Wir haben bereits kennengelernt, wie man eine Wechselspannung gleichrichtet. Jetzt wollen wir uns dem Thema zuwenden, wie man eine Spannung stabilisieren kann.

Was bedeutet eigentlich eine stabile Spannung? Nehmen wir mal als Beispiel eine Taschenlampe. Schaltet man sie ein, so leuchtet sie sehr hell, vorrausgesetzt die Batterien/Akkus sind noch voll. Nach einiger Zeit werden die Batterien schwächer und das Lämpchen wird merklich dunkler.

Das liegt an der Spannung der Batterien, die beim entladen ständig abnimmt. Die Spannung der Batterien ist also nicht stabil.

Nun könnten wir diese Spannung stabilisieren (das wollen wir hier ja kennenlernen), sodaß das Lämpchen immer gleich hell leuchtet. Eigentlich kein Problem, nur macht das bei einer Taschenlampe keinen Sinn, denn eine Spannungsstabilisierung bedeutet auch, daß ein Teil der Energie als Verlustleistung (in Wärme umgesetzt) auf der Strecke bleibt und das würde den Wirkungsgrad der Batterien/Akkus wesentlich verschlechtern. Wir müssen uns also nach einem anderen Einsatzgebiet umsehen.

Stellt euch vor, wir wollen eine Leuchtdiode an einem Modelleisenbahntrafo anschließen.

So ein Modelleisenbahntrafo ist im allgemeinen regelbar und besitzt keine feste Spannung. Ein einfacher Vorwiderstand würde hier wenig nützen, da die LED nicht mit konstanter Helligkeit leuchtet. Genau das wollen wir hier aber erreichen.

Nun kommt also unsere Spannungsstabilisierung zum Zuge. Dazu wollen wir ein neues Bauteil kennenlernen:
Die Z-Diode (manchmal auch als Zener-Diode bezeichnet).
Bevor wir hier fortfahren solltet ihr euch über die Funktionsweise einer Z-Diode auf der Bauteile-Seite informieren.

Zunächst ein paar grundsätzliche Dinge:

1. Die Ausgangsspannung wird durch die Z-Spannung bestimmt

2. Die Eingangsspannung muß größer als die Ausgangsspannung sein

3. Je größer die Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung, umso weniger wird die Ausgangsspannung durch Schwankungen der Eingangsspannung beeinflusst.

4. Der größte Wert der Verlustleistung der Z-Diode wird erreicht, wenn sie im Leerlauf betrieben wird.

Wir wollen nun anhand dieses Schaltbildes die einzelnen Bauteilewerte berechnen.

Beginnen wir mit der LED. Diese soll eine rote LED sein mit einer Durchlaßspannung von 1.6 Volt und einem Durchlaßstrom von 20 mA. Als Z-Diode nehmen wir eine mit 5.6 Volt Z-Spannung. Die Differenz dieser beiden Spannungen (4 Volt) muß an dem Widerstand R_V2 abfallen.

Diesen Wert geben wir in die Widerstandsberechnung ein und wir erhalten einen Widerstand mit 220 Ohm (E12-Reihe).

Für R_V2 setzten wir also einen 220 Ohm Widerstand ein.

Um R_V1 berechnen zu können, müssen wir erst mal den Gesamtstrom berechnen. Dieser setzt sich zusammen aus dem Laststrom (der LED = 0.02 A) und dem Mindeststrom durch die Z-Diode.

Dieser Mindeststrom durch die Z-Diode ist abhängig vom Z-Dioden-Typ. Hat man kein Datenblatt zur Hand, sollte die folgende Formel ausreichen:

Der Gesamtstrom beträgt demnach 29 mA. Nun müssen wir noch festlegen welche maximale Eingangsspannung vorhanden sein soll. Legen wir sie mal auf 16 Volt fest. Das würde bedeuten, daß an dem Widerstand 10.4 Volt (16 - 5.6) abfallen müssen. Die Berechnung des Widerstandswertes können wir nun anhand des Ohmschen Gesetzes leicht durchführen:

Diesen Wert geben wir in die Widerstandsberechnung ein und wir erhalten einen Widerstand mit 330 Ohm (E12-Reihe).

Aber Vorsicht!

Auch die maximale Verlustleistung des Widerstands sollten wir beachten, denn:

Der standardmäßige 1/4 Watt Widerstand reicht also nicht aus. Wir müssen zum höher belastbaren 1/2 Watt Widerstand greifen.

Den Nachteil dieser Schaltung möchte ich euch aber nicht vorenthalten, denn damit die Z-Diode die Spannung konstant halten kann, ist eine Mindestspannung in Höhe der Z-Dioden-Spannung (hier 5.6 Volt) nötig. Der "Arbeitsbereich" der Schaltung liegt demnach zwischen 5.6 und 16 Volt (siehe oben).