Schaltung mit Zenerdiode und Transistor als Konstantstromquelle

[Peter(TOO)]

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 ?

Lass dich mal von White_Fox nicht verwirren, der ist auf dem Holzweg gelandet.

Im Prinzip ist eine Z-Diode ein ganz normale Diode.
In Sperrrichtung sperrt eine Diode nur bis zu einer maximalen Spannung, darüber bricht sie durch.
Näheres findet man unter Avalanche- oder Lawinen-Effekt.
Die Sperrfestigkeit einer Diode wird durch deren Geometrie beim Aufbau und der Dotierung festgelegt.
Bei normalen Dioden optimiert man das so, dass der Avalanche-Effekt erst bei möglichst hohen Spannungen auftritt.
Bei Z-Dioden möchte man diesen bei einer möglichst genau definierten Spannung haben.

OK, das leben ist etwas komplizierter
Neben dem Avalanche- gibt es noch den Zener-Effekt.
Dieser kommt aber nur bei Kleinen Spannungen zum wirklich zum tragen und tritt netterweise zusammen mit dem Avalanche-Effekt auf.
Netterweise, weil der Zener-Effekt einen negativen Temperaturkoeffizienten, um -3mV/K, hat und der Avalanche-Effekt einen positiven.
So um 5.5V halten sich die beiden Effekte die Waage und man erhält Dioden mit einem Temperaturkoeffizienten von 0mV/K.

Genau genommen gibt es Zener-Dioden nur bis etwa 5.5V, darüber sind es Avalanche-Dioden, aber Z-Diode hat sich als Begriff eingebürgert.

Es gibt ja noch eine Menge anderer Spezial-Dioden, wie Foto-, Kapazitäts-, Z- usw. -Dioden und LED.
Diese Effekte sind eigentlich bei allen Dioden zu finden, die Spezial-Dioden sind nur so konstruiert, dass der gewollte Effekt möglichst ausgeprägt ist.
Bekannt ist heute, dass man LEDs auch als Foto-Diode nutzen kann, da finden sich auch Schaltungen im Netz.
Auch eine 1N4148 kann man als Kapazitätsdiode verwenden, die Daten dazu findet man sogar im Datenblatt. Je nach dem, muss man ein paar parallel schalten um auf die nötige Kapazitätsveränderung zu kommen.

Zu Zeiten von Germanium, als Dioden und Transistoren in schwarz lackierten Glasgehäusen eingebaut waren, gab es keine Photo-Dioden und -Transistoren. Um soclhe zu erhalten, hat man einfach den Lack abgekratzt. Der Lack war dazu da, den Photo-Effekt zu unterbinden.

Solche Probleme treten heute noch auf.
Bei einer, ich glaube es war ein RasPi, wurde ein Chip verbaut, welcher auf Licht reagierte und den Controller geresetet hat.

So ähnliche Probleme gab es früher öfters als UV-Löschbare Bausteine noch Stand der Technik waren. Da fingen dann z.B. µC zu spinnen an, wenn Licht durch das Löschfenster auf den Chip gefallen ist. Altera hatte zeitweise unter diesen Umständen grosse Probleme mit den Leckströmen bei EPLDs (Programmierbare Logik-Bausteine).

Fazit:
An Stelle einer Z-Diode könnte man theoretisch auch eine 1N400x oder 1N4148 verwenden.
Allerdings liegt dann die Spannung im Bereich einiger 100V bis kV.

MfG Peter(TOO)

[HaWe]

aha, ok, vielen Dank, das Dunkel lichtet sich ein wenig. Von hinten aufgezäumt heißt das also: Mit normalen Dioden in Sperrichtung hat man unter diesen Umständen keinen Zener-Effekt, sie brechen nicht durch, sondern sie sperren total.
Vergessen wir sie also dann vorerst einmal.

Zurück zur Zener-Diode.
Mit Vorwiderstand zur Strombegrenzung (hier 100k) haben wir zwischen ihrer Anode und ihrer Kathode also 3,9V, der Rest, der von der Batterie kommt, wird durch sie hindurch nach GND durchgeleitet.
Ihre Kathode ist an GND, Anode ist an T-Basis, also auch hier dann 3,9V, dann fallen 0,9V zur Basis ab, dann sind wir beim Emitter gelandet, der liegt also bei 3V gegen GND.
Gesetzt den Fall, dann käme der 1kOhm Widerstand, fallen also auch daran jetzt 3V ab - WENN von "oben" nicht noch eine größe Spannung ankommt!!

Wieso aber konstanter Basistrom? Egal ob 4, 5, 9, oder 18V oben aus der Batterie kommen? (der Minuspol fehlt übrigens in der Zeichnung am Poti)

Gleichzeitig ist aber auch die Basis durchgeschaltet, wenn dort mindestens ca. 1V anliegen, in der Kollektorleitung liegt aber ebenfalls ein 1KOhm Widerstand plus die LED, und oben liegen meist mehr als 4 oder 5V, nämlich bis zu 9 oder 18V.
Also kriegt dann auch, je nach Batteriespannung, die LED verschieden hohe Spannungen ab (von Plus über den Widerstand durch die LED und Kollektor+Emitter nach GND ) - sie leuchet also verschieden hell, was sie aber doch nicht tun soll angeblich, denn hier ist doch angeblich eine Konstantstrom/spannungsquelle....?

