Eine Möglichkeit, einen einfachen Spannungsregler zu bauen, stellt uns eine Z-Diode zur Verfügung. Ein
solcher Spannungsregler ist äußerst einfach und stellt wohl die kostengünstigste Alternative in der Welt der Spannungsregler.
Z-Diode kann man grundsätzlich als eine einfache Diode betrachten, die lediglich „verkehrtrum“, d.h. in Sperrrichtung,
eingesetzt wird. Sobald die angelegte externe Spannung den Wert der Sperrspannung der Z-Diode übersteigt, wird sie leitend.
Bei Verwendung der Z-Diode ist stets auf den Strom zu achten. Sie benötigt einen minimalen Strom, um ihre stabilisierende
Eigenschaft zu entfachten. Übersteigt der Sperrstrom den maximalen Wert, wird die Z-Diode zerstört. Die notwendigen Größen
kann man dem Datenblatt des Bauteiles entnehmen. Der Strom, der durch die Z-Diode fließt, wird mit einem Vorwiderstand
reguliert.
Z-Diode 22V 1,5W
Z-Diode 24V 5W
In der folgenden Schaltung wird eine Eingangsspannung von 24 VDC mit einer Z-Diode auf 12 VDC runtergeregelt.
Als Abnehmer dient eine Leuchtdiode, derer Strom mit einem Widerstand auf 10 mA begrenzt wird. Die Schaltung wird nach
folgendem Plan aufgebaut:
Spannungsregler mit Z-Diode: Schaltplan
Der Widerstand R1 soll den Strom der Leuchtdiode auf 10 mA begrenzen. Sein Widerstandswert ist schnell berechnet:
R1 = 12 V / 10 mA = 1200 Ohm
Der Widerstand Rs ist in Reihe mit der Z-Diode geschaltet. Seine Aufgabe ist es, den Strom Iz der Z-Diode zu begrenzen.
Zum Einsatz kommt hier die Z-Diode 1N4742A. Die Leistung der Z-Diode beträgt 1W. Aus der Formel I = P/U kann der maximale
Strom der Z-Diode berechnet werden:
Izmax = 1 W / 12 V = 0,083 A (83 mA)
Der minimale Wert des Widerstandes Rs beträgt somit:
Rs = (Vs – Vz) / Iz = (24 V – 12 V) / 0,083 A = 145 Ohm
Bei der Wahl des Widerstandes Rs muss seine maximale Leistung berücksichtigt werden. Der Widerstand muss auch ausreichend
Strom für die Last bereitstellen. In dem Beispiel wird ein Begrenzungswiderstand von 680 Ohm verwendet. Bei diesem Widerstand
ergibt sich ein maximaler Strom im Wert von:
Is = Us / Rs = 12V / 680 Ohm = 0,018 A
Dieser Strom fließt durch die Z-Diode, wenn keine Last angeschlossen ist. Sobald die Leuchtdiode mit dem Widerstand R1
im Wert von 1200 Ohm angeschlossen werden, fließt durch die Z-Diode ein Strom im Wert
Iz = Is – IL = 18 mA – 10 mA = 8 mA
Das ist ausreichend, damit die Spannungsstabilisierung der Z-Diode erhalten bleibt. Der minimale Strom einer Z-Diode
beträgt ca. 5-10% des maximalen Stroms.
Die Verlustleistung am Widerstand Rs beträgt:
P = Us * Is = 12 V * 0,018 A = 0,22 W.
Die Schaltung soll so dimensioniert werden, dass kleine Spannungsschwankungen am Eingang keine Probleme bereiten.
Hier nehmen wir an, dass die Eingangsspannung um +/- 4 V schwanken kann. Bei 28 V ergibt sich ein Gesamtstrom:
Is = Us / Rs = 16 V / 680 Ohm = 0,024 A
Die Verlustleistung am Widerstand Rs beträgt dann:
