Wie funktioniert dieses Netzteil?

Das ist ganz einfach. Denken Sie daran, dass die BE-Spannung eines bjt im aktiven Zustand etwa 0,6 V beträgt. Der Zener hat einen Abfall von 5,6 V.

Der Zener stellt also die Basisspannung des Transistors auf 5,6 V ein, wodurch die Emitterspannung 5 V beträgt.

Solange der Zener aktiv ist und der BJT aktiv ist, beträgt die Emitterspannung fast 5 V (abhängig von Toleranzen). Dies gilt unabhängig von allen anderen Bedingungen. Unabhängig davon, was die Schaltung sonst noch tut, haben wir also einen stabilen Spannungspunkt von 5 V. Wir müssen nur sicherstellen, dass der Zener aktiv ist und BJT aktiv ist, was erfordert, dass R1 niedrig genug eingestellt wird (hauptsächlich für den BJT).

Der Grund, warum es besser ist als nur der Zener, ist, dass es eine sehr geringe Ausgangsimpedanz hat. Der Zener wäre R1 für sich. Beim BJT ist es viel niedriger und kann viel größere Lasten treiben, abhängig nur von der Strombelastbarkeit / dem Innenwiderstand des BJT.

Man kann der Basis und Masse eine Kappe hinzufügen, um Schwankungen zu reduzieren und die Emitterspannung weiter zu stabilisieren. Die Kappe wäre kleiner als die Verwendung derselben auf dem Emitter zur Stabilisierung.

Solche Quellen sind also gut, weil sie eine kostengünstige (Zeit, Kosten, Immobilien usw.) Möglichkeit bieten, eine andere Schienenspannung mit niedrigem Innenwiderstand zu erzeugen. Wenn man nur den Zener und den Widerstand verwendet und die Schaltung für ein Ereignis eine große Menge Strom benötigt, wird sie unterversorgt, was zu einem anomalen Verhalten führt.

D1 erzeugt eine feste Spannung, indem er als Shunt-Regler fungiert . R1 liefert genügend Strom durch D1, so dass es dort betrieben wird, wo seine Spannung über einen weiten Strombereich ziemlich konstant ist.

Das ist alles, was Sie brauchen, wenn Sie nur eine Referenzspannung wünschen, wie zum Beispiel in eine Seite eines Komparators. Diese Referenz kann höchstens die Strommenge liefern, die durch R1 fließt, abzüglich des Minimums, das D1 benötigt, um auf seiner angegebenen Spannung zu bleiben. Mit anderen Worten, nur R1 und D1 ergeben zusammen eine konstante Spannung, jedoch mit einer ziemlich geringen Strombelastbarkeit.

Q1 wird in der Emitterfolgerkonfiguration verwendet, um eine Stromverstärkung bereitzustellen. Dies schafft eine Stromversorgung mit viel mehr Stromfähigkeit. Tatsächlich ist die Stromfähigkeit (Verstärkung + 1) höher als nur R1 und D1 allein.

Es gibt jedoch einen Nachteil. Q1 lässt etwas Spannung von seiner Basis zum Emitter fallen. Der BE-Übergang sieht für die Schaltung wie eine Diode aus und hat einen typischen Diodenabfall, normalerweise irgendwo im Bereich von 600 bis 750 mV. Das Nettoergebnis ist, dass der Ausgang am Emitter von Q1 eine Stromversorgung mit einer Spannung ist, die etwa 700 mV unter der Zenerspannung liegt, und viel mehr Stromkapazität als nur die "Versorgung" von R1 und D1.

Wie ist es besser, als nur einen Zener mit einem Widerstand zu verwenden?

Der 2N3904 kann einen Strom von bis zu 200 mA ausgeben, um eine Last zu treiben. Es ist als Emitterfolger angeschlossen , so dass einfach ausgedrückt, unabhängig von der Spannung, die an die Basis angelegt wird, am Emitter abzüglich der VBE ausgegeben wird (typischerweise 0,7 V für einen einfachen Siliziumtransistor wie den 2N3904). Komplexer ausgedrückt sind die 0,7 V ein wenig lastabhängig, sodass diese Art von Schaltung im Vergleich zu einem geraden Zenerwiderstand eine geringfügige Verschlechterung der Regulierung bietet.

Der wirklich große Vorteil ist, wenn Sie die Alternative betrachten, dh nur einen Widerstand und eine Zenerdiode. Fragen Sie sich, welcher Widerstandswert erforderlich ist, um bis zu 200 mA ausgeben zu können, wenn der Emitterfolger entfernt wird und der Ausgang direkt von der Zenerdiode abgenommen wird.

Um eine Ausgabe von 200 mA (ohne Beschädigung der Zenerregelung) zu erreichen, muss der Widerstand bei 200 mA um 19 Volt abfallen (um eine Ausgabe von 5 V zu erzeugen) - das ist eine Verlustleistung von 3,8 Watt und sie ist kontinuierlich.

Wenn die von der Last benötigten "200 mA" nur sehr sporadisch sind, dann sind 3,8 Watt kontinuierlich eine Menge Abwärme. Der Emitterfolger liefert im Grunde nur den von der Last geforderten Bedarf und verbraucht sicher jedes Mal 3,8 Watt, wenn die Last 200 mA benötigt, aber wenn die Last nur 10 mA benötigt, beträgt die im 2N3904 verschwendete Leistung nur 190 mW.

Der gerade Zener-Widerstand hat diese Option nicht, aber er kann etwas besser regeln. Wenn Sie jedoch so viel Spannungsregelung benötigen, wäre ein 7805 eine bessere Option, aber wie immer bedeutet die kontinuierliche Entnahme von zu viel Strom vom Ausgang eine beträchtliche Verlustleistung und einen Kühlkörper.

Wie das funktioniert , hat wohl noch niemand erklärt . Jemand hat den BJT als einen Emitterfolger identifiziert . Aber das ist keine Wie- , sondern eine Was-Topologie- Antwort.

Da Sie fragen: "Wie ist es besser, als nur einen Zener mit einem Widerstand zu verwenden", gehe ich davon aus, dass Sie den Abschnitt über Widerstände und Zener bereits verstehen. Damit bleibt nur der hinzugefügte BJT zu erklären.

Wenn sich ein BJT in seinem aktiven Bereich befindet, ändert sich der Vbe-Abfall nicht sehr stark, unabhängig vom Kollektorstrom. Wenn Sie also die Spannung an der Basis des BJT kennen , kennen Sie auch die Spannung am Emitter. Für einen Silizium-NPN-BJT (die meisten von ihnen) ist dies fast 0,7 V weniger als die Basisspannung. Wenn Sie also die Basis fixieren, wird der Emitter auf einen etwas niedrigeren Wert fixiert (wir ignorieren den Kollektor vorerst). Kurz gesagt, der Emitter ist etwa einen "Diodenabfall" weniger als die Basis.

Lassen Sie uns nun den Collector hinzufügen. Dieser ist direkt mit der Stromversorgung verbunden. All dies bedeutet, dass der Kollektorstrom (falls vorhanden) direkt von der niederohmigen Stromversorgungsschiene und NICHT von Ihrer Zenerversorgung kommen kann. Für diese Schaltung ist es nicht sehr wichtig, wie hoch die Spannung dort ist - sie funktioniert mit 12 V ungefähr so ​​​​gut wie mit beispielsweise 20 V. (Abgesehen vom frühen Effekt.) Die einzige Grenze hier ist die Fähigkeit des BJT, die Spannung über seinen Kollektor- und Emitterstiften "abzuwehren". Die meisten BJTs können 30 V und mehr standhalten, aber Sie können es immer in einem Datenblatt nachschlagen, um sicherzugehen - suchen Sie nach der VCE-Durchbruchspannung (oder VCEO). Der Kollektor ist also nur dort gebunden, damit er bereit ist Strom von einer Stromversorgung, die eine große Stromnachgiebigkeit hat.

