Welche Nachteile hat die Verwendung einer Zenerdiode gegenüber einem linearen Spannungsregler?

1) Bei Verwendung einer Zenerdiode als Regelelement wie in dieser Schaltung:

Der Nachteil ist, dass die Schaltung so konfiguriert werden muss, dass immer etwas Strom durch die Zenerdiode fließt. Die Zenerdiode fungiert als Shunt- Regler, sie "verbrennt" den Strom, der "überbleibt", anstatt den Strom zu begrenzen, der fließt, wenn wenig Strom benötigt wird. Wenn die Last keinen Strom aufnimmt, muss der gesamte Strom, der nicht von der Last aufgenommen wird, durch den Zener fließen. Das verschwendet Kraft. In der Praxis ist diese Schaltung nur für Lasten geeignet, die einen geringen Strom und vorzugsweise auch einen etwas konstanten Strom ziehen.

Warum sollte ich dann diese Schaltung verwenden?

Nun, es ist billig .

Ein Linearregler wie der LM7805 oder eine Zener + Transistor-basierte Schaltung wie diese:

bilden einen Serienregler (kein Shunt). Diese Regler haben den Vorteil, dass sie nur so viel Strom verbrauchen, wie benötigt wird. Wenn die Last keinen Strom aufnimmt, wird nur wenig Strom verbraucht.

Diese Schaltungen sind etwas teurer, da ein Transistor oder ein Spannungsreglerchip wie der LM7805 benötigt wird.

2) Zu sagen, dass der LM7805 ein schlechter Regler ist, weil er nur die überschüssige Leistung "abbrennt", erzählt nicht die ganze Geschichte . Der LM7805 (und LM317 und ähnliche) werden immer noch viel verwendet , also haben sie eindeutig ihren Zweck.

Fakt ist, dass für Lasten, die nicht viel Strom benötigen, sagen wir mal bis 100 mA, dann sind diese Linearregler eine gute Wahl .

Nur wenn Sie (viel) mehr Strom benötigen, ist es möglicherweise effizienter (weniger Strom wird in Wärme umgewandelt), wenn ein Schaltregler verwendet wird. Ein typisches Beispiel für die Verwendung eines Schaltreglers ist die Umwandlung von 12 V (Auto- oder Solarzellenbatterie) in 5 V (USB) zur Stromversorgung von Geräten. Dann kann ein Strom von bis zu 2 A erforderlich sein. Bei 12 V, 2 A muss ein Linearregler 7 V bei 2 A "abbrennen", das sind 14 Watt, was einen erheblichen Kühlkörper erfordert. Selbst ein billiger Schaltregler wie ein LM2596 kann das ohne den großen Kühlkörper viel effizienter machen.

Denken Sie also nicht, dass eine Schaltungslösung immer besser ist als die andere. Es ist komplexer als das. Was die optimale Lösung ist, hängt davon ab, was benötigt wird. Wie Eingangsspannung, Strom in die Last, Kosten usw. In der realen Welt verwenden Ingenieure alle Lösungen, die ich hier gezeigt habe, sie wählen diejenige, die am besten zu einer bestimmten Situation passt.

Wenn ich das richtig verstehe, tritt dieses Phänomen nur auf, wenn die Zenerdiode parallel zur Last geschaltet ist. Was wäre, wenn ich meine Zenerdiode mit meiner Last parallel geschaltet hätte?

Dann hast du die Situation, die du beschrieben hast. Die Zenerdiode muss den gesamten Strom, der nicht von der Last gezogen wird, durchlassen oder "nebenschließen".

Außerdem sagte jemand, dass der lineare Spannungsregler (z. B. LM7805) kein guter Spannungsregler ist, da die Verlustleistung darin viel höher ist als die des Schaltspannungsreglers.

Es ist ein guter Regler, weil er die Spannung gut regelt und das ist seine Aufgabe. Es ist kein effizienter Regler und Schaltregler sind aus dieser Sicht besser.

Nach meinem Verständnis kann die Verlustleistung in einem linearen Spannungsregler durch Dropout-Spannung x Strom berechnet werden. Strom in Wärme umgewandelt.

Richtig. Beachten Sie jedoch, dass bei geringem Strombedarf die Verlustleistung proportional abnimmt. Währenddessen würde die Zener-Verlustleistung mit abnehmender Last zunehmen .

Was wäre, wenn ich meine Zenzer-Diode mit meiner Last in Reihe geschaltet hätte?

Dann erhält Ihre Last einen festen Spannungsabfall von der Versorgung. Nehmen wir an, Sie hätten eine Versorgung, die zwischen 8 und 12 V variiert, und Sie schalten einen 4,7-V-Zener in Reihe, dann würde Ihre Last mit dieser Versorgung 3,3 V bis 7,3 V erhalten. Das würde nicht als Spannungsregler angesehen werden.

