Schaltung mit Zenerdiode und Transistor als Konstantstromquelle

[HaWe]

mann nun werd mal nicht komisch!
wo hast du die her, wo fließen die, wie hast du die unter welchen Vorraussetzungen ausgerechnet?

es liegt ja schließlich oben am Kollektor noch eine viel größere, variable Spannung an (bis 18V), die auch noch auf den Emitterwiderstand (falls vorhanden) durchgeleitet wird und dort abfällt, und nicht nur der Miniteil, der aus der Basis reinfließt.

Überhaupt ist aber doch nicht die SPANNUNG an der Basis für den Kollektor-Emitterstrom massgeblich, sondern der Basis-STROM, und der muss konstant sein, damit über die Verstärkung auch der Kollektor-Emitterstrom konstant ist.

Anders rum:
An der LED fallen immer 0,7V ab, egal wieviel anliegt:
damit sie gleich hell bleibt, muss ihre Helligkeit über einen konstanten STROM konstant gehalten werden, und der wird über einen konstanten Basistrom konstant gehalten.

Warum oder wodurch wird also der Basistrom konstant gehalten, wenn verschieden hohe Spannungen durch den 100k Widerstand an die Basis geraten? Offenbar wird ja doch durch die Z-Diode die Spannung auf 3,9V heruntergeregelt. Aber welcher Strom fließt dann durch, wenn ein 100k Widerstand vor der Basis liegt? Keine 3V/100k = 30 µA ? Wieviel dann, bei wechselnden oder fehlenden Emitterwiderständen, denn der 100k Basis-Vorwiderstand bleibt ja...? Und der Basis-Vorwiderstand hat doch sicher einen limitierenden Einfluss auf den Basisstrom, oder nicht? Und dauch dann kann hier ja bei weitem keine Kurschlusssituation entstehen, oder etwa doch? Und wenn nicht, wo liegt also das Limit für den Basistrom unter diesen Umständen?

Gesetzt den Fall, dass der Basistrom aber konstant ist, dann bleibt auch der Kollektor-Emitterstrom konstant, egal ob ein zusätzlicher Emitterwiderstand mit dabei ist und an einem Emitterwiderstand was abfällt (und insgesamt kein Kurzschluss vorliegt bei den 1k+LED am Kollektor), oder nicht?

[Ceos]

warum sinkt ein Spannungsabfall, wenn ein STROM kleiner wird?
Wenn die SPANNUNG kleiner wird, dann sinkt auch der Spannungsabfall, aber was hat das mit welchem Strom zu tun?

R = U(Spanunngsabfall) / I -> U = R * I -> wenn I sinkt, sinkt proportional auch U

wenn du keinen Verbraucher hinter dem Widerstand hast ist U(Spannungsabfall) = U(Versorgung)

Wenn die Versorgungsspannung sinkt, sinkt durch einen konstanten Widerstand der Strom und damit proportional der Spannungsabfall über dem Widerstand.
Die SChlussfolgerung durch senken der Spannung fällt auch der Spannungsabfall ist also falsch. Insbesondere wenn du z.B. einen Spannungswandler dazwischen hast, dann steigt dein Strom sogar wenn du die Spannung verringerst und dein Spannungsabfall über einen vorgeschalteten KOnstanten Widerstand wird sogar größer!

[Peter(TOO)]

mann nun werd mal nicht komisch!
wo hast du die her, wo fließen die, wie hast du die unter welchen Vorraussetzungen ausgerechnet?

es liegt ja schließlich oben am Kollektor noch eine viel größere, variable Spannung an (bis 18V), die auch noch auf den Emitterwiderstand (falls vorhanden) durchgeleitet wird und dort abfällt, und nicht nur der Miniteil, der aus der Basis reinfließt.

Überhaupt ist aber doch nicht die SPANNUNG an der Basis für den Kollektor-Emitterstrom massgeblich, sondern der Basis-STROM, und der muss konstant sein, damit über die Verstärkung auch der Kollektor-Emitterstrom konstant ist.

Anders rum:
An der LED fallen immer 0,7V ab, egal wieviel anliegt:
damit sie gleich hell bleibt, muss ihre Helligkeit über einen konstanten STROM konstant gehalten werden, und der wird über einen konstanten Basistrom konstant gehalten.

Du bist gerade auch nicht einfach.
Wenn du ALLES durchliest, steht da die Antwort mehrfach!

