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Zener-Diode

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Bild:Z-diode.png
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Bild:Zener diode (aka).jpg
eine Zener-Diode
Bild:Kennlinie Z-Diode.jpg
Kennlinien verschiedener Z-Dioden

Zener-Dioden, oder auch Z-Dioden, sind besonders dotierte Si-Dioden, mit geringer Sperrschichtdicke, die nach dem amerikanischen Physiker Clarence Melvin Zener, dem Entdecker des Zener-Effekts, benannt worden sind. Die spezielle Charakteristik von Z-Dioden führt dazu, dass sie in zahlreichen Schaltungen zur Stabilisierung von Spannungen eingesetzt wird. Sie lässt sich aber auch zur Spannungsbegrenzung verwenden, wie das Anwendungsbeispiel der Zenerbarriere zeigt.

Sie verhalten sich in Durchlassrichtung wie normale Dioden, in Sperrrichtung werden sie ab einer bestimmten Spannung, der Durchbruchspannung, plötzlich niederohmig.

Die Durchbruchspannung UBR wird bei Zener-Dioden als Z-Spannung UZ bezeichnet und beträgt üblicherweise rund 3…100 V, es lassen sich jedoch auch Z-Dioden für den Bereich 2…600 V herstellen.


Inhaltsverzeichnis

Durchbrucheffekte

Die Durchbruchsspannung UBR wird bei Zener- bzw. Z-Dioden auch als Z-Spannung UZ bezeichnet. Wird nun UZ an die Diode in Sperrrichtung angelegt so ergibt sich der Strom durch die Diode aus der Formel: I_D \approx I_{D,BR} = - I_{BR} \cdot e^{\frac{-U_D + U_Z}{n_{BR} \cdot U_T}}

Liegt diese Spannung unterhalb -5 V, so wirkt der genannte Zener-Effekt.

Bei Spannungen über 6,5 V wirkt der Lawinen-Durchbruch, welcher auch als Avalanche-Effekt (englisch: avalanche effect) bekannt ist. Dieser besitzt einen positiven Temperaturkoeffizienten.

Deshalb hat Clarence Zener vorgeschlagen, die zunächst allgemein Zenerdioden genannten Dioden aufzuteilen in Zener-Dioden (mit Durchbruchspannungen unter 5 V) und Z-Dioden (mit mehr als 5 V).

Bei diesen Dioden ist der Zenerknick stärker ausgeprägt. Im Bereich 5…6,5 V wirken beide Effekte. Der Zenerknick ist dementsprechend mittelmäßig ausgeprägt.

Beim Lawinen-Durchbruch werden genug Elektronen so stark beschleunigt, dass sie weitere Elektronen aus den Atombindungen schlagen. In Folge ergibt sich eine lawinenartig ansteigende Ladungsträgerkonzentration und damit ein geringerer Widerstand. Wird der fließende Strom nicht stark genug begrenzt, führt der Effekt zum Durchbruch zweiter Art und damit zur Zerstörung der Diode.

Temperaturabhängigkeit

Der Temperaturkoeffizient k_{\vartheta} oder TC gibt hierfür die relative Änderung der Z-Spannung in Abhängigkeit der Temperatur T an:

k_{\vartheta} = {TC} = \frac{\part U_Z}{\part T} bei ID = const.

Im Datenblatt wird dieser für T = 300 K angegeben. Übliche Werte sind:

TC(UZ) UZ
\approx - 6 \cdot 10^{-4} \, K^{-1} 3{,}3 \, {\rm V}
\approx 0 5{,}1 \, {\rm V}
\approx 10^{-3} \cdots 10^{-4} \, K^{-1} 47 \, {\rm V}

Der Zenereffekt hat einen negativen Temperaturkoeffizienten, der Lawineneffekt hat einen positiven Temperaturkoeffizienten. Bei ca. 5 V sind beide Koeffizienten etwa gleich groß und heben sich gegenseitig auf.

In Datenblättern werden meist dynamische Kennlinien angegeben, d.h. die Kennlinien der Dioden bei 25°C und 125°C.

Arbeitspunkt

Bild:Arbeitspunktänderung Diode.png
Arbeitspunkt Z-Diode (3. Quadrant in 1. Quadranten verlegt)
Der Arbeitspunkt einer Z-Diode befindet sich im Schnittpunkt der Diodenkennlinie und der Lastwiderstandskennlinie.

