Bereken zelf een eenvoudige gestabiliseerde voeding
Bij elektronische experimenten komt het vaak voor dat u een bepaalde spanning nodig hebt terwijl u alleen over een hogere spanning beschikt. Met een eenvoudige schakeling, bestaande uit niet meer dan een zenerdiode en een weerstand, kunt u zorgen voor de juiste spanning, die bovendien nog is gestabiliseerd. Met wat simpel cijferwerk kunt u het type zenerdiode en de waarde van de weerstand berekenen. Omdat zowel de beschikbare spanning als de gewenste stroom en spanning verschillende waarden kunnen hebben, geven wij in het volgende artikel enkele gemakkelijk te hanteren algemene formules, waarin u de getallen die voor uw geval van toepassing zijn, eenvoudig kunt invullen.
De werking
Een zenerdiode zal, mits op de juiste aangesloten, altijd proberen een constante spanning over zichzelf te handhaven. Als de spanning wil stijgen, zal hij reageren door een grotere stroom te trekken. En omgekeerd natuurlijk. In serie met de zenerdiode moet altijd een weerstand geschakeld worden, zoals in afbeelding 1 is getekend, anders lukt het hem niet de spanning te stabiliseren. Stel dat de zenerdiode van afbeelding 1 stabiliseert op 9 volt en dat de ingangsspanning Uin 12 volt bedraagt. Dan zal de zenerdiode zoveel stroom trekken dat over de weerstand 12-9=3 volt verschil wordt weggewerkt. Het opmerkelijke is dat dit in principe voor elke waarde van de weerstand geldt. Is R=100 Ω, dan is volgens de wet van Ohm de stroom door de weerstand gelijk aan de spanning over de weerstand (3 V) gedeeld door de weerstand. (100 Ω), dus IR=3/100=0,03 A = 30 mA.
Is R =1000 Ω, dan is IR=3/1000=3 mA. Als er geen belasting is aangesloten, is de stroom door de zenerdiode gelijk aan die door de weerstand, dus IR=IZ.
Sluiten we nu op de uitgang een belasting aan, in afbeelding 1 gestippeld als weerstand getekend, dan zal een deel van IR door Rbel vloeien. Stel dat R= 100 Ω (IR is dan, zoals berekend, 30 mA) en Ibet=20 mA, dan stelt de zenerdiode zich in op 10 mA (het verschil tussen IR en Ibel), maar de spanning over de zenerdiode blijft 9 volt.
De grap van deze schakeling is dat de uitgangsspanning 9 volt blijft, onverschillig of Rbel al dan niet aanwezig is en dat Ia=30 mA blijft.
We gaan er van uit dat de ingangsspanning Uin constant blijft om de volgende berekeningen niet al te ingewikkeld te maken, hoewel de uitgangsspanning ook bij wisselende ingangsspanning constant zal blijven.
De BZX79-serie (uit het Philips voorkeurprogramma) mag maximaal met 0,4 watt worden belast. Voor de BZX61serie is dit vermogen maximaal 1,3 watt. Omdat het "gedissipeerde" vermogen in een zenerdiode gelijk is aan de spanning over de diode maal de stroom door de diode, d.w.z. Pz=Uz x Iz ofwel Iz= Pz/Uz, mag de stroom door de zenerdiode niet groter worden dan Pz/ Uz. Voor de BZX79/C9V1, die op 9,1 volt stabiliseert en die maximaal 0,4 watt mag dissiperen, is dus Iz,max=0,4/9,1= 0,045 A = 45 mA. Om aan de veilige kant te blijven nemen we 0,9 maal deze waarde, dus IZ,max=0,9 x 45 mA=40 mA. Deze stroom loopt door de zenerdiode als er geen belasting is. Omdat we er altijd rekening mee moeten houden dat de belastingsstroom kan wegvallen, waarbij dus alle stroom door de diode gaat, moeten we de weerstand R zodanig berekenen dat de stroom door de zenerdiode nooit groter kan worden dan de maximaal toegestane waarde, in dit rekenvoorbeeld dus 40 mA.
Berekening in stapjes
1. Kies een zenerdiode die op de gewenste spanning stabiliseert.
2. Bepaal de maximale zenerstroom met de formule:
(Pz'max = maximale dissipatie van de zenerdiode, Uz = de spanning waarop de zenerdiode stabiliseert 0,9 is een veiligheidsfactor)
3. Bepaal het spanningsverschil dat door de weerstand R moet worden weggewerkt met de formule:
4. Bereken de waarde van de weerstand R met de formule:
5. Bereken de belastbaarheid van de weerstand R (in watt) met de formule:
(de factor 1,25 is weer een veiligheidsfactor).
Voorbeeld
U beschikt over een spanning van 12 volt en u hebt 9 volt nodig.
1. U kiest zenerdiode BZX79/C9V1 (Pz,max = 0,4 W) of BZX61/C9V1 (Pz'max = 1,3 W)
2. U bepaalt de maximale zenerstroom, Iz'max, die voor de BZX79/C9V1 gelijk is aan: (0,4/9,1) x 0,9 = 0,04 A = 40 mA en voor de BZX61/C9V1: (1,3/9,1) x 0,9 = 0,13 A = 130 mA.
3. Het spanningsverschil dat in beide gevallen moet worden weggewerkt is: 12 V - 9,1 V = 2,9 V.
4. Bij gebruik van de BZX79/C9V1 moet de weerstand een waarde hebben van 2,9/0,04 = 72 Ω, afgerond op de dichtstbijzijnde handelswaarde: 68 Ω. Voor de BZX61/C9V1 berekent u: 2,9/0,13 = 22,1 Ω, afgerond 22 Ω.
5. Bij gebruik van de BZX79/C9V1 moet R een belastbaarheid hebben van 2,9 V x 0,04 A x 1,25 = 0,145 W, naar boven afgerond op ¼ watt. Bij gebruik van de BZX61 /C9V 1 moet de belastbaarheid van R gelijk zijn aan: 2,9 V x 0,13 A x 1,25 = 0,47 W, naar boven afgerond op ½ watt.
Afb. 1
Opmerking
Als u de BZX79/C9V1 gebruikt, kunt u maximaal 40 mA afnemen. Vraagt de belasting meer stroom, dan zal de spanning over de zenerdiode beneden de "houdspanning" van 9,1 volt dalen. Dat kan geen kwaad voor de zenerdiode, noch voor de belasting. Maar de spanning over de weerstand wordt dan groter dan 2,9 volt. Dit wil zeggen dat de weerstand te zwaar belast wordt. Om de voeding kortsluitvast te maken, moet de belastbaarheid van de weerstand R worden berekend met de formule PR= U2in/R (in dit geval 122/72=2 W). Voor de BZX61/C9V1 is eenvoudig te berekenen dat R een belastbaarheid moet hebben van circa 6,5 W.