Neben Herrn Ohm musst du auch noch Herrn Kirchhoff beachten!
Und die Annahme, dass alles konstant ist, ist falsch!
Auch wenn nur 2 aktive Bauteile verwendet werden, bilden diese einen Regelkreis! Ein Regelkreis hat die Eigenschaft, dass wenn er eingeschwungen ist und keinerlei Störsignale vorhanden sind, sich feste Werte einstellen. Sobald sich aber irgendwelche Signale verändern steuert der Regelkreis dagegen an und die Stellgrössen ändern sich.

Die 0.7V an der LED sind auch falsch, je nach Farbe sind es 1.5V bis etwa 4.5V, aber das spielt bei der Schaltung grundsätzlich auch keine Rolle.

Zuerst einmal:
Der Strom durch den 100k teilt sich in zwei Ströme I_Z und I_B auf.

Bei einer idealen Z-Diode wäre I_Z unterhalb 3.9V = 0, bei 3.9V wird er unendlich.
Hier wird der Strom durch die 100k begrenzt.
Zudem hat eine reale Z-Diode keinen so schönen Knick:
http://www.elektronik-kompendium.de/...au/0201211.htm
real wird U_Z minimal kleiner, da I_Z um I_B verkleinert wird.

Jemand hat U_BE mit 0.9V angenommen, weil sich damit besser rechnen lässt, real wären es 0.6-0.7V aber der genaue Wert ist für die Funktion egal!
Ich rechne jetzt weiter mit den 0.9V, das geht dann mit Kopfrechnen, du kannst ja alles mit den krummen Werten selber nachrechnen.

Den 1k in Serie zur LED lassen wir auch mal weg, der hat auf die Funktion der Schaltung auch keinen Einfluss. Er dient nur dazu, die Verlustleistung der Schaltung auf den Transistor und den 1k zu verteilen, wodurch der Transistor weniger warm wird.

Der Transistor ist ein Stromverstärker und I_C = I_B * k
Die B-E-Strecke ist eine Diode und ich nehme an, dass diese erst ab 0.9V leitet, solange diese Strecke nicht leitet fliesst auch kein I_B.

Durch den Emitter-Widerstand R_E fliesst der Strom I_B + I_C
Damit also ein I_B entsteht und weil U_B durch die Z-Diode auf 3.9V fixiert wird, muss am Emitter eine Spannung von U_E = 3.9V - 0.9V = 3.0V anliegen.
Wird U_E grösser, dann wird I_B kleiner, wird U_E kleiner, wird I_B grösser.
Entsprechend verändert sich auch I_C

Nun ist U_E = (I_B + I_C) * R_E

Da R_E 1k hat und U_RE 3.0V ist, fliessen durch R_E 3mA (I_B + I_C = I_B + I_B * k).

Beim Transistor ist nun aber U_C unabhängig von I_C, U_C stellt sich so ein, dass I_C fliesst.

Das ist natürlich nur möglich wenn die Schaltung dies zulässt.
Die Schaltung funktioniert keinesfalls mit einer Betriebsspannung zwischen 0 und 18V!
Unter 3.9V geht mal gar nichts, weil dann die Z-Diode nicht arbeitet.
Allerdings fliesst bei 3.9V auch kein Strom durch die 100k.
Eine weitere Bedingung ist, dass die Betriebsspannung grösser sein muss als U_RE + U_CESAT + U_LED + 3V (diese fallen bei 3mA am 1k in Serie zur LED ab.).

Für eine rote LED sind dies etwa 3V + 1.7V + 0.2V + 3V = 7.9V, bei einer blauen oder weissen LED muss man mit mindestens 10.2-10.7V rechnen.


Verwendet man den Transistor als Schalter, wählt man I_B so gross, dass I_{C = IB * k} gar nicht erfüllt werden kann, typisch wählt man I_B etwa 10x zu gross. Der Transistor geht dann in die Sättigung und U_CE nimmt einen Wert von etwa 0.2V an.

MfG Peter(TOO)

- - - Aktualisiert - - -

bei b), also ohne Emitterwiderstand: auch hier fließt der Strom den gleichen Weg, nur am Schluss fehlt ein 1k Widerstand, also
Basistrom= I = (3,9V -0,9V)/(100k) = 3/100000 = ca. 30µA.

Das ist falsch!

Den Emitter hast du direkt auf Masse geklemmt.
Folglich liegen die B-E-Diode und die Z-Diode parallel.
Da die B-E-Diode bei 0.9V leitet, kann die Spannung an der Z-Diode nicht grösser sein!

