliche Diode und du hast einen billigen Spannungsteiler 100k -> B-E Diode -> 1k (unter den Annahme von 0.7V Durchlassspannung) -> 82µA

Die Z-Diode macht jetzt erstmal garnichts mehr, die ist einfach gesperrt, denn solange der Strom durch den Transistor fließt fallen über den 100k mehr als 5.1V ab und die Z-Diode wird nicht leitend!

Der Schlüssel für die Strombegrenzung liegt jetzt im Verhältnis des Stromes der in SUMME durch dein Emitterwiderstand fließt!

1)Wenn jetzt neben dem Baisstrom (vernachlässigbar klein) auch noch der Verbraucherstrom durch deinen Emitterwiderstand fließt, steigt der Spannungsabfall am Emitterwiderstand und die B-E Spannung wird geringer!
2)Dadurch verringert sich der Strom durch den 100k Widerstand und der Spannungsabfall verringert sich.
3)Die Basisspannung steigt an bis sie 3.9V erreicht udn die Z-Diode leitet.
4)Vergrößert sich der Strom durch R(Emitter) jetzt weiter, steigt weiterhin die Spannung, aber dadurch dass die Z-Diode die Basisspannung begrenzt, wird unweigerlich deine B-E Spannung < 0.7V
5)der TRansistor fängt an zu sperren wenn B-E < 0.7V wird und entwickelt sich zu einem variablen Widerstand um das Gleichgewicht und die 0.7V B-E zu erhalten!


Das Bild ist mit Falstad simuliert und es gibt da wohl einige Kennlinienhintergründe die meine Rechung ein wenig aus der Bahn werfen

[avr_racer]

Denn hätten wir mal die Transe geklärt. BC817 such dir das Datenblatt (DB) raus.

Grundsätzlich sollte man mit dem geringsten Stromverstärkungsfaktor, welches im DB steht, rechnen. Oder man misst ihn aus.

zu a) Wenn 1mA Basisstrom fließt und du jetzt mal Vi ~200 nimmst, könnten im Kollektor 200mA fließen. Unter der Voraussetzung das der Lastwiderstand das zulässt sonst nur soviel wie der Rl zulässt. Die Transe könnte aber 200mA treiben bzw ist soweit geöffnet ums mal bildlich da zustellen.

zu b) Vom Prinzip her wird nur der Öffnungsgrad des Transistors festgelegt mit dem Basisstrom und im Kollektor passiert erstmal weiter nix ausser das sich die Spannungsverhältnisse einstellen.

Bisher hat mir noch niemand den Basistrom ausgerechnet (oder ich muss es übersehen haben).

Das kannst du alleine tun nun da du den Namen bekannt gegeben hast und somit guckst du im DB nach dem Stromverstärkungsfaktor (Hfe). Ib = Ie / Hfe
Das was du tun musst ist nur dich auf die Ube festlegen mit welcher du rechnen willst, weil sich der Wert des R1 danch richtet bzw in Verbindung mit dem Z-Strom. Wobei auch hier die angabe 3,9V Z-Diode unwichtige ist denn was sagt das DB dazu?? bzw ab welchen Strom beginnt denn die Diode durchzubrechen ????

Eine Rückkopplung kann ich in der Schaltung nicht erkennen.
Wenn also die Regulierung über mehrere Stufen und Rückkopplung irgendwie erfolgt,..

Weil der Re dies übernimmt als EINE Stufe. Das kannst du mal mit nur einem Basisvorwiderstand, Transistor, Led und ein Re von Pi mal Daumen 100 Ohm versuchen. Du erwärmst den Transistor, also mal so richtig mit Lötkolben und misst den Spannungsabfall der BE-Strecke und wirst feststellen das die runter geht bis auf 0,4-0,2V und die Led leuchtet trotzdem recht konstant weiter.

für mich sind Basisspannung immer 3,9V,

Na das ist doch auch logisch und hat auch keiner behauptet das diese sich verändert aber die Spannung der BE-Strecke wird beeinflusst!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! Dadurch das die Spannung am Emitterpin sich erhöht und die 3,9V - 3,7V = 0,2V an der BE...... Da kann doch nichts übrig bleiben am für die BE-Strecke. 2 Schmale setzen sich neben dich in die Hintere Sitzbank eines Autos wie viel Platz hast du??? Genügend und nun ersetzt du nur einen durch einen 500Kg Menschen.... Da machst du dich freiwillig dünne und so verhält sich die BE-Strecke......

Wenn UT nicht 0,9V sondern 0,7V sind, komme ich dann auf
(3,9V-0,7V)/(100k+1k) = ca. 32µA (und zwar immer!)