Jetzt wird die Last am Emitter und dann an Masse angeschlossen. Dies vervollständigt einen Stromkreis vom Widerstand zur Basis, dann zum Emitter, durch die Last dort und dann zur Masse, die beginnt, einen winzigen Strom in die Last zu liefern. Dieser Strom liefert jedoch auch den erforderlichen Rekombinationsstrom, um einen viel größeren Kollektorstrom (aufgrund des Beta- Werts des BJT) fließen zu lassen, der jetzt AUCH zu dem Strom beiträgt, der sich aus dem Emitter heraus und in die Last bewegt. Die Last hat also jetzt eine viel höhere Stromnachgiebigkeit von der Schaltung und erhält den größten Teil des Extras vom Kollektor und fast nichts davon von der Basis. Das kann ein Unterschied um den Faktor 100 oder mehr sein. Das Schöne hier ist also, dass die Zener + Widerstandsschaltung kaum belastet wird , obwohl die Last viel Strom benötigt.

Angenommen, die Last benötigt 100 mA. Nur in einer Zener + Widerstandsschaltung müsste all dies durch den Widerstand kommen. Und dies würde einen zusätzlichen Spannungsabfall darüber hinzufügen oder den Zener fast oder vollständig für seinen benötigten Strom aushungern , um seine Spannung zu halten. Aber wenn der BJT vorhanden ist, könnten vielleicht 99 mA oder sogar 99,9 mA vom Kollektor kommen, wobei der Widerstand des Zeners umgangen wird. Dennoch würde der Zenerwiderstand vielleicht noch 1 mA oder vielleicht 0,1 mA benötigen, um den Basisrekombinationsstrom des BJT zu liefern. Aber das ist viel weniger und es wird den Zener mit ziemlicher Sicherheit nicht verhungern. (Sie werden oft mit 10 mA betrieben, was die Versorgung des BJT-Basisstroms von 0,1 mA bis 1 mA weit weniger komplex macht, als wenn Sie erwägen würden, 100 mA vom Zenerwiderstand liefern zu müssen!)

Tatsächlich liefert der Kollektor-Emitter-Pfad des BJT den größten Teil des benötigten Stroms und lässt einen viel, viel kleineren Teil davon übrig, um den Widerstand des Zeners herunterzuladen. Und das ist hier fast immer gut so.

Beachten Sie auch, dass die zuvor erwähnte Spannungsdifferenz von 0,7 VI ein wenig vom Kollektorstrom abhängt. Die Regelung ist also nicht perfekt. Wenn die Last 1mA benötigt und später 100mA fordert, verschiebt sich die Spannung, auf die sie am Emitter zugreift, ein wenig. Aber das Schöne hier ist, dass die Änderung nur etwa 60 mV für jede Faktor-10-Änderung des Laststroms beträgt. Selbst bei einer Änderung von 1mA auf 100mA verschiebt sich die Spannung am Emitter also nur um etwa 120mV (weil zwischen 1mA und 100mA zwei Faktoren von 10 liegen ) . .

EDIT: @DewaldSwanepoel:

Dies sollte wirklich die akzeptierte Antwort sein.

Hehe. Danke. Ich habe versucht, die Frage tatsächlich zu beantworten, nicht nur zu beweisen, dass ich ein Muster erkennen kann. Bisschen Unterschied. Aber das OP wählt.

Würde es Ihnen etwas ausmachen, zu erläutern, wie man den Wert des Widerstands und den spezifischen BJT für Ihre Anwendung auswählen würde?

Jeder Zener hat im Datenblatt eine Spezifikation für den gewünschten Betriebsstrom. (Oder eine Reihe von Betriebsströmen.) Eine Abweichung von den empfohlenen Werten bedeutet, dass die Zenerspannung selbst möglicherweise nicht mehr den anderen Spezifikationen entspricht, daher ist es am besten, sie wie vorgesehen zu betreiben.

Angenommen, Sie haben den 1N4735A ausgewählt, der ein ist$6.2\:\textrm{V}$Zener. Es wird bei getestet$41\:\textrm{mA}$, aber ein Diagramm zeigt Kurven für Ströme aus$5\:\textrm{mA}$Zu$20\:\textrm{mA}$. Das schlägt vor, dass Sie es an einem davon betreiben sollten. Die Zenerimpedanz verbessert sich normalerweise etwas (gute Sache), wenn Sie sie heißer oder mit etwas mehr Strom betreiben.

