Zener-Diode

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Eine Zenerdiode, oder auch Z-Diode, ist eine besonders dotierte Silicium-Diode mit geringer Sperrschichtdicke, die nach dem amerikanischen Physiker Clarence Melvin Zener, dem Entdecker des Zener-Effekts, benannt ist. Die Charakteristik von Z-Dioden erlaubt es, dass sie in zahlreichen Schaltungen zur Stabilisierung und Begrenzung von elektrischen Spannungen eingesetzt werden.

In Durchlassrichtung verhalten sie sich wie normale Dioden. In Sperrrichtung verringert sich oberhalb einer bestimmten Sperrspannung, der so genannten Durchbruchspannung, der differentielle Widerstand erheblich. Dann steigt die Spannung kaum weiter an, auch wenn der Strom zunimmt. Das kann zur thermischen Überlastung führen.

Schaltzeichen

Durchbrucheffekte[Bearbeiten]

Kennlinien verschiedener Z-Dioden

Die Durchbruchsspannung UBR wird bei Z-Dioden auch als Zenerspannung UZ bezeichnet und beträgt üblicherweise rund 3…100 V (in Ausnahmefällen auch für den Bereich 2…600 V herstellbar). 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 überwiegt der Zenereffekt und damit sein negativer Temperaturkoeffizient.

Bei Spannungen über 6,5 V überwiegt der Lawinendurchbruch-Effekt, der auch als Avalanche-Effekt (englisch: avalanche effect) bekannt ist, und damit sein positiver Temperaturkoeffizient.

Im Bereich zwischen 5 und 6,5 V wirken beide Effekte in ähnlicher Stärke. Der Knick der Kennlinie ist zwar nicht so scharf, dafür aber ist der Temperaturgang besonders niedrig ausgeprägt.

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). Im Alltagsgebrauch hat sich der Begriff Z-Diode als übergreifende Bezeichnung von Zener- und Avalanche-Dioden etabliert.

Bei Avalanche-Dioden ist der Knick der Kennlinie stärker ausgeprägt.

Beim Lawinendurchbruch werden genügend 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[Bearbeiten]

Temperaturkoeffizient im Bezug zur Z-Spannung

Die Angabe der Z-Spannung UZ bezieht sich im Regelfall auf 300 Kelvin. Der Temperaturkoeffizient k_{\vartheta} oder TC gibt dafür die relative Änderung der Z-Spannung in Abhängigkeit von der Temperatur T an:

k_{\vartheta} = {TC} = \frac{1}{U_Z}\cdot \frac{\part U_Z}{\part T} bei ID = const.

In Datenblättern erfolgt häufig die Angabe des Temperaturkoeffizienten bezogen auf die Spannung in Millivolt pro Kelvin. Die Umrechnung geschieht wie folgt:

S_Z = k_\vartheta \cdot U_Z

Unterhalb von 7 Volt hängt der Temperaturkoeffizient deutlich vom Diodenstrom ab, weswegen immer die Angabe des Nennstroms erforderlich ist.

Übliche Werte sind:

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

Die Z-Spannung und deren Änderung in Abhängigkeit von der Temperatur berechnet sich nach folgenden Formeln:

\Delta U_Z(T) =k_\vartheta \cdot U_Z \cdot \left( T - 300 \mathrm{K}\right)
U_Z(T) = U_Z + \Delta U_Z(T) = U_Z \cdot \left[ 1 + k_\vartheta \cdot \left(T - 300 \mathrm{K}\right)\right]

Der Zenereffekt hat einen negativen Temperaturkoeffizienten, der Lawineneffekt einen positiven Temperaturkoeffizienten. Bei ca. 5 V sind beide Koeffizienten etwa gleich groß und heben sich gegenseitig auf. Dieser Spannungswert eignet sich daher besonders als Referenzspannungsquelle mit geringer Temperaturdrift. Für besonders langzeitstabile Referenzen wird alternativ eine Serienschaltung einer Z-Diode mit 6.2-6.3 V und einem Temperaturkoeffizienten von +2 mV/°C und einer normalen Siliziumdiode (oder Basis-Emitterstrecke eines Transistors) in Durchlassrichtung mit -2 mV/°C auf demselben Chip verwendet, wodurch sich die Temperaturkoeffizienten aufheben[1].

In Datenblättern werden gelegentlich Strom-Spannungs-Kennlinien angegeben, d. h. die Kennlinien der Dioden bei 25 °C und 125 °C.

Ersatzschaltbild[Bearbeiten]

Z-Diode1.jpg rz ist der differentielle Widerstand der Zenerdiode; sein Wert beträgt einige Ohm.

Arbeitspunkt[Bearbeiten]

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 dabei 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[Bearbeiten]

In der Regel werden Zenerdioden in Sperrrichtung betrieben. Anwendung finden sie bei der Spannungsbegrenzung, beim Überlastschutz und, der häufigste Anwendungsbereich, bei der Spannungsstabilisierung. Gebräuchliche ist z. B. die Parallelregelung einer Spannung für weitere elektronische Schaltungsteile, die eine stabile Versorgungs- oder Eingangsspannung benötigen. Ein weiteres Beispiel ist die Zenerbarriere. Weiterhin lassen sich Zenerdioden sehr gut als Generator für weißes Rauschen nutzen, das durch den Lawineneffekt hervorgerufen wird.

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

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

Daraus ergibt sich die folgende Formel:

U_a \approx \left\{ \begin{matrix} 
{U_{a} = U_{e} \frac{R_{L}}{R_{V}+R_{L}}} 
& \text{wenn} 
& {U_e<U_{Z}\cdot \left( 1 + \frac{R_{V}}{R_{L}} \right)}
\\ {U_{Z}}
& \text{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 das in etwa wie folgt aussehen:

Spannungsbegrenzung mittels einer Z-Diode

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:

G=\frac{\partial U_{e}}{\partial U_{a}} =1+\frac{R_{V}}{r_{Z}}+ \frac{R_{V}}{R_{L}} \stackrel{\,(r_Z \ll R_{V},R_{L})\,}{=} \frac{R_{V}}{r_{Z}}

rz ist der differentielle Widerstand der Zenerdiode, der möglichst klein sein soll. Mit den typischen Werten rz = 5 Ω und Rv = 1000 Ω werden Schwankungen der Eingangsspannung (auch die Restwelligkeit) auf 0,5 % reduziert.

Relativer 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. Dazu kommt allerdings ein Spannungsabfall UD an der zweiten Z-Diode, die in diesem Fall leitend ist. Dieser verhält sich analog zum Spannungsabfall einer herkömmlichen Diode.

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

Kennzeichnung[Bearbeiten]

Zenerdiode, Kathode links

Das Gehäuse von Zenerdioden trägt an der Kathodenseite in der Regel einen Ring. Die Kennzeichnung entspricht damit der Konvention bei anderen Dioden.

Literatur[Bearbeiten]

  • Ulrich Tietze, Christoph Schenk, Eberhard Gamm, Halbleiter-Schaltungstechnik, Springer 2002, 12. Auflage, ISBN 3-540-42849-6

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1.  Fluke Corporation (Hrsg.): Calibration: Philosophy in Practice. Everett, Washington 1994, ISBN 0963865005.

Siehe auch[Bearbeiten]

Weblinks[Bearbeiten]

 Commons: Zener diodes – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien