Im Allgemeinen haben Gleichrichterschaltungen die Aufgabe, Wechselspannungen in Gleichspannungen umzurichten.
Bei der Zweipuls-Brückenschaltung sind bedingt durch die sinusförmige Wechselspannung die der Transformator liefert abwechselnd immer zwei Dioden in Durchlassrichtung und zwei Dioden in Sperrrichtung geschaltet. In der Kennlinie wird deutlich, dass während der Gleichrichtung die negative Sinushalbwelle in den positiven Bereich geklappt wird. Auffällig hierbei ist jedoch die Lücke, die zwischen den Halbwellen entstanden ist (roter Kreis). Diese Lücke lässt sich dadurch erklären, dass die Dioden selbst eine gewisse Spannung benötigen, ehe sie durchschalten. Diese Spannung steht dann für den Rest der Schaltung nicht mehr zur Verfügung.
Inhaltsverzeichnis
Aufgabenstellung
1. Transformator & Netzgerät allgemein
1.1. Aufgabe des Transformators
1.2. Funktionsprinzip des Transformators
1.3. Das Netzgerät
2. Dimensionierung
2.1. Dimensionierung des Ladekondensators
2.2. Dimensionierung des Siebgliedes
3. Z-Diode
3.1. Erarbeitung der Leitungsvorgänge in Metallen
3.2. Darstellung der Leitungsvorgängen im reinen Halbleiter
3.3. Die Z-Diode
3.4. Praxisbeispiele einer Z-Diode
3.5. Pulstrombelastung von Gleichrichterdioden
4. Vollständige Dimensionierung eines Netzgerätes
4.1. Dimensionierung der Z-Diode
4.2. Dimensionierung vom Siebglied
4.3. Dimensionierung vom Ladekondensator
4.4. Sekundärspannung am Transformator
Zielsetzung und Themen
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der technischen Konzeption und vollständigen mathematischen Dimensionierung eines einfachen Netzgerätes mit Stabilisierschaltung, um eine stabile Gleichspannung für Verbraucher bereitzustellen.
- Funktionsweise und Dimensionierung von Transformatoren
- Methoden zur Glättung pulsierender Gleichspannung mittels Ladekondensator und Siebglied
- Halbleiterphysikalische Grundlagen und Kennlinien von Z-Dioden
- Berechnungsgrundlagen für die Pulsstrombelastung von Gleichrichterdioden
- Praktische Anwendung der Z-Diode als Spannungsstabilisierungselement
Auszug aus dem Buch
Die Z-Diode
Z-Dioden werden ausschließlich aus Silizium hergestellt. Sie werden höher als normale Siliziumdioden dotiert. In Durchlassrichtung ist die Kennlinie identisch mit der Kennlinie einer normalen Siliziumdiode. In Sperrrichtung hat die Kennlinie einer Z-Diode jedoch einen ganz scharfen Knick an der Stelle, wo der Durchbruch einsetzt. Die Kennlinie verläuft im Durchbruchbereich sehr steil. Dadurch ist in diesem Bereich der dynamische Innenwiderstand sehr niedrig. Dies kann zur Stabilisierung (Konstanthaltung) einer Gleichspannung oder Glättung einer Wechselspannung ausgenutzt werden.
Wie in der oberen Abbildung zu erkennen, steigt nach Überschreitung von Uz der Sperrstrom stark an. Der Sperrwiderstand der Diode sinkt somit sehr stark. Wird die Sperrspannung wesentlich größer als Uz, dann wird die Diode durch den Sperrstrom zerstört.
Der hohe Sperrstromanstieg hat zwei Ursachen: Durch die Sperrspannung entstehen im PN-Übergang ein starkes elektrisches Feld. Die Feldkräfte verursachen bei Sperrspannungen bis etwa 6V ein Loslösen von Valenzelektronen der Halbleiteratome. Die dabei entstehenden freien Elektronen und Löcher bewirken das Ansteigen des Sperrstromes. Dieser Vorgang heißt Zenereffekt ( benannt nach Dr. Carl Zener )
Zusammenfassung der Kapitel
1. Transformator & Netzgerät allgemein: Erläutert die grundlegende Funktion des Transformators zur Spannungsanpassung und galvanischen Trennung sowie den schematischen Aufbau eines Netzgerätes.
2. Dimensionierung: Behandelt die mathematische Herleitung zur Bemessung von Ladekondensatoren und Siebgliedern zur Glättung der Ausgangsspannung.
3. Z-Diode: Vermittelt die physikalischen Grundlagen der Halbleiterleitung und detailliert die Wirkungsweise sowie Einsatzgebiete der Z-Diode.
4. Vollständige Dimensionierung eines Netzgerätes: Führt eine praktische Berechnungsaufgabe für alle Komponenten eines Netzgerätes basierend auf definierten Lastparametern durch.
Schlüsselwörter
Netzgerät, Transformator, Ladekondensator, Siebglied, Z-Diode, Spannungsstabilisierung, Gleichrichtung, Brummspannung, Halbleiter, Halbleiterdiode, Pulsstrombelastung, Dimensionierung, Zenereffekt, Lawineneffekt, Elektro-Technik.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit behandelt den Entwurf und die mathematische Auslegung eines einfachen Netzgerätes, das eine stabile Gleichspannung aus einer Wechselspannung erzeugt.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die Schwerpunkte liegen auf der Transformation, Gleichrichtung, Glättung der Spannung sowie der Spannungsstabilisierung mittels Z-Dioden.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Das Ziel ist die Vermittlung und Anwendung der Berechnungsgrundlagen, um die Komponenten eines Netzgerätes so zu dimensionieren, dass eine stabile Ausgangsspannung unter variablen Lastbedingungen gewährleistet ist.
Welche wissenschaftlichen Methoden werden angewendet?
Die Arbeit nutzt elektrotechnische Modellbildungen, physikalische Erklärungsmodelle für Halbleiter sowie mathematische Berechnungsverfahren zur Bauteildimensionierung.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die theoretische Funktionsbeschreibung der Bauteile, die Herleitung der Berechnungsformeln für Kondensatoren und Z-Dioden sowie ein konkretes Dimensionierungsbeispiel.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Wichtige Begriffe sind unter anderem Netzgerät, Z-Diode, Ladekondensator, Siebglied, Spannungsstabilisierung und Pulsstrombelastung.
Was unterscheidet den Zener- vom Lawineneffekt?
Der Zenereffekt tritt bei Spannungen bis ca. 6V auf und basiert auf dem Loslösen von Valenzelektronen durch starke elektrische Felder; der Lawineneffekt bei höheren Spannungen basiert auf einer lawinenartigen Stoßionisation durch stark beschleunigte Ladungsträger.
Warum ist die Pulsstrombelastung für Dioden wichtig?
Da der Ladekondensator innerhalb sehr kurzer Zeit nachgeladen werden muss, entstehen hohe Stromimpulse, die die Gleichrichterdioden bei falscher Dimensionierung zerstören können.
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- Michael Scholz (Author), Frank Lanninger (Author), Felix Frömel (Author), Matthias Steinbeck (Author), 2002, Einfaches Netzgerät mit Stabilisierschaltung, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/10323
