Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Spannungsbegrenzung mit Z-Diode


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von Chris (Gast)


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Hallo,

gleich zu Anfang, ich bin totaler Laie und spiele mich gerade.

Mein Frage, ich möchte 12V aus dem Kfz-Bordnetz als Signal verwenden. Da 
da ja hohe Spannungsspitzen auftreten können (hab dazu auch schon im 
Forum was gelesen) sollte man die begrenzen.

Mein Gedanke wäre jetzt gewesen mit einer Z-Diode die maximale Spannung 
zu begrenzen und auch mit einem Optokoppler (4N25) den Controller zu 
schützen. Da der 4N25 nicht viel Strom benötigt, würde das in diesem 
Fall funktionieren?
Oder aber würde der notwendige Vorwiderstand für die Z-Diode für die 
Spannungsspitzen bei den "normalen" 12V den Strom soweit begrenzen, dass 
der 4N25 nicht mehr schalten kann?


Gruß

von THOR (Gast)


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Spannungsbegrenzung per Z-Diode wird in der Automobilelektronik gemacht, 
ja.
Muss man dimensionieren.

Mach mal nen Schaltplan. Nicht mit Paint, nicht son "Arduino Steckbrett 
vom Flugzeug aus fotografiert"-Gedöns. Zur Not per Hand. Versorgung 
oben, GND nach unten.

von Paul B. (paul_baumann)


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Chris schrieb:
> gleich zu Anfang, ich bin totaler Laie und spiele mich gerade.

Laienschauspieler?
:)
MfG Paul

von Chris (Gast)


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Paul B. schrieb:
> Chris schrieb:
>> gleich zu Anfang, ich bin totaler Laie und spiele mich gerade.
>
> Laienschauspieler?
> :)
> MfG Paul

Zumindest was Elektronik betrifft schon :)


@THOR:

anbei mein Schaltbild

von THOR (Gast)


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R1 wird so dimensioniert dass Z1 bei 12V gerade so Strom leitet.

U=R*I, R=U/I

Unter der Annahme dass an Pin 1 und 2 vom OK die LED ist und die LED 2V 
Flussspannung hat und 5mA braucht:

R1+R2=(12-2V)/0,005A = 2k

Die Gleichung ist erfüllt, wenn entweder R1=0 und R2=2k ist oder 
andersherum oder was dazwischen.

R1=0 ist ungünstig, Strom durch Z1 nicht begrenzt. R2=0 ungünstig, Strom 
durch LED nicht begrenzt.
Beide gleich groß ungünstig, es stellen sich 12V/2 + 2V = 8V an der 
Z-Diode ein, die damit wirkungslos bleibt.

Ergo: Deine Z-Diode ist mit 12V zu groß, du hast dir ein unlösbares 
Problem gebaut ;)

von Kristina K. (Gast)


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Huhu,

Nimmt man nicht bei Spannungsspitzen eher eine TVS-Diode anstatt 
Z-Diode?
Wenns Signal nicht zeitkritisch ist, kannst ja noch mit LC Tiefpass + 
Dioden (Reihe und in Sperrichtung zwischen 12V und Masse) dazuschalten.

Gruß

krissiii

von Chris (Gast)


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Gut, dann weiß ich jetzt wenigstens, dass ich es überhaupt nicht 
verstanden habe :(

Ich dachte eigentlich, dass die Z-Diode, solange nur 12V anliegen, 
"nichts" macht. Steigt die Spannung aber an, dann "leitet" die Diode 
alles ab, was darüber liegt. Oder verstehe ich das mit "...Z-Diode mit 
12V zu groß..." auch schon wieder falsch.

von Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)


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Chris schrieb:
> Ich dachte eigentlich, dass die Z-Diode, solange nur 12V anliegen,
> "nichts" macht.

