Gibt es einen Vorteil, einen Transistor mit einer Zenerdiode anstelle eines (widerstandsbasierten) Spannungsteilers vorzuspannen?

Basierend auf den Schaltplänen, die Sie hier posten, haben die meisten Antworten eine gute Menge an Widerstand gegenüber Zener.

Um jedoch einen fairen und ausgewogenen Blick auf Ihre spezifischen Zeichnungen zu bieten, füge ich ein paar zusätzliche Informationen zur Stromsenkung hinzu.

Was in Ihren Schaltungen passiert, ist, dass der Transistor als Emitterfolger eingerichtet ist. Es bedeutet, dass es die Spannung an seinem Emitter bei 0,7 V unter der Basisspannung halten möchte, wenn es möglich ist. Es wird seine Sättigungs-/Verstärkungskurven in Workhorsing werfen, um zu arbeiten.

Wenn Sie eine feste Spannung über einen festen Widerstand legen, möchte dieser Widerstand, dass ein Strom fließt. Solange Ihre Last und Ihr Transistor den "erforderlichen" Strom unterstützen können, bestimmt die Basisspannung des Transistors den Strom durch die Last.

Bei einem festgelegten Versorgungsspannungsbereich ist der Strom in die Basis ziemlich vorhersehbar, sodass Sie ihn sowohl mit einem Widerstandsteiler als auch mit einer Zenerdiode mit der richtigen Mathematik einstellen können.

Warum sollten Sie sich für eines entscheiden?

Nun, wenn Sie zwei Widerstände verwenden, hängt die Basisspannung von der Eingangsspannung ab. Wenn die Widerstände beide den gleichen Wert haben (niedrig genug, um den Basisstrom zu ignorieren), beträgt die Basisspannung 5 V bei einer 10-V-Versorgung, aber 6 V bei einer 12-V-Versorgung. Das klingt nach einem Problem, aber in vielen Fällen kann es durch die Wahl des richtigen Gleichgewichts zwischen den Widerstandsteilern den gewünschten Effekt der Begrenzung des Stroms in der Last beim Einschalten eines Niederleistungsschaltkreises erzielen. Es kann auch eine Reaktion auf gewünschte Eingangsspannungen geben, wenn Sie beispielsweise eine Steuerspannung von 6 V bis 60 V haben, können Sie diese in eine Stromkurve umwandeln, indem Sie nur ein paar Widerstände, einen Transistor und einen Widerstand im Emitterpfad, verwenden .

Natürlich ist es üblich, 50 Werte von Widerständen herumliegen zu haben, was zur Verwendbarkeit der Nur-Widerstands-Schaltung beiträgt, während Sie normalerweise zufällig die richtige Zenerdiode haben müssen.

Wenn Sie stattdessen ein wackeliges Netzteil haben, aber einen stabilen Strom benötigen, sollten Sie wahrscheinlich eine Zenerdiode verwenden.

Die Zenerdiode ändert zwar die Spannung über verschiedene Ströme, aber wenn Sie eine Zenerdiode auswählen, die mit 5,1 V bei 5 mA spezifiziert ist, können Sie in Ihren Berechnungen davon ausgehen, dass sie über 3 mA bis 6 mA relativ stabil ist. Sie können die Spannungsdrift auch anhand des im Datenblatt erwähnten Differenzwiderstands berechnen, aber ich denke, das ist für eine andere Antwort zu einem anderen Zeitpunkt.

Wenn Sie also möchten, dass die Basisspannung bei 5,1 V bleibt, wählen Sie 5,1 V bei 5 mAzener, wenn die Versorgung dann 12 V beträgt, wählen Sie einen Widerstand, damit 5 mA hindurchgehen:

R = V/I = (12 V - 5,1 V) / 0,005 A = 1,38 kOhm.

Angenommen, Sie könnten diesen Wert genau erhalten (Sie können aufgrund der relativen Stabilität des Zeners in der Nähe des gewählten Sollwerts auf 1,2 oder 1,5 k runden), die Spannung kann gehen von:

V = 5,1 V + (R * Imin) = 5,1 V + (1380 * 0,004) = 5,1 V + 5,52 V = 10,62 V

zu

V = 5,1 V + (R * Imax) = 5,1 V + (1380 * 0,006) = 13,38 V

Bevor Sie anfangen, darüber nachzudenken, was der Zener bei niedrigeren oder höheren Strompegeln macht, fügt er viel Stabilität in Bezug auf die Versorgungsspannung hinzu, was dann den Strom durch die Last viel stabiler macht.

