Schaltung mit Zenerdiode und Transistor als Konstantstromquelle

[Unregistriert]

zwischen 9 und 18V einen konstanten Basisstrom im µA Bereich zu erhalten (was ebenfalls teilw. bestritten wurde) , eben weil der 100k Vorwiderstand den Strom begrenzt und die Spannung konstant ist,
und dass in Folge dessen bei konstantem Verstärkungsfaktor, der den Collektorstrom in dem gewünschten Bereich begrenzt, eine gleichbleibend helle LED zur Folge hat (und die Verstärkung wichtig ist, was ebenfalls teilw. bestritten wurde).

Die Lastseite besteht aus einer Reihenschaltung von
+9V zu dem 1k Vorwiderstand, LED, Kollektoranschluß, Emitteranschluß, 1k Emitterwiderstand und weiter nach GND.
Durch diese Reihenschaltung fließt ein Strom von 3,2mA.
Wird die Betriebsspannung von 9V auf 18V erhöht, müßte sich auch der Strom auf das Doppelte erhöhen.
Da er aber konstant bleibt, muß der Transistor als steuerbares Element den Strom auf der Kollektor-Emitterstrecke begrenzen.
Das tut er, indem der Basisstrom verringert wird und damit der Widerstand des Transistors auf der Kollektor-Emitterstrecke steigt.

Die Annahme, daß der Basisstrom von bei Betriebsspannungen von 9v bis 18V gleich bleibt, halte ich für falsch, wenn der Kollektorstrom tatsächlich bei verschiedenen Betriebsspannungen konstant blieb.

Wurde der Kollektorstrom nur anhand der Helligleit der LED beurteilt oder auch nachgemessen?

[avr_racer]

..zwischen 9 und 18V einen konstanten Basisstrom im µA Bereich zu erhalten (was ebenfalls teilw. bestritten wurde) , eben weil der 100k Vorwiderstand den Strom begrenzt und die Spannung konstant ist,

Nein das ist nicht richtig. Schau dir mal bitte an warum der Basisstrom konstant, also wer dem entgegen steht, bleibt und wo sich die Ströme ändern wenn du die Spannungen wechselst.

und dass in Folge dessen bei konstantem Verstärkungsfaktor, der den Collektorstrom in dem gewünschten Bereich begrenzt, eine gleichbleibend helle LED zur Folge hat (und die Verstärkung wichtig ist, was ebenfalls teilw. bestritten wurde).

Beim Verstärkungsfaktor, zumindest das er recht konstant ist und Strom bin ich bei dir, eher würde ich es als Arbeitsbereich bezeichnen..... Aber das nur dadurch die LED gleichbleibend hell bleibt ist falsch. Das wird in Kombination durch den Emitterwiderstand und der Z-Diode geregelt. Die Z-Diode Stellt zusammen mit dem Transistor eine Konstantspannungsquelle da. Die Konstantspannungsquelle speist dann den Transistor, welcher in Verbindung mit Re den zu regelnden Laststrom einstellt. Beides sorgt dafür das die LED gleich hell bleibt bei verschiedenen Eingangspannungen und gleichen Basisstrom aber gucken wo sich die Spannungen ändern.

http://www.falstad.com/circuit/circu...8+472+288+0%0A

Der rechte Teil soll noch mal verdeutlichen das die Stromgegenkopplung nur gegen schwankende Umwelteinflüsse vorgeht aber nicht gegen sehr große Eingangspannungsänderungen. Bei Schwankungen um die 0,1V fällts nicht auf, >0,1V ändert sich auch der LED-Strom.

[Peter(TOO)]

Da er aber konstant bleibt, muß der Transistor als steuerbares Element den Strom auf der Kollektor-Emitterstrecke begrenzen.
Das tut er, indem der Basisstrom verringert wird und damit der Widerstand des Transistors auf der Kollektor-Emitterstrecke steigt.

Die Annahme, daß der Basisstrom von bei Betriebsspannungen von 9v bis 18V gleich bleibt, halte ich für falsch, wenn der Kollektorstrom tatsächlich bei verschiedenen Betriebsspannungen konstant blieb.

Jain, kommt drauf an was man alles einbezieht!

I_C = I_B*h_FE
Da spielt die Spannung an C keine Rolle.

Allerdings ist die BC-Strecke eine gesperrte Diode und diese hat einen Leckstrom, welcher zu der Sperrspannung an der Diode proportional ist.
Dieser Sperrstrom kann dann aber nur über die BE-Strecke abfliessen.
Insofern verringert sich der externe Basisstrom etwas mit einer zunehmenden Spannung.
Allerdings ist der Leckstrom etwa 4 Zehnerpotenzen kleiner als der Basisstrom.

[HaWe]

also müssen wir tasächlich noch mal von vorn anfangen?
nach meinem Tutorial (oben zitiert) bleibt der Basistrom bei 9-18V Batterie konstant wegen konstanter Uz= Basisspannung und konstantem Vorwiderstand von 100k,
nach meiner eigenen Rechnung bleibt er auch konstant bei 9-18V Batterie, aus denselben Gründen,
nach der Simulationsschaltung von avr_racer tut er das auch.

in welcher Weise hier eine Rückkopplung von der Lastseite auf die Basis-Seite erfolgen soll, ist nicht ersichtlich, denn die Spannung an der Basis bleibt ja mit 3,9V konstant, und der Strom zur Basis ist ebenfalls durch die 100k zur Batterie konstant begrenzt. Keine Rückkoplung, keine Spannungsänderung, nichts in der Art.
Da sich an diesen Konstanten (Spannung und Widerstand) nichts ändert, bleibt auch der Rest, also auch der Basistrom, konstant, nichts ändert sich bei wechselnder Batteriespannung im 9-18V Bereich bei durchgeschaltetem Transistor, und das ist ja genau der Effekt, der letzlich auf die Z-Diode als Konstantspannungsquelle zurückzuführen ist.

wer jetzt also tatsächlich der Meinung ist, dass der Basisstrom nicht konstant ist, möge das bitte doch mal mit Zahlen (!) vorrechnen und dann seine Ergebnisse mit der Simulation hier gemeinsam zum Vergleich einstellen.
Nach dieser Berechnung mit konkreten Zahlen hatte ich ja in der Tat schon seit 7 Forumsseiten gefragt, doch da kam nie eine konkrete Antwort -
- außer die Simulation, und die sagt: 16µA konstant.



Ich bin da wirklich sehr gespannt...

[Ceos]

nö sorry ich steig aus, ich hab die rückkopplung sehr deutlich erläutert ... schau einfach nochmal meine beiträge durch ... mir wirds mal wieder zu bunt ... sorry



okay ... eine LETZT SChaltung zum spielen damit mal es auch sieht wie die Basisspannung abfällt wenn die Last nicht groß gnug ist Link

Einfach das Potentiometer aufdrehen um den Strom über das Poti kleiner zu machen als der Regelstrom, dann wird die Basisspannung < 3.9V weil über den Emitterwiderstand weniger SPannung abfällt und die Spannung über B-E zunimmt, dann fließt kein(kaum) Strom mehr über die ZDiode und der Transistor geht voll auf (dabei ändert sich auch der Basisstrom und er ändert sich auch im Bezug auf die Versorgungsspannung)

[avr_racer]

@HaWe

Er bezieht sich auf das Potentiometer vom deinem ersten Post. Das Poti verhindert das ja mehr Strom fließen kann somit hat Peter auch recht denn er sagt:

Jain, kommt drauf an was man alles einbezieht!

WIR hingegen haben das Poti durch Schalter ersetzt so das der Strom ungehindert bei 9-18V fließen kann und keine Auswirkung auf die Schaltung hat!!!!!! Darauf bezieht sich Peter.

Wobei mir selber nicht genau klar ist ob das Poti bei deiner Endanwendung auch vorhanden ist oder ob es nur simulieren soll was die Schaltung tut wenn die Spannungsversorgung verringert wird.


Zum konstanten Ib, jaaaa der ist konstant bei 9-18V ABER schaue in der Simulation nach in welchen Steuerstrompfaden sich die Ströme ändern DAMIT das auch erfüllt bleibt. Man sieht dies auch in der Simulation wenn man von 9 auf 18 und zurück schaltet.

Maaaan ihr seit so fix oder wer ich alt ...

Dein Problem HaWe ist das Verständnis wie die Gegenkopplung funktioniert.

Ok Regelkette nur jetzt mal Re betrachten ohne Z-Diode
>> heist daraus folgt

Ie steigt >> Ure steigt >> Ube sinkt >> Ib sinkt >> Ic sinkt solange bis das Gleichgewicht wieder hergestellt ist.

Ok Regelkette jetzt mit Z-Diode und Re

3,9V stehn immer an der Basis an. Ube bleibt bei 0,6V, somit haben wir auch bei 9V, die 3,3V über Re. Du kannst ja mal 2000000000V anlegen trotzdem bleiben 3,3V auch am Re die abfallen.
Somit ist der konstante Teil bestehend aus Z-Diode, Transe und RE maßgeblich dafür verantwortlich das der Strom durch den Lastkreis bei 9V 15V 18V 20V 30V 100V..... gleich bleibt. Wenn dieser Teil regeltechnisch konstant ist müssen sich bei anderen Betriebsspannungen die restlichen Spannungsdifferenzen an den übrigen Bauteilen aufteilen. Das ist R1, Transistor mit veränderter Uce und der Rled


Und hier mal die Berechnung so einfach wie möglich, ein wenig grafisch und hoffe nachvollziehbar.

[Peter(TOO)]

in welcher Weise hier eine Rückkopplung von der Lastseite auf die Basis-Seite erfolgen soll, ist nicht ersichtlich, denn die Spannung an der Basis bleibt ja mit 3,9V konstant, und der Strom zur Basis ist ebenfalls durch die 100k zur Batterie konstant begrenzt. Keine Rückkoplung, keine Spannungsänderung, nichts in der Art.
Da sich an diesen Konstanten (Spannung und Widerstand) nichts ändert, bleibt auch der Rest, also auch der Basistrom, konstant, nichts ändert sich bei wechselnder Batteriespannung im 9-18V Bereich bei durchgeschaltetem Transistor, und das ist ja genau der Effekt, der letzlich auf die Z-Diode als Konstantspannungsquelle zurückzuführen ist.

wer jetzt also tatsächlich der Meinung ist, dass der Basisstrom nicht konstant ist, möge das bitte doch mal mit Zahlen (!) vorrechnen und dann seine Ergebnisse mit der Simulation hier gemeinsam zum Vergleich einstellen.
Nach dieser Berechnung mit konkreten Zahlen hatte ich ja in der Tat schon seit 7 Forumsseiten gefragt, doch da kam nie eine konkrete Antwort -
- außer die Simulation, und die sagt: 16µA konstant.

Ich bin da wirklich sehr gespannt...

Tja, eine Simulation ist nicht die Realität!

https://e3.physik.uni-dortmund.de/~s...ansistoren.pdf
Abschnitt 6.1.4. lesen.
U_BE ändert sich in Abhängigkeit von U_CE.
Ich schrieb aber auch, dass der Effekt etwa 4 Zehnerpotenzen kleiner ist als deine Berechnung. Wem dies das zu hoch ist, das ist ein Faktor 10^-4.

Die vollen Formeln für einen Transistor sind recht kompliziert, besonders wenn man die Temperatur mit einbezieht.
Da Transistoren Fertigungstoleranzen im Bereich von +/-50% haben, muss eine Schaltung damit zurecht kommen und meistens kann man Terme dadurch vernachlässigen.

Allerdings liegt die Umgebungstemperatur nicht überall bei +25°C. Da funktionieren dann manche Geräte schon bei 30-35°C nicht mehr.
Da BE eine Si-Diodenstrecke ist, ändert sich deren Spannung um etwa -2.3mV/K.
Im Automobil-Bereich ist eine Temperatur-Bereich von -20°C-+80°C üblich, also 100K Differenz. Da ändert sich U_BE um etwa 230mV, was etwa 1/3 von den 0.6-0.7V entspricht. Entsprechend kann dein Basis-Strom nicht über die Temperatur konstant sein und I_C ist es auch nicht.
Hier trennt sich dann schnell der Spreu vom Weizen bei den Entwicklern.

Neben der Diodenspannung, ändern sich vor allem auch die Leckströme und das Rauschen, beides nimmt mit der Temperatur zu.

