Spannungsstabilisierung
Mit
dieser einfachen Schaltung kann man eine Spannung zimlich genau auf einen bestimmten
Wert stabilisiern. Je nach Dimensionierung bleibt die Spannung innerhalb von
±10%, bei höheren Stromschwankungen, bei geringen Stromänderungen
ist die Schaltung genauer. Die Schaltung ist vor allem für solche Anwendungen
ideal wo die Spannung nicht über einen bestimmten Wert gehen soll (Halogenlampe,
Verstärker...) oder wo die Spannung stabilisiert werden soll, wenn für
den Leistungsbereich kein Spannungsregler verfügbar ist (Röhrenverstärker,
NF Leistungsverstärker...). An den
Spannungs und Leistungsbereich sind keine Grenzen gesetzt, man muß nur
die Bauteile entsprechend wählen.
Ein
paar Anmerkungen zu den Formeln:
Ue = Eingangsspannung = V+
Ua = Ausgangsspannung
= U
stab
Uz = Spannung der Zenerdiode
Iz = Strom durch die Zenerdiode
b = Stromverstärkung des Transistors
Alle
Angaben sind ungefähre Werte:
Der Transistor sollte mindestens eine Verlustleistung von P = (Ue - Ua) x Imax
haben; falls P > ca. 1W dann sollte ein Kühlkörper verwendet werden
! (Abhängig vom Transistorgehäuse)
Uz = Ua + 0.7 (bei geringem Strom) bis +1 (bei hohem Strom) haben. Das Doppelte
bei einem Darlington Transistor
R1 <= ((Ue - Ua - 1V) / Imax) x b
b >= Imax x 100
Ue >= Ua + 2 Volt
Pz >= Uz x Iz
Man
muß am Ende den Strom durch die Zenerdiode messen und überprüfen
ob sie nicht überlastet ist; wenn ja ist es sinnvoll einen Transistor mit
einer höheren Stromverstärkung zu nehmen -> größere
Widerstand R1 -> geringerer Strom durch die Zenerdiode. Falls ein Transistor
mit höherer Stromvertärkung nicht verfügbar ist, dann kann man
eine Darlingtonschaltung verwenden:
Die Stromverstärkung beträgt nun b = b1 x b2. Also Stromverstärkung
1. Transistor mal Stromverstärkung 2. Transistor, wobei, der hier im Bild
untere Transistor (T2), nur für einen maximalen Strom von Imax / b1 ausgelegt
sein muß.
Hier als Beispiel nur mal die Schaltung, die ich für meinen Audioverstärker
verwende:
Der Verstärker liefert 150 Watt RMS also er braucht so 200 Watt. Bei 44
Volt max. (bei mehr gehn die ICs kaputt) sind dass so 5 Ampere. Spitzenstrom
so 10 Ampere. Also Transistor der Standart - Leistungstransistor 2N3055, Stromverstärkung
ca. 50, Darlingtonschaltung mit einem TIP111,
Stromverstärkung ca. 500.
Beim Versorgunstrafo verdopple ich 24 Volt; die Spitzenspannung ist dann Ue
= 2 x 24V x 1.41 = 65 Volt; unter Last minimal 55 Volt.
Als Zenerdiode hab ich Uz = 24V + 6V + 6V + 6V + 2V (LED) = 44 Volt verwendet.
Die LED leuchtet sobald die Regelung die Spannung begrenzt. R1 = ((55V - 44V
-1V) / 10A) x (500 x 50) = (10V / 10A) x 25000 = 1 x 25000 = 25kOhm. Ich hab
10kOhm verwendet, um unter allen extremen Bedingungen auch volle Leistung zu
erhalten.
Pz = 3 W > 44V x 20mA = 0.88W.
Der Verstärker läuft seit ein paar Monaten problemlos !
Die
Schaltung funktioniert auch genauso mit einem MOSFET. Allerdings braucht dieser
eine höher Spannung zwischen Gate und Source als ein Transistor. Die Ausgangsspannung
ist um ca. 5V geringer als die Z-Diodenspannung. Viel einfacher ist die Dimensionierung
von R1, da der MOSFET keinen Strom am Gate braucht. Hier kann man z.B. 560 -
10k bei 12V und 50k - 1M bei 300V einsetzen. Wichtig ist bei dieser Schaltung
allerdings, dass das Gate nie um mehr als 20V positiver wird als Source, da
ansonsten des Bauteil zerstört wird. Also baut man zur SIcherheit eine
12V Z-Diode ein.
Die
Schaltung kann man noch verbessern indem man eine Strombegrenzung einbaut. Dies
passiert mit R2 und T1. Sobald an R2 eine Spannung von 0,6 - 0,7V abfällt,
wird T1 leitend und entzieht dem MOSFET die Gatespannung, woraufhin die Spannung
heruntergeregelt wird.
Ich brauchte zum Röhren testen ein Netzteil, das eine einstellbare Spannung
zwischen 50 und 250V liefert. Da die meisten Röhren nur sehr wenig Strom
brauchen, habe ich mich für einen 5,5W Trenntrafo entschieden. Die Spannung
wird gleichgerichtet und läd einen Elko auf über 350V auf. Daraus
wird über R1 und der Z-Diode eine stabilisierte Spannung von 280V gewonnen.
Jetzt bekommt der MOSFET über den Poti eine Spannung zwischen 0 und 280V.
Damit ist die eigentliche Spannungregelschaltung fertig. Um aber bei einem Kurzschluß
den MOSFET nicht zu zerstören, habe ich eine Strombegrenzung auf etwas
über 20mA eingebaut. Der Trafo ist zwar intern auch schon Strombegrenzt,
aber bei einem Kurzschliß am Ausgang enrtläd sich der Elko über
den MOSFET, wobei ein Strom von mehreren Ampere fließt. Sobald hier durch
R2 ein STrom von mehr als 20mA fließt, wird T1 leitend und sperrt den
MOSFET. Selbst bei einem Kurzschluß fließt hier kein Strom von mehr
als 25mA. R2 sollte in etwa 0,6V/ I sein.