Dies ist eher ein ausführlicher Kommentar zu @ Bimpelrekkies Antwort als wirklich eine Antwort an sich. Ich werde nur ein paar weitere Fälle skizzieren, in denen ein Linearregler sinnvoller sein kann als ein Schaltregler.

@Bimpelrekkie wies darauf hin, dass ein Linearregler sinnvoll sein kann, wenn Sie nicht viel Strom ziehen. Ich würde hinzufügen, dass es auch Sinn machen kann, wenn die Eingangsspannung sehr nahe an der Ausgangsspannung liegt. Zum Beispiel habe ich vor Jahren eine kleine Schaltung entworfen, die 3,3-V-Teile verwendete und an ein System angeschlossen werden musste, das CAN-Bus-Geräte mit einer 3,5-V-Versorgung unterstützte. Es konnte (im schlimmsten Fall) bis zu etwa 2 Ampere ziehen, aber da es nur um 0,2 Volt abfiel, betrug die maximale Verlustleistung im Regler etwa 400 mW. Dies (wie die meisten CAN-Bus- "Sachen") befand sich in einem Auto, sodass der zusätzliche Stromverbrauch an sich kein großes Problem darstellte.

Zweiter Punkt: Ein Linearregler erzeugt eine viel "sauberere" Ausgabe. Ein Schaltregler macht im Grunde PWM, sodass Spannungsimpulse aus dem Schalter kommen. Sie führen das dann durch einen Filter, um es auf etwas zu glätten, das sich einer konstanten Gleichspannung annähert - aber am Ende bleibt immer noch eine gewisse Welligkeit. Der Welligkeitspegel kann je nach gezogenem Strom variieren (und ist tendenziell umgekehrt proportional zur Stromaufnahme, da eine reduzierte Aufnahme eine reduzierte Einschaltdauer bedeutet). Insbesondere für einige analoge Schaltungen benötigen Sie möglicherweise fast einen Linearregler, um die Welligkeit auf ein akzeptables Niveau zu reduzieren.

Das Zusammenfügen führt zu einem ziemlich verbreiteten Design: Beginnen Sie mit einem Schaltregler, um Ihre Spannung sehr nahe an (aber nur ein wenig höher) als das zu bringen, was Sie benötigen. Dann folgen Sie dem mit einem linearen Regler, der nur die Welligkeit entfernen muss. Zwischen den beiden können Sie einen extrem sauberen, welligkeitsfreien Ausgang erhalten, aber dennoch die Verlustleistung auf ein Minimum reduzieren (allerdings auf Kosten eines etwas größeren, komplexeren Reglers).

1. Wenn ich das richtig verstehe, tritt dieses Phänomen nur auf, wenn die Zenerdiode parallel zur Last geschaltet ist. Was wäre, wenn ich meine Zenerdiode mit meiner Last in Reihe geschaltet hätte?

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}

Wenn Sie eine Zenerdiode in Reihe verwenden, werden Sie Ihre Last tatsächlich deregulieren . Da der Zener-Abfall (Vin-Vout) ziemlich konstant ist (wenn Sie seine Betriebsbedingungen erreichen), wird der Rest Ihrer ungeregelten Quelle (Vin) in Ihrer Last (Vout) abfallen, was das Gegenteil von dem ist Sie wollen.

2. Außerdem sagte jemand, dass lineare Spannungsregler (z. B. LM7805) keine guten Spannungsregler sind, da die in ihnen verbrauchte Leistung viel höher ist als die in Schaltspannungsreglern. Nach meinem Verständnis kann die Verlustleistung in einem linearen Spannungsregler durch Ausfallspannung x Strom = in Wärme umgewandelte Leistung berechnet werden.

Der LM7805 ist ein sehr alter Regler. Dennoch ist es immer noch ein sehr guter Regler in dem, was er tut: Bereitstellung eines Reglers mit geringerer Verlustleistung als eine Zenerdiode, in einem kleinen Gehäuse und mit einer geringen Anzahl von Komponenten (was auch wenig Platz auf der Platine bedeutet, insbesondere wenn man bedenkt, wann er zum ersten Mal eingeführt wurde). geringes Ausgangsrauschen und sehr billig . Speziell für das günstige Teil!

