Spannungsstabilisierung mit Z-Diode

In einer 24-V-Anlage soll ein kleiner Sensor oder ein Operationsverstärker eine eigene, ruhige Hilfsspannung bekommen. Er braucht nur ein paar Milliampere, aber die Anlage schwankt je nach Netzteil und Last zwischen 20 V und 28 V. Für solche Fälle ist die Stabilisierung mit Z-Diode die einfachste Lösung überhaupt: ein Widerstand, eine Diode, fertig. Sie heißt auch Querregler oder Shunt-Regler, weil das regelnde Bauteil quer zur Last liegt und überschüssigen Strom an ihr vorbei nach Masse leitet.

Typische Einsätze sind Hilfsspannungen bis etwa 20 mA, Referenzen für Komparatoren, die Basisspannung eines Längsreglers mit Transistor und die Begrenzung eines Signals auf einen sicheren Pegel. Wie die Diode selbst funktioniert und was ihre Kennwerte bedeuten, steht im Bauteilartikel; hier geht es um die fertig ausgelegte Schaltung.

Schaltplan

• R1, 820 Ω, 1 W: nimmt die Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung auf und bestimmt den Gesamtstrom. Er ist das Bauteil, das am meisten Wärme abgibt.
• D1, BZX79-C9V1: Z-Diode für 9,1 V im Glasgehäuse DO-35, bis 500 mW. Sie liegt in Sperrrichtung: Kathode (Ring) am Ausgang, Anode an Masse.
• C1, 10 µF, 16 V: puffert kurze Laststöße und dämpft das Rauschen der Diode. Für die Stabilität braucht die Schaltung ihn nicht.
• Last: bis 8 mA, zum Beispiel ein Sensor mit Messverstärker.

So funktioniert die Schaltung

R1 und D1 bilden einen Spannungsteiler, dessen unterer Teil sich selbst nachstellt. Solange die Diode im Durchbruch arbeitet, hält sie ihre Spannung fast fest. Am Widerstand liegt dann der Rest, U_E − U_Z, und der Strom durch ihn ist praktisch nur von der Eingangsspannung abhängig, nicht von der Last.

Dieser Strom teilt sich am Ausgangsknoten. Braucht die Last weniger, nimmt die Diode den Rest auf; braucht sie mehr, nimmt die Diode weniger. Steigt die Eingangsspannung, wächst der Strom durch R1, und wieder fängt die Diode den Überschuss ab. Die Ausgangsspannung ändert sich dabei nur um den Strom mal dem differentiellen Widerstand r_Z der Diode.

Das funktioniert, solange durch die Diode mindestens ihr Mindeststrom fließt. Zieht die Last mehr, als R1 liefern kann, sperrt die Diode, und die Schaltung ist nur noch ein Vorwiderstand: Die Spannung fällt steil ab. Das Diagramm zeigt genau diesen Knick.

Dimensionierung

Gegeben: Eingang 20 bis 28 V, Ausgang etwa 9 V, Last 0 bis 8 mA, Umgebung bis 50 °C.

1. Z-Diode wählen. Der E24-Reihe folgend gibt es 9,1 V. Die BZX79-C9V1 liegt mit ihrer Toleranz zwischen 8,5 V und 9,6 V. Im Bereich um 9 V hat sie einen scharfen Knick und einen differentiellen Widerstand von typisch 6 Ω bei 5 mA. Als Mindeststrom setzt du I_Zmin = 5 mA an, den Prüfstrom des Datenblatts.

2. Größter Vorwiderstand. Im ungünstigsten Fall ist die Eingangsspannung am kleinsten und die Last am größten. Dann muss noch I_Zmin übrig bleiben:

3. Kleinster Vorwiderstand. Im anderen Extrem ist die Eingangsspannung am größten und die Last abgeklemmt; die Diode trägt den ganzen Strom. Für 50 °C Umgebung rechnest du statt der 500 mW nur mit 400 mW:

Jeder Wert zwischen 430 Ω und 838 Ω funktioniert. Du nimmst den größten passenden Normwert, 820 Ω aus der E12-Reihe: Er verheizt am wenigsten.