Hier mal ein Datenblatt vom BC817:
https://www.fairchildsemi.com/datasheets/BC/BC817.pdf

Figure 1. zeigt, dass sich das H_FE in Abhängigkeit der Temperatur und I_C ändert, wodurch auch der Basisstrom von diesen Parametern abhängt. Die Diagramme zeigen fast immer die Durchschnittlichen Werte an.
Auch bei 25°C und I_C = 3mA verläuft die Linie nicht wirklich horizontal.

MfG Peter(TOO)

- - - Aktualisiert - - -

nein, ich "kann nicht auch von vorne rechnen", ich MUSS von vorne rechnen!

Upps, dann habe ich das mein Leben lang falsch gemacht!
Muss ich jetzt eine Rückrufaktion für alle meine Geräte der letzten über 40 Jahre starten ?

Zuerst legt man IC fest, das ist nun mal der wichtige Parameter.
Aus den Spannungsbereich kann man die Verlustleistung im Transistor berechnen.
Damit kann man dann einen Transistor auswählen.

Die Auswahl der Z-Diode ist dann so eine Sache.
Je höher man die Spannung wählt umso stabiler wird I_C, aber gleichzeitig schränkt man den Bereich ein, in welchem die Schaltung funktioniert.
Jetzt kann man R_E festlegen.
Um Normwerte verwenden zu können, schraubt man je nach dem auch noch an U_Z
Dann kann man I_B abschätzen, dazu nimmt man das kleinste h_FE des ausgewählten Transistors für den ungefähren Arbeitspunkt.

Je grösser man I_Z/I_B wählt, umso kleiner wird er Einfluss der Unterschiedlichen I_B
Nun kann man eine Z-Diode und deren Arbeitspunkt festlegen.
Daraus kann man den Widerstand für die Z-Diode berechnen.

Dann kommt der Aufwändige Teil der Rechnerei.
Man muss die Worst Case Berechnungen für die ganzen Bauteil- und Spannungs-Toleranzen durchführen und dabei auch die Temperatur einbeziehen. Die Schaltung muss dann die geforderten Bedingungen in jedem Fall erfüllen. Wenn nicht muss man Werte ändern und nochmals rechen.
Zudem müssen auch die Verlustleistungen berücksichtigt werden.

Und auch bei deinem Verstärker-Beispiel muss man hinten Anfangen.
Als Parameter hat man die Werte vom Mikrofon (Spannung, Impedanz) und was am Lautsprecher raus kommen soll (Leistung, Impedanz).
Nur damit kann man die nötige Spannungsverstärkung der ganzen Schaltung berechnen.
Aus technischen Gründen kann man nun aber die Verstärkung der Endstufe nicht frei wählen, um z.B. einen kleinen THD zu bekommen, muss die Gegenkopplung möglichst gross sein.
Bei Transistorstufen hat man das Problem, dass die Ausgangskennlinie nicht linear ist, man muss also einen Arbeitspunkt suchen, welcher möglichst linear ist, was aber wiederum die Verstärkung eingrenzt, je nach dem welchen THD man zulässt.
Ein weiteres Problem ist, dass jede Stufe zusätzlich Rauschen erzeugt, welches zum Nutzsignal addiert wird.
Wie jede Entwicklung ist das Ganze am Ende ein Kompromiss.

MfG Peter(TOO)

[Ceos]

Also HaWe jetzt haben mittlerweilen 4 Leute dir gesagt dass du das ganze von der falschen Seite aufziehst, warum akzeptierst du nicht dass andere Recht haben und versuchst mal deren Erläuterungen zu folgen?

Der Witz ist dass neben mir sicher auch andere plötzlich wesentlich besser verestehen wie die Schaltung tickt XD Am Anfang habe ich auch immer erst mit konstanter BAsisspannung gerechnet und habe nur durch Zufall die richtigen Zahlen bekommen, als ich dnn mal den Simulator angeschmissen hatte wurde mir klar das es bei steigendem Strom die Z-Diode ist, die verhindert dass die Basisspannung über 3.9V steigt und damit verhindert dass der Transistor offen bleibt! Der Basistrom ist nur ein Ergebnis dieses Gleichgewichts!

Leider sind meine Mathematischen Künste was Gleichungen geht nicht so ausgeprägt, aber vll. hilft es HaWe wenn jemand mal alle Komponenten in eine große Gleichscung schreibt, damit er einfach mal mit den Variablen rumspielen kann um zu sehen dass der Basisstrom und Spannung nicht zwangsläufig eine Konstante ist