Es fliesst nur ein Reststrom, der Bemessungsstrom bei Nennspannung. 
Allerdings hast du im Auto so gut wie immer mehr als 12V, typisch etwas 
über 14V.
Du berechnest also den Widerstand so, das bei einer Differenz von z.B. 
14,2 - 12, also 2,2V,  ein paar mA fliessen. So kritisch ist das alles 
nicht, es sollte irgendein Widerstand mit 47-100 Ohm tun.

: Bearbeitet durch User
von HildeK (Gast)


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Kristina K. schrieb:
> Nimmt man nicht bei Spannungsspitzen eher eine TVS-Diode anstatt
> Z-Diode?

Ja, schon. Die TVS kann halt hohe Peak-Ströme verarbeiten.
Wenn aber, wie hier, sowieso noch ein Vorwiderstand rein muss, dann tut 
es eine Z-Diode genauso.

Chris schrieb:
> Ich dachte eigentlich, dass die Z-Diode, solange nur 12V anliegen,
> "nichts" macht. Steigt die Spannung aber an, dann "leitet" die Diode
> alles ab, was darüber liegt.

Schon richtig. Aber durch die beiden Widerstände liegen an der Z-Diode 
weniger als 12V an - z.B. nur rund 6V, wenn beide Rs gleich sind. Das 
heißt auch, dass bis zum Ansprechen in dem Beispiel der doppelte 
LED-Strom im OK fließt (bei Überspannung > 24V). Wenn er das aushält, 
dann spricht nichts dagegen, es so zu machen. Alternativ kannst du 
natürlich auch einen kleineren Wert für die Z-Diode nehmen. Beispiel für 
gleich große Rs: Z-Spannung 6.8V oder 7.5V. Dann ist die Z-Diode ohne 
Spannungspeaks praktisch stromlos und bei einem Peak steigt der 
LED-Strom nur wenig an.

von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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Die Schaltung ist völlig Ok. Die Zenerdiode soll ja normalerweise nichts 
leiten, sondern nur im Falle von Überspannung.

Die Zenerdiode begrenzt also auf ca. 12V. Der Optokoppler soll mit 1,7V. 
Durch den 680 Ohm Widerstand ergibt sich somit ein Strom von rund 15mA.

An R1 wird aber auch noch Spannung abfallen, der hat ja nicht 0 Ohm. Mal 
angenommen, dein Optokoppler würde mit 7mA auch noch einwandfrei 
funktionieren, dann darf R1 maximal ebenfalls 680 Ohm haben.

Jetzt kommen wir zur Überspannung. Dabei wird ein Strom durch die 
Zenerdiode fließen, begrenzt durch R1. Die Zenerdiode verträgt 
langfristig 5W. 5W / 12V = 416mA. So viel Strom kann sie maximal 
langfristig ableiten. Multipliziert mit R1 (680 Ohm) kommen wir auf 282 
Volt.

Die Zenerdiode kann deinen Optokoppler also vor langfristiger 
Überspannung bis zu 282 Volt schützen. Ob soviel nötig ist? Aber egal, 
rechnen wir das weiter durch:

An R1 fällt sicher eine gehörige Leistung ab. 282 Volt * 416mA = 117 
Watt. Oha, das ist viel. Da brauchst du dann schon einen fetten 
Widerstand, wenn er das langfristig aushalten soll.

Gottseidank wirst du im Auto aber niemals für längere Zeit mehr als 15 
Volt sehen. Es werden immer nur kurze Impulse sein, wenn überhaupt. Also 
kannst du eine viel kleinere Zenerdiode und einen viel kleineren 
Widerstand nehmen. Ich würde eine 0,5W Zenerdiode und einen 0,5W 
Widerstand verwenden. Im Zweifelsfall wird der Widerstand als erster 
wegbrennen und dient so nebenbei als Sicherung. Widerstände kann man 
leicht auswechseln.

