Zener-Diode

Eine Zener-Diode (auch Z-Diode genannt) ist eine besondere Art von Diode, welche für die Spannungsbegrenzung oder -stabilisierung eingesetzt wird.

Begriffszusammensetzung

Clarence Zener entdeckte in den 1930er Jahren den physikalischen Effekt, bei dem eine Diode in Sperrrichtung plötzlich Stromstärke leitet, wenn eine bestimmte Spannung (die “Zenerspannung”) überschritten wird. Dieser Effekt heißt Zener-Effekt. Daher der Name.

Symbol

Das Schaltzeichen der Z-Diode sieht aus wie das einer Standarddiode, hat aber zusätzlich an der Spitze kleine Knicke oder “Häkchen” (als Unterscheidungsmerkmal).

Spannungsbegrenzung

Eine Zener-Diode kann u. A. auch dafür benützt werden, Spannung zu begrenzen.

• Dafür muss die Zener-Diode in Sperrrichtung (“rückwärts”) eingebaut werden.
• Wenn die anliegende Spannung unterhalb der so genannten Zenerspannung liegt, passiert nichts
• Wenn aber die richtige Spannung erreicht wurde fängt die Diode an zu leiten
• Die Spannung bleibt dann nahezu konstant auf Höhe der Zenerspannung.
• Ein Widerstand in Reihe ist notwendig, um die Stromstärke zu begrenzen.

Spannungsstabilisierung

Bei der Spannungsstabilisierung wird die Zener-Diode parallel zum Verbraucher geschaltet.

• Schwankt die Eingangsspannung, ändert sich hauptsächlich die Stromstärke durch die Zener-Diode.
• Die Spannung am Verbraucher bleibt nahezu konstant.
• Voraussetzung: Die Eingangsspannung muss größer sein als die Zenerspannung.
• Auch hier ist ein Vorwiderstand erforderlich. → Die Zener-Diode wirkt somit wie eine einfache Spannungsreferenz.

Variablen

Bauteilabhäng

(stehen im Datenblatt – abhängig vom konkreten Z-Dioden-Typ)

• Zenerspannung (auch: Durchbruchsspannung) **$U_Z$

• $I_{Z,\min }$

  • Minimaler Zenerstrom
  • nötig für stabile Spannungsregelung

• $I_{Z,\max }$

  • Maximal zulässiger Zenerstrom
  • darf nicht überschritten werden

• $P_{\text{tot}}$ bzw. $P_Z$

  • Maximale Verlustleistung der Z-Diode
  • z. B. 0,25 W / 0,5 W / 1 W

• $r_Z$

  • Dynamischer Innenwiderstand im Durchbruchbereich
  • beeinflusst Spannungsgenauigkeit

• ${\alpha }_T$

  • Temperaturkoeffizient der Zenerspannung
  • < 5 V → negativ

  • 6 V → positiv

• $I_R$

  • Sperrstrom unterhalb von $U_Z$
  • meist im µA-Bereich

• $U_F$

  • Durchlassspannung (in Vorwärtsrichtung)
  • ca. 0,7 V bei Silizium

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2️⃣ Schaltungs- / Berechnungsvariablen

(abhängig von der konkreten Schaltung)

• $U_E$

  • Eingangsspannung

• $U_A$

  • Ausgangsspannung
  • näherungsweise $U_A\approx U_Z$

• $R_V$

  • Vorwiderstand zur Strombegrenzung

• $I_Z$

  • Tatsächlicher Zenerstrom

• $I_L$

  • Laststrom (Verbraucher)

• $I_{\text{ges}}$

  • Gesamtstrom durch den Vorwiderstand
  • $I_{\text{ges}}=I_Z+I_L$

• $P_Z$

  • Tatsächliche Verlustleistung
  • $P_Z=U_Z\cdot I_Z$