Eine Alternative (die noch stabiler ist) wären einfach zwei Standarddioden wie 1N4148 in Reihe, um eine feste Spannung von 1,2 V bis 1,4 V zu erzeugen (abhängig vom betrachteten Strombereich). Wenn Sie diese in Vorwärtsrichtung verwenden, können Sie eine gute Stabilität von 0,1 mA bis 5 mA oder von 1 mA bis 10 mA usw. erzielen. Aber es ist für viele Anfänger ein bisschen wie eine schwarze Kunst, zu den richtigen Sollwertberechnungen zu gelangen. Zumal Dioden-Datenblätter nicht immer alle diese Daten erwähnen, wie z. B. Durchlassspannung im Vergleich zu niedrigem Strom.

Eine Zenerdiodenvorspannung bedeutet, dass die Vorspannung nahezu unabhängig von der Versorgungsspannung ist. Dies könnte in jedem Stromkreis mit einer ungeregelten Stromversorgung nützlich sein. Im Gegensatz dazu erzeugt ein Widerstandsteiler eine Vorspannung proportional zur Versorgungsspannung.

Die dynamische Impedanz einer Zenerdiode ist klein (die Spannung an der Diode ändert sich selbst bei großen Stromänderungen nicht stark). Dadurch wird der Zener-Spannungsteiler sehr „steif“, was bedeutet, dass die Eingangsimpedanz des Verstärkers niedrig ist. Dies ist im Allgemeinen unerwünscht, was ein Grund sein kann, warum die Vorspannung der Zenerdiode ungewöhnlich ist. (Ein weiterer Grund kann sein, dass Zener normalerweise teurer sind als Widerstände.)

Zum Vorspannen einer BJT-basierten Verstärkerstufe ist es üblich, einen resistiven Spannungsteiler zu verwenden. Üblicherweise wird dieser Teiler niederohmig gewählt, um eine "steife" Vorspannung bereitzustellen. Der Grund dafür ist, dass die erzeugte Basisspannung möglichst unabhängig vom Basisstrom des BJT sein sollte, der sehr große Toleranzen hat. Andererseits reduzieren diese Widerstände den resultierenden Eingangswiderstand der Stufe (ein unerwünschter Effekt). Aus diesem Grund ist ein Kompromiss erforderlich, der beispielsweise dazu führt, dass der Strom durch diesen Teiler etwa zehnmal größer als der Basisstrom gewählt wird.

Alternativ kann die gewünschte "Steifigkeit" der Basisspannung mit einer Z-Diode realisiert werden, die in der Lage ist, eine sehr konstante Gleichspannung zu erzeugen - nahezu unabhängig vom Strom durch den oberen Widerstand (zwischen Basis- und Versorgungsspannung). Es hängt von der jeweiligen Anwendung ab, ob der resultierende dynamische Eingangswiderstand akzeptabel ist oder nicht. Wenn nicht, könnte die Bootstrap-Methode angewendet werden.

Es ist praktisch einfacher, ein Widerstandspaar mit bestimmten Werten zu finden als eine Zenerdiode mit der Sperrspannung, die Sie möglicherweise benötigen.

Außerdem muss man mit etwas höherer Verlustleistung an der Diode rechnen, da der Strom höher ist als bei Verwendung eines ohmschen Spannungsteilers.

Für AC-Anwendungen (kapazitiv gekoppelt) können Sie keinen Zener verwenden, da die Spannung an der Basis fast fest ist.

Sie möchten einen Zener verwenden, um eine steife Spannungsreferenz für den Gleichstrombetrieb zu haben.

Offensichtlich wird in dieser speziellen Anwendung der Transistor verwendet, um eine Konstantstromquelle zu bilden. Das heißt, sein Zweck ist es, einen stabilen Strom durch die Last zu liefern, selbst wenn die Hauptspannungsversorgung (20 V oder 12 V) nicht stabil ist. Dies wird durch Gegenkopplung durch die Spannung am Emitterwiderstand bei konstanter Basisspannung erreicht.

Daher funktioniert eine direkt von der Hauptversorgungsspannung abgeleitete Vorspannung (Spannungsteiler) nicht. Eine von der Hauptspannungsversorgung unabhängige Spannungsreferenz (Z-Diode) ist erforderlich.