Eine Spannungsquelle für kleine Schaltungen mithilfe einer Z-Diode bauen? Lass uns herausfinden, wie das geht und einen Shuntregler bauen.
Z-Dioden als Shuntregler
Du hast eine Schaltung entwickelt, aber die Spannung, für die sie ausgelegt ist, ist in der Zielumgebung nicht verfügbar? Dies ist keine abwegige Situation. Die 5 V oder 3,3 V, die in vielen Mikrocontrollerschaltungen verwendet werden, sind nicht überall gebräuchlich.
Was kann man in diesem Fall tun? Man braucht einen Spannungsregler. Ein Spannungsregler ist eine Schaltung, die deinen Schaltkreis mit der benötigten konstanten Spannung versorgt. Heute werden wir uns eine einfache Schaltung für einen Spannungsregler ansehen: einen Shuntregler. Hierfür brauchen wir lediglich eine Z-Diode und einen Widerstand. Los geht's!
Was ist ein Shuntregler?
Bei Spannungsreglern unterscheidet man im Wesentlichen zwischen zwei Typen: Linearregler und Schaltregler. Schaltregler sind effizient, aber kompliziert zu bauen. Sie verwenden ein Schaltelement wie einen Transistor oder MOSFET, um die Spannung zu regeln, und können sowohl die Eingangsspannung verringern (dies wird als Abwärtsregler bezeichnet) als auch erhöhen (dies wird als Aufwärtsregler bezeichnet). Linearregler können nur die Eingangsspannung herunterregeln.
Es gibt zwei Arten von Linearregler, der Shuntregler ist eine davon. Shuntregler regeln die Spannung, indem sie einen Strompfad parallel zur Last bereitstellen, über den sie den überschüssigen Strom ableiten. Shuntregler werden deshalb auch als Parallelregler oder Querregler bezeichnet.
Damit ein Shuntregler genutzt werden kann, muss der Gesamtstrom begrenzt sein. Dies wird in der Regel erreicht, indem ein Widerstand in Reihe mit dem Stromkreis geschaltet wird. Das Herzstück des Reglers ist jedoch das eigentliche Regelelement, auch Steuerelement genannt. Das ist jenes Bauteil, das für eine konstante Ausgangsspannung sorgt. Dazu stellt es nicht nur den alternativen Strompfad zur Verfügung, sondern, was noch wichtiger ist, steuert, wie viel Strom durch diesen Pfad fließt, sodass die Spannung konstant bleibt. In unserer Schaltung wird dies durch eine Z-Diode erreicht. Sie fixiert die Ausgangsspannung auf die Z-Spannung und lässt den restlichen Strom abfließen.
Kommt dir die Schaltung bekannt vor?
Sie ist praktisch identisch mit der Schaltung, die wir verwenden, wenn wir eine Zenerdiode als Spannungsreferenz nutzen wollen.
Spannungsreferenzen sind eine der häufigsten Anwendungen von Shuntreglern. Wenn wir jedoch einen kleinen Stromkreis versorgen wollen, muss der Strombegrenzungswiderstand deutlich kleiner gewählt werden als bei einer Spannungsreferenz.
Eine Beispielschaltung
Werfen wir einen Blick auf eine Beispielschaltung. Ein kleiner Shunt-Regler wird zur Versorgung eines kleinen Mikrocontrollers, ein ATtiny85, verwendet. Der ATtiny85 arbeitet normalerweise mit 5 V. Die Shuntreglerschaltung ermöglicht es uns, ihn mit 9 V oder 12 V Batterien zu betreiben. Dies wird mithilfe einer einfachen 5,1 V Zenerdiode erreicht.
Auf dem ATtiny85 läuft ein kleines Programm, das die angeschlossene LED blinken lässt. Dies ist jedoch nicht Gegenstand dieses Artikels. Es gibt jede Menge Tutorials, wie man den ATtiny85 programmiert. Falls du dich dafür interessierts, schau dir mal das LED-Kerzenprojekt an, das ich vor etwa einem Jahr realisiert habe.
Oben siehst du die Schaltung in Aktion. Die LED leuchtet, der ATtiny85 macht seine Arbeit und wird nicht durch eine zu hohe Eingangsspannung beschädigt. Der Shuntregler tut seinen Dienst.
Entwurf eines Shuntregler
Wie wurde diese Schaltung entworfen? Lass uns einen Blick auf die Theorie werfen, die nötig ist, um einen solch einfachen Regler zu bauen.
Festlegen der Anforderungen
Der erste Schritt besteht darin, unsere Anforderungen zu sammeln. Wie groß ist der Eingangsspannungsbereich? Welche Spannung und welchen Strom brauchen wir für die Schaltung?
Die Beispielschaltung verwendet einen ATtiny85, der normalerweise mit 5 V betrieben wird. Bei einem internen Takt von 8 MHz benötigt er einen Strom von 5 mA. Der zulässige Spannungsbereich liegt bei 2,7 V bis 5,5 V mit einem absoluten Höchstwert von 6 V. Außerdem müssen wir die LED mit Strom versorgen. Mit ihrem 1 kΩ Strombegrenzungswiderstand benötigt sie weitere 5 mA bei 5 V. Insgesamt benötigen wir also 5 mA, wenn die LED ausgeschaltet ist, und 10 mA, wenn sie eingeschaltet ist. Um auf Nummer sicher zu gehen, fügen wir diesem Strombudget eine gewisse Sicherheitsmarge hinzu und kalkulieren mit 15 mA. Falls die Zuverlässigkeit der Schaltung besonders wichtig ist, kann es sinnvoll sein sogar mit 20 mA zu planen. Das Strombudget zu großzügig zu planen hat jedoch auch Nachteile, wie wir später sehen werden.