MfG Peter(TOO)

[avr_racer]

An den Postersteller es fehlen dir, sehr viele Grundlagen die du dir mal als erstes aneignen musst!!!!
Wenn du mit so einer Schaltung anfängst bist du, auf Grund des fehlenden Wissens, überfordert.

Hier mal eine Seite http://elektroniktutor.de/index.html auf der einige Grundlagen erklärt sind und genauso wichtig, wie die Theorie, ist es auch im praktischen Maße dies mal aufzubauen, Messungen durchzuführen damit man ein Gefühl bekommt wie man diese Einheiten und Verhältnisse zu verstehn hat.

[HaWe]

es mag richtig sein, dass mir bestimmte Grundlagen fehlen, aber bevor ich hier im Forum eine Verständnis-Frage stelle, werde ich sicher keine 3 oder 4 Jahre Elektrotechnik und Elektronik studieren. Dass hier Anfänger in bestimmten Gebieten Fragen stellen, ist normal für ein Forum, und würden alle hier auf eine Frage mit "lern erst mal die Grundlagen" antworten, bräuchten wir nur dich als Mitglied, der alle Fragen dergestalt beantwortet - oder nicht mal das, denn für diese Antwort könnten wir einfach einen Roboter programmieren und keiner würde den Unterschied merken. Gelle?

Den 1k Widerstand vor der LED brauche ich allerdings doch, wenn ich die LED bei 9V-18V (oder mehr) vor zu hohen Strömen oder Spannungen schützen will.
Bei "normalen" Dioden rechne ich mit 0,7V, das reicht bei denen, die ich hier betrachte als Genauigkeit - es ist ja nur eine modellhafte Rechnung.
Dass die Schaltung bereits ab 0V arbeitet habe ich ebenfalls nicht behauptet, ich ging exemplarisch von 5V, 9V und 18V aus; bei 9V und 18V aber wird sie schon mit ziemlicher Sicherheit funktionieren.

Damit also ein IB entsteht und weil UB durch die Z-Diode auf 3.9V fixiert wird, muss am Emitter eine Spannung von UE = 3.9V - 0.9V = 3.0V anliegen.
Wird UE grösser, dann wird IB kleiner, wird UE kleiner, wird IB grösser.
Entsprechend verändert sich auch IC

Das verstehe ich nicht.


Fälle für Batteriespannung unter 3,9V brauchen wir hier sowieso nicht zu betrachten, ebensowenig Abweichungen der echten Zenerdioden von den hier theoretischen, das verwirrt nur.
5V, 9V und 18V waren meine Beispiel-Fälle.

Die von der Basis gespeiste Emitter-Spannung gegen GND ist doch hier IMMER 3V, weil die Zenerdiode IMMER 3,9V liefert und im Transistor (wie wir ihn hier vorraussetzen) IMMER 0,9V abfallen. Daher muss dafür doch keine weitere Bedingung "durch Ströme" erfüllt sein, denke ich.

Außerdem habe ich nicht gefunden, wo du schreibst, wie groß denn jetzt der Basis-Emitterstrom definitiv ist im Fall a) unter Berücksichtigung aller 3 Widerstände
a) LED+1k am Kollektor plus 1k am Emitter
plus 100k Basis-Vorwiderstand!

definitiv ist es für mich nicht einsichtig, wie der Basisstrom größer werden kann als 30µA, wegen des 100k Basiswiderstandes!
Wenn aber nur 30µA Basisstrom durchgelassen werden durch die 100k über die Basis bis zum Emitter, dann können am Emitterwiderstand NIEMALS 3mA Basisstrom durchfließen !

Auch deine allgemeinen Formeln sind für mich nicht einleuchtend, solange sie nicht mit konkreten Werten darlegen, wie bei wechselnden Batterie-Spanungen denn jetzt doch die LED gleich hell gehalten wird.


Bis jetzt habe ich zumindest keine entsprechende Erklärung verstanden und auch die theoretische Idee eines Transistors als Schalter und die Idee eines Regelkreises hilft mir hier ehrlich gesagt noch nicht weiter.


Also, dann werde ich jetzt nochmal verstehen versuchen, warum diese Schaltung
a) eine Konstantstromquelle auch für verschiedene Batteriespannungen ist,
b) was den Basisstrom konstant hält, damit auch der Kollektor-Emitterstrom konstant bleibt, wenn auch an der LED "oben" mal 5, mal 9, mal 18V etc anliegen.

Wodurch wird also die LED immer gleich hell gehalten bei wechselnder Batteriespannung?