Es wird auch einen Basisstrom für den BJT geben, wenn er voll geladen ist. Oder keine, wenn nicht. Angenommen, der BJT müsste eine Last von unterstützen$200\:\textrm{mA}$. Und nehmen wir an, die Spannungsschiene ist$12\:\textrm{V}$, also muss der BJT möglicherweise fallen$7\:\textrm{V}$über seine$V_{CE}$. Dann muss es ggf. bis auf abführen$1.4\:\textrm{W}$. Und solche BJTs dürfen nur ausstellen$\beta=50$, oder so. Wir würden also mit einem Grundstrom von bis zu rechnen$4\:\textrm{mA}$.

Wir müssen also mit einem variierenden Basisstrom umgehen$0\:\textrm{mA}$Zu$4\:\textrm{mA}$. Ich würde empfehlen, vielleicht die auszuwählen$20\:\textrm{mA}$Strom für den Zener. Auf diese Weise wird der Gesamtstrom durch den Widerstand sein$24\:\textrm{mA}$, mit allen$24\:\textrm{mA}$Gehen Sie durch den Zener, wenn der BJT nicht geladen ist, um nur$20\:\textrm{mA}$durch den Zener, wenn der BJT maximal geladen ist. Diese Variation ist nicht viel, also sollte die Spannungsreferenz, die der BJT sieht, halten, okay.

In diesem Fall wäre der Widerstand also:

Sie können beides auswählen$220\:\Omega$oder$270\:\Omega$. Beides wäre in Ordnung.

Ich habe einige Schaltungen gesehen, die einen Darlington verwenden, aber was genau sind die Überlegungen?

Der Darlington lässt mehr Spannung fallen, wenn er zum Emitter gelangt, daher muss Ihre Auswahl der Zenerspannung dies berücksichtigen. Das wichtigste andere Detail ist, dass der Darlington weniger Basisstrom benötigt.

Angenommen, unter den obigen Umständen wäre der maximal erforderliche Strom$1\:\textrm{A}$, stattdessen. In diesem Fall könnten wir weiter planen$\beta\approx 40$und der Basisstrom dann von$25\:\textrm{mA}$. Das ist viel mehr, als wir erwarten können, für diesen Zener, den ich erwähnt habe. Es ist einfach zu viel, damit umzugehen. Hier könnten wir also einen Darlington mit a wählen$\beta=500$hier, was bedeutet, dass wir wieder bei einem Basisstrom sind, der ungefähr ist$2\:\textrm{mA}$, was jetzt völlig in Ordnung ist. Natürlich müssten wir eine höhere Zenerspannung verwenden, so dass dies eine andere Zenerwahl wäre. Aber das ist die Idee.

Ich würde mir vorstellen, dass Sie für die Diode einfach eine Diode wählen möchten, deren Zener-Durchbruchspannung 0,7 V höher ist als Ihre gewünschte Ausgangsspannung?

Grob gesagt, ja. Sie müssen herausfinden, wie hoch der Basis-Emitter-Abfall am BJT oder am Darlington sein wird. Eine höhere Stromnachgiebigkeit erfordert einen größeren Abfall. Sie können alles von sehen$600\:\textrm{mV}$zu über$900\:\textrm{mV}$, je nach BJT und Umständen. Und deutlich mehr als das von einem Darlington. Verwenden Sie die Datenblätter, um dies abzuschätzen.

Hat diese Schaltung auch Vorteile gegenüber der einfachen Verwendung eines Spannungsreglers wie dem LM317?

Für die meisten Zwecke? Wahrscheinlich nicht. Aber es gibt Probleme in Bezug auf die Verfügbarkeit, die Anzahl der Teilelieferanten, die Kosten, die Anzahl der Durchgangslöcher (falls Sie dies tun) und andere Faktoren, die Sie dazu bringen können, sich für eines zu entscheiden. Eine Sache, die Sie hier bekommen, ist die Kontrolle über den BJT, den Sie auswählen. Sie können aber auch BJTs um den LM317 herum hinzufügen. Vielleicht gewinnt der LM317 also immer noch.

Ein einfacher Widerstand mit Zener eignet sich für niedrige Ströme oder für sehr spezifische und bekannte Strompegel. Wenn Sie die Ausgangsleistung verwenden möchten, müssen Sie so etwas wie die von Ihnen erwähnte Schaltung verwenden. Es kann eine stabilisierte Spannung für einen breiten Bereich von Strompegeln liefern.