Nun sollten wir aber noch negative Spitzen berücksichtigen. Was 
passiert, wenn am Eingang nur kurz -20V anliegen? An der Zenerdiode 
werden in diesem Fall 0,7V abfallen. Den Optokoppler dahinter lässt das 
kalt, denn seine Rückeärts-Sperrspannung ist viel höher. Da fließt 
schnmal gar kein Strom.

(20V - 0,7V) / 680 Ohm = 28mA.

Belastung der Zenerdiode: 0,7V * 28mA = ein paar Milliwatt, kaum der 
Rede Wert.

Belastung des Widerstandes: (20V - 0,7V) * 28mA = 364mW. Ein 0,5 Watt 
Widerstande würde das sogar langfristig vertragen.


Die ganze Rechnung ging davon aus, dass der Optokoppler mit 7mA noch 
einwandfrei funktioniert und dass er 15mA verträgt (was defintiv der 
Fall ist). Du solltest klären, ob 7mA ausreichen. Das hängt von der 
Schaltung hinter dem Optokoppler ab. Wenn es darum geht, den Eingang 
eines IC anzusteuern, bist du sicher im grünen Bereich.

: Bearbeitet durch User
von SVN (Gast)


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HildeK schrieb:
> Schon richtig. Aber durch die beiden Widerstände liegen an der Z-Diode
> weniger als 12V an - z.B. nur rund 6V, wenn beide Rs gleich sind.

Ich glaube man kann das nicht so einfach betrachten. Z1 ist ein stark 
unlineares Element dessen Widerstand von dem Arbeitspunkt abhängt. Gäbe 
es wirklich nur 6V auf der Z1 dann ist die quasi fast geschlossen was 
wiederum bedeutet dass ihr Widerstand ansteigt -> also wird auch die 
Spannung auf Z1 (und R2+OP)größer.

OP mit R2 behält sich ja in der Schaltung als die Last von Z1. So lange 
kein großer Strom ins OP fließt und gleichzeitig R1 bei 12V 
Betriebsspannung noch genug Strom für Z1 zur Verfügung stellt, ist auf 
Z1 eine konstante Spannung (egal ob die Betriebsspannung auch mal größer 
wird).

Bedingung wäre dann für R2 = (12-2)/0.005 = 2k und für R1 cca. 100 was 
schon von Matthias S. diskutiert wurde.

von HildeK (Gast)


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SVN schrieb im Beitrag #4898746:
> Ich glaube man kann das nicht so einfach betrachten.
Doch, da bin ich mir sicher!
> Z1 ist ein stark
> unlineares Element dessen Widerstand von dem Arbeitspunkt abhängt. Gäbe
> es wirklich nur 6V auf der Z1 dann ist die quasi fast geschlossen
Ja, einverstanden.
> was
> wiederum bedeutet dass ihr Widerstand ansteigt -> also wird auch die
> Spannung auf Z1 (und R2+OP)größer.
Nein, R1 und R2 werden auf den Nominalstrom des OK berechnet. Und wenn 
Überspannung kommt, dann ist der OK-Strom nur durch R2 begrenzt, 
ausgehend von der durch die Z-Diode begrenzten Spannung.

Lies den vorigen Beitrag von Stefan Us genau durch, der hat es perfekt 
erklärt.

von SVN (Gast)


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HildeK schrieb:
> Nein, R1 und R2 werden auf den Nominalstrom des OK berechnet.
> Überspannung kommt, dann ist der OK-Strom nur durch R2 begrenzt,
> ausgehend von der durch die Z-Diode begrenzten Spannung.

Genau. War ein Denkfehler von mir das auf der Zener nicht weniger als 
12V sein kann.
Man kann aber davon ausgehen dass auf der Zenerdiode nicht mehr als cca. 
12V vorliegen und deshalb die Berechnung für R2 passend ist. R1 muss 
klein genug ausgewählt werden um die Zener Diode auch bei niedrigsten 
Spannungen "offen" zu halten.
Siehe Simulationsergebnisse unten.

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