Wenn Sie eine dieser Funktionen besonders bevorzugen, können Sie andere Regulierungsbehörden wählen. Wenn Sie eine noch geringere Verlustleistung wünschen und Ihr Strombedarf hoch genug ist , ist ein Schaltregler möglicherweise eine bessere Option, hat jedoch den Nachteil, dass er ein höheres Rauschen und EMI aufweist, teurer ist und mehr externe Teile erfordert, insbesondere die Induktivität. Wenn Sie kleinere wollen, gibt es andere, neuere Regler, die besser geeignet sind, obwohl sie normalerweise niedrigere Ströme unterstützen. Wenn Sie billiger wollen, ist der Zener möglicherweise die bessere Wahl, aber Sie erhalten einen konstanten Stromverbrauch, unabhängig davon, ob Ihre Last ihn verwendet oder nicht, was schlecht ist, wenn Sie mit Batterien arbeiten.

Apropos neuere Regler, es gibt einige Linearregler, die viel besser sind als der LM7805, in Bezug auf die Leistungskapazität, den niedrigeren Ruhestrom, die Größe und andere Dinge. Günstiger werden sie allerdings kaum.

Was wäre, wenn ich meine Zenerdiode mit meiner Last in Reihe geschaltet hätte?

Dies ist eine weitere nützliche Anwendung der als spannungsstabilisierendes Element wirkenden Zenerdiode . Wir können es bildlich als Spannungsverschiebung bezeichnen . Hier sind ein paar Erklärungen zu diesem Schaltungstrick.

Zunächst können wir uns die Zenerdiode als eine Konstantspannungsquelle („Batterie“) vorstellen, die gegensinnig in Reihe mit der Eingangsspannungsquelle (Netzteil) geschaltet ist. Seine Spannung wird also von der Eingangsspannung subtrahiert ... und wenn sich letztere ändert, ändert sich die Spannung an der Last auf die gleiche Weise. Somit überträgt die "Batterie" die Eingangsspannungsänderungen an die Last. Diese Konfiguration kann verwendet werden, um die Spannung einer konstanten Eingangsspannung zu senken. Die Ausgangskopplungskondensatoren in AC-Verstärkern wirken auf diese Weise.

Aber Zenerdioden sind keine echten Quellen in dem Sinne, dass sie keine Energie (Spannung) erzeugen; sie verbrauchen Energie (Spannung). Richtiger ist es also, sie als "dynamische Widerstände" zu betrachten. Wenn sich der Laststrom IL ändert, ändern sie ihren statischen Widerstand Rz, um das Produkt beider Variablen (die Spannung Vz) konstant zu halten - Vz = IL.Rz. Wenn beispielsweise Il zunimmt, nimmt Rz mit der gleichen Rate ab ... also Vz = const.

Was wäre, wenn ich meine Zenerdiode mit meiner Last in Reihe geschaltet hätte?

Dies ist eine weitere nützliche Anwendung der als spannungsstabilisierendes Element wirkenden Zenerdiode . Wir können es bildlich als Spannungsverschiebung bezeichnen . Hier sind ein paar Erklärungen zu diesem Schaltungstrick.

"Batterie". Zunächst können wir uns die Zenerdiode als eine Konstantspannungsquelle („Batterie“) vorstellen, die gegensinnig in Reihe zur Eingangsspannungsquelle (Netzteil) geschaltet ist. Seine Spannung wird also von der Eingangsspannung subtrahiert ... und wenn sich letztere ändert, ändert sich die Spannung an der Last auf die gleiche Weise. Somit überträgt die "Batterie" die Eingangsspannungsänderungen an die Last. Diese Konfiguration kann verwendet werden, um die Spannung einer konstanten Eingangsspannung zu senken oder die Spannung einer variierenden Spannungsquelle "herunterzuschieben" (die Ausgangskopplungskondensatoren in AC-Verstärkern wirken auf diese Weise). Beachten Sie, dass die Eingangsspannung im Gegensatz zur echten Batterie nur abgesenkt werden kann.

"Dynamischer Widerstand". Aber Zenerdioden sind keine echten Quellen in dem Sinne, dass sie keine Energie (Spannung) erzeugen; sie verbrauchen Energie (Spannung). Richtiger ist es also, sie als "dynamische Widerstände" zu betrachten. Wenn sich der Laststrom IL ändert, ändern sie ihren statischen Widerstand Rz, um das Produkt beider Variablen (die Spannung Vz) konstant zu halten - Vz = IL.Rz. Wenn beispielsweise Il zunimmt, nimmt Rz mit der gleichen Rate ab ... also Vz = const.

"Dynamischer Spannungsteiler." Unter diesem noch anspruchsvolleren Gesichtspunkt kann die Kombination aus Zenerdiode und Last als "dynamischer Spannungsteiler" betrachtet werden. Wenn sich der Lastwiderstand RL ändert, ändert sich der Zener-Widerstand in die gleiche Richtung, sodass das Teilerverhältnis Rz/(RL + Rz) = const.