Meine Fragen dazu also:

1.) Vorraussetzung für eine konstanten Strom im Kollektor-Emitter Stromkreis ist doch ein konstanter Basisstrom, nicht nur eine konstante Basispannung - wieso ist der Basisstrom konstant, wenn doch bei höherer Batteriespannung auch mehr Strom von Plus zur Basis, zum Emitter und dann nach GND durchfließt? Ist das etwa NICHT so, und warum dann nicht - Oder fließt hier gar kein Strom weil die Z-Diode alles nach GND ableitet, wie ein Kurzschluss (rethorische Frage, ist ja auch nicht möglich... :-/ ) ...?

2.) Wenn der Basisstrom allerdings recht klein und konstant ist, wie es ja sein soll, dann ist bei konstanter Verstärkung auch der Kollektor-Emitter-Strom konstant (und dann wäre es egal, ob außer dem Kollektorwiderstand noch ein Emitterwiderstand da ist oder nicht?) - sehe ich das richtig?

irgendwie ist mir der dreifache Stromkreis plus - Basis - Z-Diode-GND und Plus - Basis- Emitter- GND und Plus LED - Transistor - Emitter - GND ein Buch mit 7 Siegeln....

[Peter(TOO)]

Meine Fragen dazu also:

1.) Vorraussetzung für eine konstanten Strom im Kollektor-Emitter Stromkreis ist doch ein konstanter Basisstrom, nicht nur eine konstante Basispannung - wieso ist der Basisstrom konstant, wenn doch bei höherer Batteriespannung auch mehr Strom von Plus zur Basis, zum Emitter und dann nach GND durchfließt? Ist das etwa NICHT so, und warum dann nicht - Oder fließt hier gar kein Strom weil die Z-Diode alles nach GND ableitet, wie ein Kurzschluss (rethorische Frage, ist ja auch nicht möglich... :-/ ) ...?

2.) Wenn der Basisstrom allerdings recht klein und konstant ist, wie es ja sein soll, dann ist bei konstanter Verstärkung auch der Kollektor-Emitter-Strom konstant (und dann wäre es egal, ob außer dem Kollektorwiderstand noch ein Emitterwiderstand da ist oder nicht?) - sehe ich das richtig?

irgendwie ist mir der dreifache Stromkreis plus - Basis - Z-Diode-GND und Plus - Basis- Emitter- GND und Plus LED - Transistor - Emitter - GND ein Buch mit 7 Siegeln....

Vergiss mal den 1k in Serie zur LED, dieser ist theoretisch überflüssig!

Das ganze ist ein Regelkreis.

Bei 3mA beträgt der Spannungsabfall am 1k Emitter-Widerstand 3V.

Wird der Strom durch den Emitter-Widerstand grösser, wird auch der Spannungsabfall grösser und deshalb der Basis-Strom kleiner. Der Kollektor-Strom nimmt ab.

Wird der Strom kleiner, sinkt der Spannungsabfall am Widerstand und der Basis-Strom nimmt zu.

Der Emitter-Widerstand ist der Sensor, welche eine Spannung, proportional zum Strom, liefert.
Ersetzt du den Emitter-Widerstand mit 100 Ohm liefert die Stromquelle 30mA und mit 10k 0.3mA.
Was bei 4.75k raus kommt, kannst du selber ausrechen.


Ersetzt du den Emitter-Widerstand mit einem Kurzschluss, würde theoretisch die Stromquelle einen Strom von unendlich erzeugen.

Praktisch liegen dann aber an der Basis noch 0.9V an, die Z-Diode sperrt aber bei dieser Spannung und hat keinen Effekt (Den Leckstrom unterschlage ich mal).
Der Basistrom beträgt dann (U_B-0.9V)/100k.
Der Transistor verstärkt dann diesen Strom so gut er kann, du hast mal den Faktor 100 angenommen.
Allerdings ist der Strom nun nicht konstant, sondern eine Funktion von U_B.
Ziel verfehlt, setzen und eine 6 im Zeugnis!

Praktisch sieht die Welt natürlich noch etwas komplizierter aus:
Reale Transistoren haben z.B. einen Verstärkungs-Faktor von 200-450 (BC546B). Welchen Wert dein Exemplar hat, musst du ausmessen.
Da die Basis noch einen Serien-Widerstand hat, ändert sich die Basis-Emitter-Spannung mit dem Basisstrom. Dieser Widerstand unterliegt aber auch Streuungen bei der Herstellung.
Dann ändert sich die Basis-Emitter-Spannung um etwa -2.5mV/K.
Die Z-Diode hat auch eine Streuung der Spannung und diese ändert sich auch mit der Temperatur.