[avr_racer]

Du der Hinweis ist nicht böse gemeint nur das Problem ist wenn die Grundlagen fehlen haben die meisten auch keinen Bock zu helfen da der Erklärungsaufwand übers Netz einfach mal bescheiden ist. Gemeint ist damit ob mein Gegenüber mir auch folgen kann....

Achso und zum "Studium" das ist nicht notwendig. Grundlagen über Ströme und Öhme sollten in der Schule gelegt worden sein und in der Berufsausbildung hat man sich den notwendigen Rest angeeignet UUUUUUUUUUUUUnd das war auch nicht immer einfach. Mal als nicht Studierter... mit nem 0815 Abschluss....

Den 1k Widerstand vor der LED brauche ich allerdings doch....

Wenn man es richtig macht brauch man ihn nicht, auch bei einer gewissen Änderung der Versorgungsspannung.

Die Emitter-Spannung gegen GND ist doch hier IMMER 3V, weil die Zenerdiode IMMER 3,9V liefert und im Transistor (wie wir ihn hier vorraussetzen) IMMER 0,9V abfallen. Daher muss dafür doch keine weitere Bedingung "durch Ströme" erfüllt sein, denke ich.

Ja die 3V von Peter sind schon richtig abbbbeeerrrr wenn der Strom (am Remitter,Re) sich ändert, ändert sich die Spannung am Re das hat zur Folge DAS die Ube sich auch ändert. Nehmen wir mal an URe wird größer weil die Transe sich erwärmt (zB Sonne usw) >>
somit werden mehr Elektronen frei >> (...hat was mit der Eigenschaft des Silizium zu tun...)
die alle durch den Re wollen >>
somit erhöht sich der Spannungsabfall an Re >>
Ube wird kleiner, bezogen auf die 3,9V heißt es das die Spannung am Emitter steigt und die Differenz, also das was als Ube(nur der Spannungsabfall drüber)* übrig bleibt, sinkt >>
somit sinkt der Ibe der in die Basis der Transe fließt >>
bis sich ein Gleichgewicht einstellt. Das ganze ist eine Stromgegenkopplung

*Die Z-Diode hält bis zum Erbrechen die 3,9V an der Basis fest und über den Re wird quasi, wie ein Poti, die Spannung auf Grund der Umwelteinflüsse oder Betriebszustände, verändert.

Normalzustand ZDiode = 3,9V, URe = 3V, Ube = 0,9V
dynamisch plus ZDiode = 3,9V, URe = 3,5V, Ube = 0,4V
dynamisch minus ZDiode = 3,9V, URe = 2,5V, Ube = 1,4V


Wenn man das für einen Spannungsbereich berechnen will musst du 2 mal rechnen. Untersten und obersten Wert den die Betriebspannung annhemen kann/soll und die Schlußfolgerung daraus ziehen ob es die erwünschten Parameter einhält. Sonst neue Werte neu durchrechnen

Also, dann werde ich jetzt nochmal verstehen versuchen, warum diese Schaltung
a) eine Konstantstromquelle auch für verschiedene Batteriespannungen ist,
b) was den Basisstrom konstant hält, damit auch der Kollektor-Emitterstrom konstant bleibt, wenn auch an der LED "oben" mal 5, mal 9, mal 18V etc anliegen.

Zu a) schau dir mal den Stromspiegel an in aller einfachster Form und du wirst feststellen das der selbe Mechanismus greift bezogen auf den Re
Zu b) der Basisstrom wird NICHT konstant gehalten!!!!!!!!!!!!!!!!!

[HaWe]

danke für deine Mühe, aber ich kann dir tatsächlich nicht folgen. Schon diese Aussage

wenn der Strom (am Remitter,Re) sich ändert, ändert sich die Spannung am Re

ist für mich unlogisch:

für mich ist (bei Batteriespannung deutlich über 4V) die Spannung an Emitter gegen Grund IMMER 3V, da die Z-Diode konstant auf 3,9V abregelt (also liegen an der Basis genau diese 3,9V an), und beim Übergang auf den Emitter gehen nochmal 0,9V verloren, also bleiben IMMER 3V übrig, egal ob mit oder ohne Widerstand zwischen Emitter und GND,
Wie da ein Srom durch einen Widerstand diese Spannung, die am Emitter rauskommt, ändern kann, ist mir nicht ersichtlich.
Temperaturschwankungen durch die Sonne sind übrigens jetzt ebenfalls verwirrend.

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.

[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 ?