Unterspannungsschutz mittels Z-Diode und NPN

[Jan (Gast)]

Wunderschönen guten Tag,

ich habe leider nie gelernt wie man Analogschaltungen konzipiert und 
berechnet, würde aber gerne einen Transistor durchschalten um einen 
Digitaleingang von 5V (pull-up) auf 0V zu ziehen, wenn eine Spannung 
(0-30V) unter ca. 15V fällt.

Dazu habe ich mir die Schaltung (siehe Anhang) ausgedacht. Hierbei ist 
R1 nur zu simulationszwecken da; den Kollektor würde ich dann an den 
besagten Eingang hängen. Wäre das tatsächlich brauchbar oder wie könnte 
man das, ohne es viel komplizierter zu gestalten, verbessern?

Vielen Dank für Eure Hilfe!

[M.A. S. (mse2)]

Erstmal ungeachtet der grundsätzlichen Eignung der Schaltung:
Der Transistor Q1 schaltet in diesem Falle durch, wenn die Spannung V1 
ÜBER 15V ist, nicht wenn sie darunter fällt.

Abhilfe für dieses Problem: eine weitere Transistorstufe als Inverter 
dahinter schalten.

[M.A. S. (mse2)]

Dann würde ich empfehlen, einen Widerstand von der Anode der Zenerdiode 
nach Masse zu schalten, damit nicht kleinste Leckströme der Diode schon 
den Transistor aufsteuern.

[Jan (Gast)]

Danke dass Du das angemerkt hast. Ja tatsächlich habe ich mich beim 
tippen vertan und es sollte "über ca. 15V steigt" anstelle "unter ca. 
15V fällt" heißen.

[M.A. S. (mse2)]

Je nach dem, wie genau der Punkt, an dem geschaltet werden soll, 
festliegen muss, würde ich aber eher eine ganz andere Schaltung unter 
verwendung eines Komparators empfehlen:

Dem Komparator würde ich die zu überwachende Spannung über einen 
Spannungsteiler zuführen (und zwar auf den N-Eingang), damit der 
Komparator mit den 5V Deiner Digitalschaltung arbeiten kann.
Der P-Eingang bekäme dann über einen weiteren Spannungsteiler eine 
entsprechend passende Referenzspannung. Sinkt die Spannung am N-Eingang 
unter den Wert am P-Eingang, dann schaltet der Komparator ein.
Nimm einen Typen, der einen offenen Kollektor-Ausgang hat und Dein Ziel 
ist erreicht.

[M.A. S. (mse2)]

Jan schrieb:
> Danke dass Du das angemerkt hast. Ja tatsächlich habe ich mich beim
> tippen vertan und es sollte "über ca. 15V steigt" anstelle "unter ca.
> 15V fällt" heißen.

Hmpf!
Dann also die Eingänge vertauschen.  :)

[Jan (Gast)]

Ich habe dem Eingang (R1) mal eine höhere Impedanz gegeben und den von 
M.A. S. vorgeschlagenen Widerstand eingefügt...

[Jan (Gast)]

M.A. S. schrieb:
> eine ganz andere Schaltung unter
> verwendung eines Komparators empfehlen

Operationsverstärker.... Habe ich leider keine Ahnung von und wüsste ich 
jetzt auch nicht zu simulieren, wenn ich mich nun belesen würde ;(

[Sascha_ (Gast)]

Komparator ist ganz einfach: Hat der + Eingang eine höhere Spannung als 
der - Eingang, ist der Ausgang High.

Da kommts jetzt aber drauf an, ob die 0-30V Versorgungsspannung auch 
gleichzeitig Versorgungsspannung des OPV sind. Wenn ja, wirds eher 
kompliziert.

Solangs nicht auf sehr gute Schaltflanken und absolute Genauigkeit 
ankommt, ist die Transistorschaltung ausreichend.

[Andreas S. (Firma: Schweigstill IT) (schweigstill)]

Jan schrieb:
> Ich habe dem Eingang (R1) mal eine höhere Impedanz gegeben und den von
> M.A. S. vorgeschlagenen Widerstand eingefügt...

Hast Du schon einmal nachgerechnet, welche Leistung die arme Z-Diode und 
R2 unnötigerweise verbraten müssen? Das ganze würde auch locker mit 
einem Zehntel des Stroms funktionieren. Dadurch sich würde dann auch den 
Einfluss des ohmschen Emitterwiderstandes des Transistors reduzieren.

[mse2 (Gast)]

Sascha_ schrieb:
> Da kommts jetzt aber drauf an, ob die 0-30V Versorgungsspannung auch
> gleichzeitig Versorgungsspannung des OPV sind. Wenn ja, wirds eher
> kompliziert.

...weshalb ich ja schrieb: mit 5V Betreiben und die zu überwachende 
Spannung über einen Spannungsteiler zuführen.

[mse2 (Gast)]

Andreas S. schrieb:
> Hast Du schon einmal nachgerechnet, welche Leistung die arme Z-Diode und
> R2 unnötigerweise verbraten müssen? Das ganze würde auch locker mit
> einem Zehntel des Stroms funktionieren. Dadurch sich würde dann auch den
> Einfluss des ohmschen Emitterwiderstandes des Transistors reduzieren.

Ganz recht, R3 ist zu klein. Du mußt ihn so auslegen, dass bei maximal 
möglicher Spannung V1 kein zu großer Strom durch die Z-Diode fließen 
kann.

[Gerd E. (robberknight)]

die Z-Diode wird vermutlich zu weich schalten. Nimm statt dessen besser 
nen TL431 und baue außerdem noch etwas Hysterese hinzu, das ist bei dem 
recht einfach.

[Manfred (Gast)]

Jan schrieb:
> Ich habe dem Eingang (R1) mal eine höhere Impedanz gegeben
Den R3 würde ich auf 3,3kOhm setzen.
Der Transistor wird verglühen, wenn wirklich 30V oben anliegen, hat der 
noch 15V an 220 Ohm. Wenn die Last im Collector wirklich 5 kOhm ist, 
kann der 47k an der Basis (R2) bekommen.

[Jan (Gast)]

Entschuldigung, wenn ich das Thema wieder ausgrabe, aber ich wollte mich 
noch mal zurückmelden mit einer verbesserten Version, falls jemand 
anderes mal nach so etwas sucht.

Ich habe nun den Transistor durch einen FET getauscht, um nicht so viel 
Strom über die Diode zu verschwenden; und entsprechend den 
Basiswiderstand entfernt. Über R3 können Leckströme der Diode abfließen.

Die Idee mit einem Shunt-Regulator ist natürlich auch super...