Im nebenstehenden Diagramm ist die Kennlinie mit schwankender Versorgungsspannung dargestellt. Abhängig von der Belastung stellen sich verschiedene Spannungen ein - bei Volllast die niedrigste, bei Leerlauf die höchste Spannung. Der Arbeitspunkt bewegt sich hierbei zwischen den Punkten 1 und 2 (Regelbereich), wodurch auch eine entsprechende Schwankung des Zenerstromes IZ hervorgerufen wird.

Die untere Begrenzung des Regelbereiches ist durch den Knick der Kennlinie festgelegt und beträgt ca. 10 % von Imax. Mit einem veränderlichen Lastwiderstand kann der gesamte Regelbereich zwischen den Punkten 1 und 3 genutzt werden.

Anwendung

Die interessanteste Anwendung der Zener-Diode ist die Parallelregelung einer Spannung für weitere elektronische Schaltungsteile, die eine stabile Versorgungs- oder Eingangsspannung benötigen. Weiterhin lassen sie sich sehr gut als Generator für weißes Rauschen nutzen, das durch den Lawineneffekt hervorgerufen wird.

In der Regel werden Zener-Dioden in Sperrrichtung betrieben. Anwendung findet die Zener-Diode bei der Spannungsbegrenzung, beim Überlastschutz und, der häufigste Anwendungsbereich, bei der Spannungsstabilisierung.

Spannungsbegrenzung.gif

Spannungsbegrenzung mit Z-Diode

Spannungsstabilisierung.gif

Spannungsstabilisierung mit Z-Diode

Symmetrische Spannungsbegrenzung.gif

Symmetrische Spannungsbegrenzung mit Z-Dioden

Bei der Schaltung zur Spannungsbegrenzung sperrt die Z-Diode für Spannungen von 0 \le U_a < U_Z. Die Ausgangsspannung Ua ergibt sich in diesem Bereich nur aus dem Vorwiderstand RV und – im Falle der Spannungsstabilisierung – dem Lastwiderstand RL.

Wenn die Z-Diode bei U_e \ge U_Z leitet, liegt am Lastwiderstand maximal die Z-Spannung UZ an.

Daraus ergibt sich die folgende Formel:

U_a \approx \left\{ \begin{matrix} {U_{a} = U_{e} \frac{R_{L}}{R_{V}+R_{L}}} & {\rm wenn} & {U_e<U_{Z}\cdot \left( 1 + \frac{R_{V}}{R_{L}} \right)} \\ {U_{Z}} & {\rm wenn} & {U_e > U_{Z}\cdot \left( 1 + \frac{R_{V}}{R_{L}} \right)} \end{matrix} \right.

Am Beispiel einer Z-Diode mit einer Z-Spannung von UZ = 10 V würde dies in etwa wie folgt aussehen:

Bild:U-Stab-Z-Diode.JPG

Daraus ergibt sich eine Glättung (Begrenzung) der eigentlichen Eingangsspannung und damit eine Stabilisierung der Ausgangsspannung. Diese werden über den Glättungsfaktor G und den Stabilisierungsfaktor S beschrieben, die sich aus den folgenden Formeln ergeben:

Glättungsfaktor G:
G=\frac{\partial U_{e}}{\partial U_{a}} =1+\frac{R_{V}}{r_{Z}}+ \frac{R_{V}}{R_{L}} \begin{matrix} r_Z \ll R_{V},R_{L} \\ = \\ \, \end{matrix} \frac{R_{V}}{r_{Z}}

Stabilisierungsfaktor S:

S=\frac{\frac{\partial U_{e}}{U_{e}}}{\frac{\partial U_{a}}{U_{a}}}=\frac{ U_{a}}{U_{e}}\frac{\partial U_{e}}{\partial U_{a}}=\frac{U_{a}}{U_{e}} G\approx \frac{U_{a}R_{V}}{U_{e}r_{Z}}


Die Symmetrische Spannungsbegrenzung funktioniert ähnlich wie die hier beschriebene Spannungsbegrenzung mit nur einer Z-Diode. Allerdings begrenzt sie auch negative Eingangsspannungen auf -UZ. Zusätzlich kommt allerdings ein Spannungsabfall UD an der zweiten Z-Diode, die in diesem Fall leitend ist. Dieser Spannungsabfall verhält sich analog zum Spannungsabfall einer herkömmlichen Diode.

Eine bessere Möglichkeit zur Spannungsstabilisierung liefern Spannungsregler, welche die Spannung wesentlich präziser regeln können.

Literatur

  • Ulrich Tietze, Christoph Schenk, Eberhard Gamm, Halbleiter-Schaltungstechnik, Springer 2002, 12. Auflage, ISBN 3540428496

Siehe auch

Wikipedia
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