Was mache ich mit der z-Diode / Zener falsch?
Ich habe hier eine z-Diode (=Zener?), mit der ich eine Spannung wandeln möchte.
Es soll ein Modul versorgen dass ca 2 - 3 V benötigt und an einer Batterie mit anfangs 4,5V angeschlossen sein. Ich habe durch Totorials gesehen das eine solche Diode dafür geeignet wäre und das man die Spannung ergreifen könnte, die der Zener-Diode entspricht. Bei meinen ersten versuchen komme ich aber zu Völlig anderen Ergebnissen als im Totorial.
Im Bild sieht man den Aufbau. Links mit 10 Ohm Wiederstand, da messe ich mit der 2,4V-Zener-Diode ziehmlich genau 4V an der Diode und entsprechend 2V am Wiederstand. Dann habe ich rechts den Wiederstand gewechselt und messe dann andere Spannungen. Habe auch zwei verschiedene Messgeräte verwendet, das ist nicht das Problem.
Also ich habe erwartet, das 2,4V an der Diode und 3,6V über den Widerstand herauskommen müssten, was habe ich falsch gemacht? (Zener umdrehen hilft uebrigens auch nicht)
Es stört dich nicht, dass du ständig Energie verheizt und die Batterie für nichts belastest? Ansonsten, step down Regler, z.B. ebay 163653592489
Gute Idee, werde ich darüber nachdenken. Das Modul braucht ca. 20mA und ist nur kurzzeitig eingeschaltet, Stromversorgung wird ueber Transistor geschaltet.
4 Antworten
Das ist nicht normal. Wenn du die drehst, sollte die Spannung über der Diode auf etwa 0,7V einbrechen.
Was hast du denn für eine Z-Diode? Es könnte nämlich sein, dass du mit den 10 Ohm eventuell schon zu viel Strom durchgeschickt hattest und die davon kaputt gegangen ist.
U/R=I. Bei 2V über dem Widerstand und 10 Ohm ergibt das 200mA. P=U*I. Mit 4V über der Diode ergibt das 800mW, also Diode überlastet. Das kann zumindest die Kennlinie kaputt machen.
Ich habe noch eine neue Z-Diode verwendet und von Anfang an den Strom durch 100 Ohm Wiederstand stark begrenzt. Das Ergebnis ist aber dasselbe, ca. 3.1V an der Diode und 2,9V am Wiederstand. Das mit den 0,7V habe ich auch getestet, das stimmt.
2,4V find ich schon mal nicht in der Standard-Z-Reihe, da gibt es nur 2,7V und 3V. Falls du nicht ganz genau den Typ weisst, könnte das das erste Problem sein.
Auf der Diode steht 55C BZX, die gibt es mit 2,0 / 2,2 / 2,4 V.. usw.
Danke. Die sollte zwischen 2,35 und 2,45V bei 5mA haben. Dein Messgerät ist genau?
Es sind wie gesagt zwei Messgeräte, ein digitales und ein analoges, die beide dasselbe anzeigen, ich denke das müsste stimmten.
Das netzteil kann ich einstellen. Wenn ich da die Spannung ändere, ändert sich auch der Messwert der spannung über der Diode entsprechend. Das sollte doch nicht so sein?! Beispiele für Spannungspaare Netzteil / Diode: 2,0V / 2,0V, 3,0V / 2,8V, 4,0V / 3,4V, 5,0V / 3,6V, 6,0V / 3,8V ... dabei hatte ich wieder den 10 Ohm Wiederstand verwendet.
10 Ohm ist dioden-Tod. Bei 100Ohm sollte die Spannung ab 3,4V immer bei 3V bleiben
Warte... bei 6V / 3,8V gehen also 6-3,8 =2.2V durch den Wiederstand. I=0,22A. P=0,484W. Ist für den Wiederstand doch okay? Insgesamt zeigt das Netzeil 170mA an, also 6x0,17= 1,02W. Davon 0,484W abgezogen gehen 0,536W durch die Diode, und das nur für wenige Sekunden, das müsste doch dann okay sein, oder?
Kommt drauf an, wie heiss die in der Zeit wird. Fig. 2 im Datenblatt zeigt dir wie die Leistung begrenzt muss.
Okay, habe nochmal neue Zener mit einem wesentlich größeren Wiederstand, 3,7 Kiloohm getestet. Wenn ich das Netzteil dann auf 20V drehe ist die Spannung über die Diode tatsaechlich 2,4V. Aber bei niedrigeren Netzteilspannung liegt es aber deutlich darunter, z.B. bei 5V sind es 1,9V. Ich denke, das macht nicht wirklich sinn, ich bin zu blöd dafür.
Die ist nicht dafür gedacht, einen riesen Bereich abzudecken und hat eine Kennlinie. Du bist bestimmt nicht blöd. Genauso haben die Messgeräte auch eine Kennlinie und zeigen bei 20V einen anderen Fehler als bei 5V.
Bei 20V und 3,7kOhm hast du etwa 5mA und kommst auf Werte wie im Datenblatt bei 5mA. Bei 5V bist du auf unter einem mA und damit schon raus aus den optimalen Kennwerten. Deswegen steht ja in dem Link, immer noch 5mA Strom zugeben bei niedrigster Spannung.
Deswegen nicht wie wild von Null bis unendlich probieren, sondern im realistischen Bereich. Wenn du 4,5V Batterie nehmen willst, reichen also 5V als Max mit Reserve, keine 20V.
Damit das bei 3V noch mit 20mA + 5mA Z-Strom geht, wären das (3-2,4)V/25mA=24Ohm. Die lassen bei 4,5V dann (4,5-2,4)V/24Ohm=87,5mA fließen.
Du verbrauchst also die ca. 2000mAh einer Flachbatterie durch die Z-Stabilisierung in knapp 24h Dauerbetrieb.
Nimmst du einen step down braucht der mit 80% Wirkunggrad: 20mA*3/4,5/0,8=16,7mA. Damit bringt die selbe Batterie 120h also 5 Tage. Deswegen nimmt kaum mehr jemand Z-Diode und Vorwiderstand.
Zenerdioden kenne ich vom Fahrraddynamo. Dort werden die eingesetzt, damit die alte Glühbirne von 6 Volt nicht durchbrennt, da bei Bergabfahrten auch die Spannung steigen kann. Die Diode wird dann direkt (ohne Widerstand) zwischen + und - gelegt, (falls man das bei Wechselspannung so sagen darf).
Du hast nicht geschrieben, was für ein Modul du versorgen möchtest. Ich würde hier jedoch ein höherwertiges Bauteil verwenden. Das kann entweder ein Festspannungsregler sein oder ein Step-Down Konverter, (nur falls die Quellspannung konstant ist).
Konstant ist die Quellspannung nicht weil sich die batterie Entladen wird. Es soll auch dann noch funktieren, wenn die batterie noch 3V hat. Das Bauteil selbst ist ein Sender der ungefähr 20mA braucht..
Dann passt das schon mal mit den 100 Ohm. Sind 30mA bei 3V über dem Widerstand.
Dann zum Test parallel zur Diode c.a. 150 Ohm parallel schalten, dann sollte die Spannung etwa bei den 3V bleiben.
Sind das dann immer noch 3V und dir zu hoch: nimm 3..4 normale Dioden in Flußrichtung statt der Z. Funktioniert so ähnlich.
Habe einen Wiederstand parallel geschaltet, die Spannung bleibt ungeaehr gleich. aber ich denke das hilft nicht zu verstehen was ich falsch gemacht habe.
Wenn deine Messgeräte stimmen, vielleicht gar nichts und jemand hat in die falsche Tüte gegriffen und dir BZX55C3V0 gegeben.
Aber ich habe unten Paare mit Spannung am netzteil und über die Diode geschrieben, dabei ändert sich die Spannung an der Diode auch bis 6V am Netzteil noch (weiter habe ich nicht getestet). Das dürfte bei einer 3V-Diode doch nicht der Fall sein?
Du hattest die 10 Ohm. Überlast. Miss das mit 100 Ohm und dann wird's vermutlich gut sein.
Du kannst das auch ganz einfach machen. Nimm einen Vorwiderstand, bei dem bei 6V 30mA fließen (wenn 6V deine max. Batteriespannung ist). Dann hast du 10mA Reserve zu den 20mA vom Modul und verbrätst nicht Welten
Habe jetzt einen neuen Zener mit 100 Ohm getestet, dabei läuft die Spannung bei erhöhung der Netzteilspannung bis 9V auf über 3,3 V oder 3,6V hoch, die Kurve flacht da ab, der Wert ist aber nicht stabil.
Mir ist auch unklar was passieren sollte, wenn man einen Verbraucher parallel zum Zener einsetzt. Ich habe da 180 Ohm installiert, dann geht die Spannung ueber den Zener aber kaum mehr über 1V hinaus. Laut einer formel aus dem Totorial müsste ein 3,3V Zener aber ab einer Versorgungsspannung von ca.5 V korrekt funktionieren, aber vermutlich verstehe ich das falsch.
Willst du jetzt neuerdings eine 9V Batterie nehmen oder wieso das?
Guck mal hier: https://elektronikbasteln.pl7.de/spannungs-stabilisierung-mit-einer-z-diode-berechnung
Dort ab fett Berechnung (weit unten) kannst du deinen Widerstand ausrechnen.
Der Verbraucher ist das, was du vorhin mit dem Widerstand parallel zur Z-Diode probiert hattest. Wenn das 150 Ohm waren, 20mA.
Stell dir die Z-Diode wie ein Überlaufventil für den Strom vor, den du nicht brauchst. Den schließt die kurz. Deswegen muss der Vorwiderstand so berechnet sein, dass der Verbraucher bei minimaler Netzspannung noch genug Strom bekommt, und bei maximaler Spannung den Strom so begrenzt, dass nicht unnötig viel verheizt/ eine größere Diode gebraucht wird.
Wieder wie beim Überlauf. Leistung ist Querschnitt des Überlaufs. Der kann nicht funktionieren, ist der Zufluss zu stark. Und ist der Zufluss zu schwach (Vorwiderstand zu groß), kommt gar nicht genug Füllstand (Spannung am Verbraucher)
Danke, ich werde mir das in Ruhe ansehen und dann hoffentlich morgen bescheid wissen.
Es scheint jetzt zu functionieren mit der verlinkten Anleitung. Habe die Eckdaten weiter präzisiert (Batteriespannung soll von 4,8 bis 3,3V genutzt werden), der Verbraucher braucht vermutlich <30mA. Der Vorwiederstand ist dann 26 Ohm, habe daher einen vorhandenen mit 22 Ohm Ausprobiert. Mit Last in form von einem 100-Ohm Wiederstand fällt dort eine Spannung zwischen 2,5 und 3,2V ab, wenn ich das Netzteil von 3,3 bis 4,8V variere. Die maximale Verlustleistung ist dann 0,22 Watt an Widerstand und Diode bei Leer-Lauf.
Jetzt frage ich mich natuerlich noch, ob ein von dir vorgeschlagener Spannungswandler StepDown doch besser wäre, da der Wiederstand schätzungsweise 3x mehr Strom verbraucht als der Sender..
Also dann sehr vielen Dank!!
Ein Step Down hat über 90 bis 95 Prozent Effizienz. Da du aber eine Batterie verwendest geht das nicht. Zwischen Eingang und Ausgangsspannung müssen 1,5 Volt Unterschied sein.
Es gibt aber noch Step Up und Down Konverter wo dieser Unterschied dann nicht da sein muss.
Das ist ein guter Einwand, wobei der Dropout bei Nennlast wäre. Wenn das Teil einen Mosfet hat, dürfte das bei 20mA nicht mehr so viel sein.
Ich muss aber tatsächlich schauen, was da für vernünftigen Preis an fertigen Modulen ginge. Bringt ja auch nichts, da fließen 10mA Ruhestrom.
Optimal wär was mit max1921 2,5V oder ähnlich. Der hätte bei 2,7V Eingang noch 2,5 out und das bei 95% Wirkungsgrad und 0,2mA Ruhestrom. Aber ich find da kein fertiges Modul :/
Vielleicht meldet sich ja noch jemand mit Optionen. Ist aber der Beweis, dass es dieses gigantische Dropout nicht braucht.
Kennst du dich zufaellig mit Linearreglern aus und kannst eine Einschätzung geben, ob sowas im vergleich mit der Z-DiodenLösung Vorteile (zB bei der Effizienz) hätte?
Ich habe hier beispielsweise einen "LM1117 T ADJ", dessen ausgangsspannung man durch Wiederstände einstellen kann/können soll. Der hat eine Dropout-Voltage von 1,1V (bei 100mA), also könnte ich ihn auf 2V einstellen und er würde solange funktionieren, bis die Batterie 3,1V hätte? Aber falls der Wirkungsgrad nicht besser wäre als bei der Z-Diode macht das wohl auch nicht viel sinn... aber das kann ich leider nicht Einschätzen.
Ist besser als die Z-Diode, da der Widerstand nicht fest ist, sondern je nach Strom nachgestellt wird. So als ob da 100...22Ohm einzustellen gingen, je nach Batteriespannung.
Insgesamt verbrauchst du dann immer 20mA (plus Querstrom) statt 87,5 bei der Z-Diode bei 4,5V.
Die Stabilität ist normalerweise auch besser.
Du brauchst halt noch zwei Widerstände und Kondensatoren
Erstmal zu den zwei Begriffen. Diese existieren, weil verschiedene Vorgänge dominant sind. Unter circa 3V ist der Zener-Effekt vorherrschend und ab circa 5V der Lawinendurchbruch-Effekt. Auf bspw. Wikipedia steht das nochmal ausführlicher.
Wichtig zu wissen ist, dass der Lawinendurchbruch deutlich steiler ist als der Zener-Effekt. Das führt dazu, dass bei Z-Dioden mit dominanten Zener-Effekt (also unter den circa 5V) die Z-Spannung sich mit ändernden Strom noch relativ sehr ändern kann. Mit steigenden Strom wird die Z-Spannung größer.
Im Allgemeinen sollte man unter 5V auf Z-Dioden verzichten wenn man eine konstante Spannung bei sich ändernden Last-Verhältnissen haben möchte. (Ausnahme: 4,5V-5V weil hier die Z-Spannung Temperatur-stabil ist)
Erklärung Z-SpannungDas Ganze könnte auch deine Messwerte erklären. Du hast ja 3V bei 30mA und 4V bei 200mA gemessen. Es steigt also die Z-Spannung mit steigenden Strom. Dazu kommt noch, dass bei einer BZX55 die Zener-Spannung bei 5mA gegeben ist, also 2.4V bei 5mA. Wie du siehst, ist setzt sich das Bild fort...
Ob das der einzige Grund ist wage ich aber zu bezweifeln. Die Änderung von 2.4V auf 3V kann ich mir gut vorstellen, aber dann auf 4V finde ich etwas groß. Es könnte aber noch daran liegen, dass die Grenzwerte der Diode überschritten werden. Der Maximalstrom ist P/U = 125mA aber bei dir hast du 200mA. Das mag die Diode nicht xD
LösungsmöglichkeitenMein Vorschlag wäre auf eine Regelung mit Z-Diode zu verzichten und eine Alternative in Betracht zu ziehen. Deine Parameter sind ja:
- U_ein = 3,3 ... 4,8V
- U_aus = 2 ... 3V @ I_max = 30mA
Die maximale Verlustleistung ist P=U*I = (4,8V - 2...3V) * 30mA = 54...84mW.
Bei so niedriger Verlustleistung ergibt es wenig Sinn einen Schaltregler zu nehmen. Da stände Aufwand und Nutzen in einem schlechten Verhältnis. Die meiner Meinung nach sinnvollste Lösung wäre ein Linearregler.
Diese bekommst du für sehr kleines Geld und bieten eine ordentliche Regelung der Spannung. Ich weiß nicht genau wo du immer deine Bauteile kaufst, aber auch bei Reichelt gibt es was passendes: LP 2950 ACZ3,0 hat eine feste Ausgangsspannung von 3V und kostet nur 0,33€. Den LP2950 gibt es auch mit 2,5V aber nicht bei Reichelt.
Du hattest in einem Kommentar mal nach dem "LM1117 T ADJ" gefragt. Dieser ist ungeeignet, weil die Spannungsdifferenz zwischen Eingang und Ausgang mindestens 1,2V betragen muss und er viel zu teuer ist (weil er 800mA leisten kann, was du nicht brauchst). Mit den 1,2V kommst du nur hin, wenn du die Ausgangsspannung auf 2V stellst.
Zusammenfassung- Z-Diode unter 5V für Spannungsregelung grundsätzlich ungeeignet
- für deine Anwendung ist ein Linearregler geeignet (z.B. LP2950-3.0)
Das ist eine 0,5 W-Diode, das Netzteil zeigt den Strom an und die Leistung war immer unterhalb dieses Wertes.