4. Mindeststrom nachprüfen. Bei 20 V fließen (20 V − 9,1 V) / 820 Ω ≈ 13,3 mA, für die Diode bleiben 5,3 mA. Erwischst du ein Exemplar mit 9,6 V, sind es noch 4,7 mA – knapp unter dem Prüfstrom, aber weit über dem Knick. Die Spannung sinkt dabei um wenige Millivolt.

5. Leistungen im ungünstigsten Fall. Bei 28 V ohne Last:

Die Diode nutzt gut die Hälfte ihrer 400 mW. Der Widerstand dagegen ist mit einer 0,6-W-Metallschicht-Bauform zu knapp, denn bei 50 °C ist er schon heruntergeregelt. Nimm einen 1-W-Typ und lass ihn mit etwas Abstand zur Platine stehen; Hintergrund unter Wärme und Kühlung.

Zum Schluss der Preis der Einfachheit: Bei 24 V zieht die Schaltung immer (24 V − 9,1 V) / 820 Ω ≈ 18 mA, also 0,44 W, ganz gleich, wie viel die Last braucht. Bei 8 mA Last kommen davon 73 mW an, der Wirkungsgrad liegt bei 17 %. Für eine Hilfsspannung ist das in Ordnung, für einen Batteriebetrieb nicht.

Bauteilliste

Varianten

Mehr Strom. Ab etwa 20 mA Laststrom wird die Verlustleistung unhandlich, denn die Diode muss im Leerlauf alles allein tragen. Dann lässt du die Z-Diode nur noch die Sollspannung vorgeben und schickst den Laststrom durch einen Transistor: Längsregler mit Z-Diode und Transistor. Noch einfacher ist ein Festspannungsnetzteil mit 7805/7812, dessen Regler-IC dasselbe Prinzip mit Referenz und Regelverstärker enthält.

Genauer und temperaturstabil. Statt einer Z-Diode setzt du einen TL431 als Spannungsreferenz ein. Er wird genauso mit einem Vorwiderstand betrieben, kommt mit 1 mA aus, und seine Spannung driftet nur um wenige Millivolt über den ganzen Temperaturbereich.

Begrenzer statt Versorgung. Mit einem größeren Vorwiderstand und ohne C1 wird die Schaltung zum Pegelbegrenzer für einen Signaleingang, etwa für einen 24-V-Schaltausgang an einem Mikrocontroller. Mehr dazu unter Diodenbegrenzer.

Schutz gegen Überspannung. Kommt die Versorgung über lange Leitungen, können Spitzen über 28 V auftreten. Eine TVS-Diode am Eingang und eine träge Sicherung halten sie von R1 und D1 fern.

Typische Fehler

• Diode verkehrt herum: Am Ausgang liegen nur 0,7 V. Der Ring gehört an die positive Seite.
• Nur den Normalfall gerechnet: Bei 24 V und voller Last ist alles kühl, im Leerlauf bei 28 V wird R1 heiß. Fühlt sich der Widerstand nach Minuten noch gut an, die Diode aber nicht, war der Leerlauf vergessen.
• Widerstand zu klein gewählt: „Sicherheitshalber“ 470 Ω statt 820 Ω erhöht den Leerlaufstrom auf 40 mA; die Diode setzt dann 0,37 W um und kommt an ihre Grenze.
• Last zieht Spitzenströme: Ein Mikrocontroller mit Funkmodul braucht kurz 100 mA und mehr. Das kann der Querregler nicht; die Spannung bricht ein, das Modul startet neu. C1 überbrückt nur Spitzen von wenigen Mikrosekunden.
• Spannung zu niedrig gemessen: Fließt weniger als etwa 1 mA durch die Diode, sitzt sie im weichen Knick. Miss die Spannung an R1 und rechne den Strom nach.

Selbsttest