Der 100K ergibt sich aus den

Iz+Ib

Ib = Ic/Hfe

Ie = Ic + Ib

und Ic musst du festlegen wieviel fließen soll... da du weist das Ie = Ib + Ic ist

Ube nach deinen Angaben sind 0,7V und Uemitter = 3,2V bei Re = 1k ist Ie von 3,2mA. Da du jetzt auch weist das Ic ca Ie ist kannst du Ie / Hfe teilen und erhälst dein Ib.
Vergess nicht alles ist mit Toleranzen behaftet und wenn es um 1-2µA abweicht beim Basistrom ist es nicht so wild.

Beide Schaltungen mal aufbauen also mit ZDiode und mit dem Ersatzwiderstand für die Z-Diode weil du dich dann vom berechnen her freier entfalten kannst.

[HaWe]

Über deine Z-Diode fließen ohne Transistor 51µA bei 9V weil 9V - 3.9V(Z) = 5.1V(R) / 100k = 51µA

ja, da komme ich auch drauf. Aber der Strom, der durch die Z-Diode fließt, ist ja nicht entscheidend für den Transistor, hierdurch wird die Spannung wird ja nur auf 3,9V "abgeregelt".

Am Transistor liegen bei durchgeschalteter Z-Diode aber nur 3,9V an, und daher teilt sich der Strom auf, der durch die 100k fließt - in einen Nebenarm mit 3,2V/101k = 32µA, die durch den Transistor fließen, und weil die 3,9V konstant sind und die 0,7V ebenfalls, sind auch diese 32µA konstant -

Richtig?
(wie gesagt, wir reden ja nur über den Fall, dass der Transistor durchgeschaltet hat, was er ja bei ausreichender Basisspannung automatisch tut - und die Basisspannung wird von der Batterie geliefert und von der Z-Diode auf 3,9V konstant gehalten!)

Der 100K ergibt sich aus den
Iz+Ib
Ib = Ic/Hfe
Ie = Ic + Ib
und Ic musst du festlegen wieviel fließen soll... da du weist das Ie = Ib + Ic ist

Nein !! der 100k ergibt sich allein daraus, dass ein R=100k vor der Basis liegt !!


Und wir sind immer noch nicht beim CE-Teil, sondern immer noch beim Basisstrom!

(und @avr_racer: behalte endlich mal deine Sprüche wie "das kannst du selber tun" etc für dich, wir sind hier, um Thesen zu diskutieren und Rechnungen zu vergleichen, und nicht um den anderen Totschlagargumente um die Ohren zu hauen!!)

[Ceos]

Am Transistor liegen bei durchgeschalteter Z-Diode aber nur 3,9V an, und daher teilt sich der Strom auf, der durch die 100k fließt - in einen Nebenarm mit 3,2V/101k = 32µA, die durch den Transistor fließen, und weil die 3,9V konstant sind und die 0,7V ebenfalls, sind auch diese 32µA konstant -

Richtig?

Nein, Falsch!

Du hast mit deiner Z-Diode eine Festspannugnsquelle aber keine Stromquelle!
Strom nimmt den Weg des geringsten Widerstand und dein rechnerischer Widerstand deiner Z-Diode liegt bei 76,47 kOhm der Strom fließt also in erster Linie durch den Transistor und den Emitterwiderstand, das ERgebnis ist eine Basisspannung von < 3.9V die Z-Diode sperrt also (Widerstand extrem hoch)

Und wir sind immer noch nicht beim CE-Teil, sondern immer noch beim Basisstrom!

Deine Art und Weise zu denken lässt dich mal wieder an Details auflaufen die absolut unwichtig sind!

Der Kern des Regelkreises ist (Abfall)Spannung und nicht Strom!
Der Verstärkungsfaktor des Transistors wird ziwschen 100 und 600 angegeben, das nennt man Fertigungsschwankung und die ist gefährlich breit wenn man diesen Faktor als Regelquelle nimmt! Daher betreibt man den Transistor nicht als Verstärker sondern als Begrenzer in dem Fall.

WOW, das Datenblatt sagt sogar eine Durchlassspannung V(B-E) von 1.2V bei Sättigung, leider keine Details für "normalen" Basisstrom ...

[HaWe]

Du hast mit deiner Z-Diode eine Festspannugnsquelle aber keine Stromquelle!

Habe ich auch nicht behauptet -
Die Spannung an der Basis ist aber konstant 3,9V, weil alles, was von der Batterie kommt, durch die Z-Diode auf 3,9V abgeregelt und dadurch konstant gehalten wird -
aber der Strom, der ebenfalls von der Batterie kommt, muss vorher durch einen 100k Widerstand, bevor er zur Basis fließen kann !
Wenn also konstant 3,9V anliegen, und im Stromkreis ein 100k Widerstand in Serie liegt, wird der Strom dadurch auf 3,9V/100k = 39µA limitiert (liegen noch mehr Widerstände oder "Verbraucher" in Serie, sinkt der Widerstand ntl insg. noch weiter)

- wieso soll das falsch sein?


ps zur modellhaften Rehnung: lass uns weiter mit Faktor 200 und BE von 0,7V rechnen !