Spannungsverlauf an Z-Dioden

Z-Dioden werden gern für einfache Schaltungen zur Spannungsstabilisierung verwendet. Wichtig ist dabei aber, dass man die Z-Diode im richtigen Bereich betreibt.
Dieser Artikel zeigt ein Beispiel für das Spannungverhalten von zwei Z-Dioden.

Die Rückwärts-Spannung einer Z-Diode hängt stark von ihrem Rückwärtsstrom ab. In den Datenblättern werden häufig Spannungswerte bei einem bestimmten Strom angegeben. Wählt man den Strom durch die Z-Diode zu weit neben diesem Strom, verändert sich die Spannung über die Z-Diode sehr stark.

Das Verhalten von zwei Z-Dioden mit einer Z-Spannung von 2,7 V ist in nachfolgenden Diagrammen für einen Strom von 0,5 bis 30 mA aufgenommen.

Vergleich zweier Z-Diode bei 5 mA Z-Strom
Bild 2: Vergleich zweier Z-Diode bei 5 mA Z-Strom

In Bild 1 ist gut zu sehen, dass die beiden Z-Dioden ihre Z-Spannung von 2,7 V nur bei einem Z-Strom von ca. 5 mA erreichen.

Vergleich zweier Z-Dioden 2,7 V
Bild 2: Vergleich zweier Z-Dioden 2,7 V

In Bild 2 ist die ganze Kennlinie dargestellt. Dort kann man erkennen, dass wenn man den Strom halbiert die Z-Spannung nur noch bei 2,5 V liegt. Wenn man den Strom verdoppelt liegt die Spannung schon bei 2,9 bis 3 V.

Erzeugen von Sägezahn- oder Dreieck-Spannungen mit SwitcherCAD

Wer gelegentlich eine Schaltung simulieren will, wird sicher früher oder später über SwitcherCAD stolpern. Dieser Artikel zeigt wie man Sägezahn oder Dreieck-Spannungen damit erzeugen kann.

Die Firma Linar Technology stellt auf ihrer Webseite das Tool SwitcherCAD kostenlos zur Verfügung.
Es ist ein Spice-basiertes Simulationstool, dass man dazu nutzen kann um Schaltungen zu simulieren. Leider ist es nur für die Windows-Plattform verfügbar.

Erzeugen von Sägezahn- oder Dreieck-Spannungen

Im Component-Dialog eine Spannungsquelle “voltage” auswählen und mit OK in den Schaltplan übernehmen.
SwitcherCAD component dialog
Über einen Rechts-Klick auf die Spannungsquelle im Schaltplan kann man jetzt den Dialog für die Spannungsquelle aufrufen.
SwitcherCAD voltage source dialog
Im Dialog für die Spannungsquelle muss man jetzt auf Advanced klicken, was den erweiteren Dialog aufruft.
Wählt man jetzt als Funktion “PULSE” aus. Für eine Sägezahnspannung sind die Parameter “T rise” “T fall” “T on” und “T period” entscheident. Für dieses Beispiel wollen wir eine Sägezahnspannung von 20 Hz erzeugen. Dazu muss “T period” 50 ms sein. “T rise” könnte man jetzt auch auf 50 ms und “T on” und “T fall” auf 0 setzen, was jedoch etwas seltsame Simulationsergebnisse zur Folge haben kann. Es hat sich als nützlich erwiesen, “T on” und “T fall” zumindest auf 1 ns zu setzen und diese Zeiten von “T on” abzuziehen und das Ergebnis bei “T raise” einzutragen. Es muss natürlich auch bei “Von” ein Wert ungleich 0 stehen, sonst wird man keine Spannung messen können.
SwitcherCAD voltage source dialog advanced
Das Ergebnis schaut dann so aus:
SwitcherCAD sawtooth voltage source
SwitcherCAD sawtooth voltage plot

Für eine Dreieckspannung ist nur eine kleine Anpassung nötig. “T raise” wird auf 25 ms, “T on” auf 0 und “T fall” ebenfalls auf 25ms gesetzt.
SwitcherCAD triangular voltage plot

Betrachtungen zu Batterien

Dieser Artikel betrachtet die Kosten für Batterien im Vergleich zu Akkus und zugehörigen Ladegeräten.

Stromkosten

Batterien sind die teuerste Energiequelle, die man sich vorstellen kann.
Dazu folgendes Rechenbeispiel:

  • Batterie: Alkaline, Größe: AA
  • Spannung: U = 1,5V
  • Kapazität: K ≈ 2Ah

Ergibt eine gespeicherte Energie pro Batterie von:

E = U ⋅ K = 1,5V ⋅ 2Ah = 3Wh

Um eine Kilowattstunde Energie aus Batterien zu erhalten, benötigt man:

1kWh = 333 Batterien
3Wh

Bei einem Preis von 1,00 € pro Batterie entspricht das den Kosten pro Kilowattstunde von:

333Stück ⋅ 1,00 €/Stück = 333 €/kWh

Zum Vergleich dazu ist eine Kilowattstunde aus Solarstrom, die mit derzeit 0,57 € vergütet wird, geradezu billig.
Da rechnet es sich dann schon, Akku-Packs zu verwenden und ein ordentliches Ladegerät, wenn man Verbraucher hat, die einen hohen Leistungsbedarf haben, wie zum Beispiel Digitalkameras oder ferngelenkte Modellfahrzeuge.

Es gibt heute schon Akkus der Größe AA, die eine Kapazität von 2500mAh aufweisen. Bei einer Haltbarkeit von 1000 Ladezyklen, die man mit modernen Ladegeräten erreicht, bedeutet das, dass ein Akkumulator über seine Lebensdauer 2500Ah bereitstellt.

Bei einer Akkuspannung von 1,2V sind das 3kWh über die Lebensdauer des Akkus gerechnet. Bei einem Preis pro Stück von ca. 5,00€ und einem geeigneten Ladegerät für 40,00€ kommt man bei Verwendung von nur einem Akku auf Kosten pro Kilowattstunde von:

45 € / 3kWh = 15,00 €/kWh

Wenn man mehrere Akkus verwendet, sinken die Kosten sogar noch weiter:

Bei 4 Akkus: 60€ / 12kWh = 5,00€/kWh

Hier kommen natuerlich noch die Stromkosten hinzu, die man aus dem Netz bezieht, bei 0,20 € pro kWh sind das dann nochmal 2,40 €, macht zusammen bei 4 Akkus 7,40 €/kWh. Die auftretenden Verluste beim Laden der Akkus und durch die Selbstenladung werden hierbei vernachlässigt.