Des Basis-Strom ist also nicht wirklich konstant, aber regelt sich auf einen bestimmten Wert ein.

MfG Peter(TOO)

[HaWe]

Ersetzt du den Emitter-Widerstand mit einem Kurzschluss, würde theoretisch die Stromquelle einen Strom von unendlich erzeugen.

warum würde ohne Emitterwiderstand (aber mit LED und 1k Serienwiderstand am Kollektor) ein Stromfluss von unendlich entstehen?
das kann doch nicht stimmen, bei Emitterschaltungen ist doch auch sonst LED+Widerstand am Kollektor und der Emitter ist direkt an GND ?!

Dass ich nicht alle Bauteile aus dem Kollektor-Emitter-Stromkreis raus nehmen darf, ist mir doch klar. Ich will nur den Unterschied verstehen zwischen
LED+1k am Kollektor plus 1k am Emitter
LED+1k am Kollektor ohne 1k am Emitter
LED am Kollektor plus 1k am Emitter

was die Funktion dieser Schaltung als Konstantstrom/spannungsquelle angeht.


und dann:

Bei 3mA beträgt der Spannungsabfall am 1k Emitter-Widerstand 3V.

woher kommen die 3mA ?


und weiter:

Wird der Strom kleiner, sinkt der Spannungsabfall am Widerstand und der Basis-Strom nimmt zu.

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?

[Peter(TOO)]

woher kommen die 3mA ?

Die kommen von Herrn Ohm!

[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!

[multimeter]

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

Mensch, du nervst, aber gewaltig!

3,9V - 0,9V = 3V
I = U/R = 3V/1k = 3mA

[HaWe]

das kann doch nicht stimmen, denn du vergisst den 100k Vorwiderstand vor der Basis, der den Basistrom ebenfalls limitiert, also können doch keine 3mA fließen, oder etwa doch?
Und selbst wenn kein Emitterwiderstand da ist, ist durch den 100k Basis-Vorwiderstand ebenfalls der Basistrom über den Emitter nach GND begrenzt, selbst wenn der Emitter direkt an GND liegt, oder nicht?

und @CEOS: wieso sinkt der Spannungsabfall U, wenn die Spannung konstant bleibt und der Strom I wechselt ?
Die Basisspannung ist vor dem Emitter wegen der Z-Diode 3,9V konstant und am Emitter (bei abgeklemmtem bzw. nicht betrachtetem Kollektor) 3V. Egal wieviel (begrenzter) Strom durch die Basis zum Emitter fließt, wegen der Z-Diode ändert sich dann an der 3V Spannung am Emitter nichts. Also ist diese Spannung auch unabhängig von einem Widerstand am Emitter, und auch der Spannungsabfall an einem hier ggf. vorhandenen Widerstand ist immer konstant 3V, egal wie groß der (begrenzte) Strom ist, der von der Basis her durchfließt, zumindest wie ich das zur Zeit verstehe. Also ändert dieser wechselnde Strom nicht den Spannungsabfall, oder?

[Ceos]

ich hatte mich nur auf deine Aussage bezogen bei der du gefragt hattest warum der Spannungsbfall kleiner wird wenn der Strom abnimmt. Und deine Aussage, dass kleinere Spannung == kleinerer Abfallspannung eine indikrekte Abhängigkeit ist und je nach Anwendungsfall auch falsch sein kann

Um jetzt auch im Kontext mal zu antworten, du hast recht, dass bei offenem Kollektor der Strom durch deinen Emitterwiderstand konstant ist. Wenn du jetzt aber zusätzlich eine Last am Kollektor anschließt, fließen beide Ströme, nämlich B-E und K-E Strom über diesen Widerstand! Daraus ergibt sich also ein insgesamt höherer Strom und höher Spannungsfallfall am Widerstand, deine Spannung am Emitter erhöht sich also.

Ergo sinkt deine Spannungsdifferenz über B-E ... wenn dein Verbraucher also zu niederohmig wird, klappt irgendwann der Transistor zusammen und "begrenzt" damit den Strom

"Emitter (bei abgeklemmtem bzw. nicht betrachtetem Kollektor) 3V" damit wäre deine Transistor B-E Spannung 0.9V

"Egal wieviel (begrenzter) Strom durch die Basis zum Emitter fließt, wegen der Z-Diode ändert sich dann an der 3V Spannung am Emitter nichts"
EDIT: Denkfehler korrigiert: R = U / I angerechnet auf die 3mA Strom über B-E = 3V bei 1kOhm , daher deine 3V an E

Fließt jetzt über K-E und dem Widerstand zwischen E und GND noch ein zusätzlicher Strom (Verbraucherstrom), steigt die Spannung am E und der Transistor sperrt!

Der Transistor regelt sich dann bei ca. 3.2V an E ein, weil über die B-E Strecke 0.7V abfallen