Als Stromversorgung möchte ich eine 9 V Blockbatterie oder einen 12 V Bleiakku verwenden. Der gewünschte Eingangsspannungsbereich liegt somit ungefähr zwischen 9 V und 15 V.
Auswahl einer Z-Diode
Nachdem die Anforderungen festgelegt sind, wählen wir eine Z-Diode aus. Für 5 V können wir entweder eine 4,7 V oder eine 5,1 V Z-Diode nutzen. In der Beispielschaltung habe ich eine BZX79-C5V1 5,1 V Z-Diode aus meinem Fundus gewählt. Sie hat eine Toleranz von 5 % und erzeugt eine Ausgangsspannung zwischen 4,8 V und 5,4 V bei einem Z-Strom von \(I_Z = 5 mA\). Der Z-Strom ist der Mindeststrom, der durch die Z-Diode fließen muss, um zu gewährleisten, dass die Ausgangsspannung zwischen den angegebenen Werten liegt. Der Strom sollte diesen Wert nicht unterschreiten.
Bestimmung des Widerstandswertes
Zu guter Letzt müssen wir den Wert für den Strombegrenzungswiderstand ermitteln. Dieser Wert muss so gewählt werden, dass auch am unteren Ende des Spannungsbereichs genügend Strom für unsere Schaltung und die Z-Diode fließt. Wir können den Widerstandswert mit der folgenden Formel berechnen:
\(R_1 = {{U_{in} - U_Z} \over {I_Z + I_L}}\)
Mit 9 V als unterer Spannungsgrenze ergibt sich folgendes Ergebnis für R1:
\(R_1 = {{9 V - 5,1 V} \over {5 mA + 15 mA}} = 195 Ω\)
Bei den üblichen Widerstandswerten können wir entweder 180 Ω oder 220 Ω verwenden. Wie du sehen kannst, habe ich 220 Ω für die Beispielschaltung gewählt. Diese Wahl reduziert das Strombudget noch weiter auf:
\(I_L = {{U_{in} - U_Z} \over {R_1}} - I_Z = {{9 V - 5,1 V} \over {220 Ω}} - 5 mA = 12,7 mA\)
Das ist ein ziemlich knappes Strombudget. Es ist deine Entscheidung, ob das für dich akzeptabel ist. Die Blinkschaltung in diesem Beispiel ist keineswegs eine kritische Anwendung und dient nur als Kurzzeitbeispiel. Es gibt jedoch triftige Gründe dafür, bei der Verwendung eines Shuntreglers ein nicht allzu großzügiges Strombudget festzulegen. Um zu verstehen, warum das so ist, werfen wir einen Blick auf die Verlustleistung am oberen Ende unseres Spannungsbereichs.
Verlustleistung
Bei 15 V beträgt die Verlustleistung des Widerstands R1:
\(P_{R_1} = {U_{R_1}^2 \over R_1} = {{15 V - 5,1 V}^2 \over {220 Ω}} \approx 450 mW\)
Hierfür müssen wir bereits einen 1/2 W Widerstand anstelle eines 1/4 W Widerstands wählen. Ein 1/4-W Widerstand funktioniert nur bis zu einer Spannung von 12,5 V. Dies müssen wir bei der Wahl des Widerstandes R1 mitberücksichtigen.
Der Gesamtstrom bei 15 V beträgt:
\(I = {{U_{in} - U_Z} \over {R_1}} = {{15 V - 5,1 V} \over {220 Ω}} = 45 mA\)
Dieser Strom hängt ausschließlich von der Spannungsdifferenz und dem Wert des Strombegrenzungswiderstandes ab. Wenn die Schaltung weniger Strom verbraucht, muss mehr Strom durch die Z-Diode abgeführt werden. Wenn die LED aus ist, benötigt der ATtiny85 nur 5 mA, sodass 40 mA durch die Diode fließen. Daraus ergibt sich im Worst Case die folgende Verlustleistung:
\(P_Z = U_Z \cdot {I - I_L} = 5,1 V \cdot 40 mA \approx 200 mW\)
Fazit
Die Berechnungen zeigen, dass wir die Schaltung mit einem 1/2 W 220 Ω Widerstand und der BZX79-C5V1 Z-Diode bauen können. Die 200 mW Verlustleistung liegen innerhalb des 400 mW Limits der Diode.
Auch wenn die Schaltung funktioniert, zeigen die Berechnungen, auch wie viel Energie verschwendet wird. 650 mW Verlustleistung sind sicherlich nicht optimal, vor allem nicht für eine batteriebetriebene Schaltung. Aber daran können wir nur bedingt etwas ändern.
Unsere einzigen Optionen sind:
- Eine Verringerung der Spannungsdifferenz (lieber eine 9 V Batterie als eine 12 V Batterie)
- Ein höher Widerstandswert und damit eine weitere Verringerung des Strombudgets
- Die Auswahl eines effizienteren Spannungsreglertyps
Effizientere Alternativen
In den meisten Fällen ist ein in Serie geschalteter Linearregler (Längsregler) eine gute Alternative. Er ist effizienter und ähnlich einfach einzusetzen. Soll ein besonders hoher Wirkungsgrad oder hohe Ströme erreicht werden, sollte man einen Schaltregler nutzen.
Zusammenfassung
Wie wir festgestellt haben, ist ein auf einer Z-Diode basierender Shuntregler ein sehr einfacher, aber höchst ineffizienter Spannungsregler. Der große Nachteil von Shuntreglern ist, dass die Leistungsaufnahme ausschließlich von der Eingangsspannung und dem Strom begrenzenden Widerstand abhängig ist. Diese Art von Regler sollte deshalb nur dann genutzt werden, wenn lediglich ein Strom von wenigen Milliampere benötigt wird und der Unterschied zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung klein ist.
