erstellt 13.03.2009
Zenerdioden - Die etwas anderen Dioden
Grundlagen

Oft ist es von Nöten, dass eine Spannung an einem Verbraucher ziemlich konstant sein muss. Als Beispiel sei nur die Mikroelektronik genannt.

Dort liegt die erlaubte Betriebsspannung meist zwischen 4,75 und 5,25 Volt. Dieser recht enge Bereich kann man nicht mit einfachen Netzteilen erreichen. Es muss eine geregelte Spannung her. Dafür kann man recht gut Zenerdioden verwenden.

 

Der so genannte Zener-Effekt wurde 1934 von Clarence Malvin Zener entdeckt. Er hat herausgefunden, dass Dioden, wenn diese in Sperrichtung ( als entgegen der üblichen Richtung )betrieben werden ab einer gewissen Spannung 'durchbrechen' und diese Durchbruchsspannung dabei ziemlich konstant halten. In Durchflussrichtung  ( also der übliche gebrauch Plus an Anode und Minus an Katode ) arbeiten Zenerdioden genau wie normale Dioden und in Sperrichtung ebenso.

 

 Das Schaltsymbol einer Zenerdiode, sieht dem einer normalen Diode ziemlich ähnlich. Beide unterscheiden sich nur durch einen kleinen Haken, an der Katode. Auf dem Bauteil wird dieser Anschluss ebenso durch einen Ring gekennzeichnet.

Vom Gehäuse kann man die Zenerdioden nicht von normalen Dioden unterscheiden. Erst die Bezeichnung macht die Funktion der Zenerdiode deutlich.
Grundschaltung der Zenerdiode
Um eine Zenerdiode zu betreiben muss dafür gesorgt werden, dass der Strom durch die Diode nicht zu groß wird. Diese Eigenschaft gleicht sich mit den Leuchtdioden , auch diese müssen daher mit einen Vorwiderstand betrieben werden
Wie groß der entsprechende Widerstand sein muss, hängt von der Leistung der Zenerdiode ab und der benötigte Strom der Last. In unseren ersten Versuchen, wird die Diode noch ohne Last betrieben. Also wählen wir einen Widerstand mit einen recht hohen Wert.

Die Zenerdiode sorgt hier in der Schaltung dafür, dass die Spannung über die Diode relativ Konstant auf den angegebenen Wert, hier sind es 5,6 V, bleibt. Dies wollen wir einmal nachmessen.
Unser Messgerät beweist uns, dass dieser Wert ziemlich genau eingehalten wird. Wird ein Wert gemessen, der +/- 20% abweicht, ist dies auch noch in Ordnung. Dieser Wert entspricht der üblichen Toleranz.

Verhält sich die Zenerdiode in 'Normalbetrieb' dann  wie eine normale Diode?
Messen wir es doch einfach mal nach.
Um dies zu überprüfen, wird die Diode einfach gedreht. Nun ist sie in Durchflussrichtung geschaltet wie eine normale Diode. Wie die Messung zeigt, ergibt sich nun eine Spannung von 0,7-0,8V an der Diode. Diese Eigenschaft entspricht genau dem einer normalen Diode.
Spannungsregelung mit der Zenerdiode
Bei der nebenstehenden Schaltung nutzen wir die Spannung an der Zenerdiode um damit eine konstante Betriebsspannung für die Leuchtdiode zu haben. Diese Kombination hat den Vorteil, dass man eine relativ verlässliche Spannung hat, mit der man rechnen kann.

Selbst bei schwankender Eingangsspannung bleibt die Spannung an der Leuchtdiode ziemlich konstant. Dieser Effekt wird bei den meisten geregelten Netzteilen ausgenutzt. Die konstante Spannung, die die Zenerdiode liefert wird mit Transistoren oder Operationsverstärkern verstärkt und somit kann die Schaltung dann einen ziemlichen großen Strom mit konstanter Spannung liefern.
Wer die Spannung an der Diode noch einmal überprüfen möchte, kann dieses ja noch einmal nachmessen. Man wird feststellen, das die Spannung in etwa dem entspricht, welche die Diode schon ohne Last geliefert hat.

Wer in der glücklichen Lage ist ein regelbares Netzteil zu besitzen, kann gerne mal den Versuch wagen und die Gesamtbetriebsspannung auf z.B. 12V erhöhen. Man wird dabei feststellen, dass die Spannung an der Zenerdiode sich fast nicht ändert.
Es gibt aber auch Anwendungen bei dem die Spannung einer Zenerdiode zu ungenau sind. Dafür gibt es eigens Referenzdioden, die eine auf mV genaue Spannung liefern. Dieses ist z.B. wichtig bei Messgeräten, die eine Vergleichsspannung benötigen. Eine solche Refernzdiode ist z.B. die LM385
Berechnung

Um die Schaltung zu berechnen benötigt ich erst einmal die gewünschte Spannung die ich mittels der Zenerdiode bereitstellen möchte.
Angenommen ich benötige eine Spannung von 5,6 Volt, und habe eine Betriebsspannung von 12 Volt.

Dann ist zuerst einmal die Leistung (Watt) der Z-Diode wichtig , oder alternativ die Strombelastbarkeit.
Diese Angaben stehen aber nicht auf der Diode , also muss man sich bemühen an das Datenblatt des Herstellers zu gelangen , geübte Elektroniker erkennen es meist schon an der Baugröße der Diode.
Ich benutze hier eine Z-Diode die maximal 100mA verkraften kann.

Also ich habe 12 Volt Betriebsspannung (Bild unten ), die Zenerdiode soll 5,6 Volt haben, somit fällt die Differenz am Vorwiderstand ab , in diesem Fall also 6,4 Volt.
Bei einer Spannung von 6,4 Volt und einen Maximalen Strom von 100mA ( Wir erinnern uns , die Diode verkraftet 100mA und in einer Reihenschaltung ist der Strom überall gleich )
rechne ich mir die Verlustleistung des Vorwiderstands aus ( P=U*I)
Also 5,6 Volt mal 100mA macht 0,56 Watt für R1
Und jetzt zum Widerstandswert, (R= U/I) also 5,6 Volt geteilt durch 0,1 Amp = 56 Qhm

R1= 56 Ohm / 0,56 Watt

 

 

Diese Schaltung kann ich mit höchstens 100mA belasten , spätestens dann fließt durch die Zenderdiode kein Strom mehr, weil sich der Strom ja aufteilt zwischen Verbraucher und Z-Diode ( Paralellschaltung) allerdings benötigt die Z-Diode einen gewissen Strom um noch halbwegs vernünftigt zu Regeln. ( Muss man dem Datenblatt entnehmen). Als Faustformel kann man sagen das der Strom im Verbrauchen etwa ein Zentel des Gesamtstromes betragen sollte weil ja schließlich auch Eingangs-Spannungsschwankungen und Temperaturschwankungen ausgeglichen werden sollen.

Beispiel : Spannungsstabilisierung

In Sperrrichtung gepolte Zenerdioden benutzt man häufig zur Stabilisierung von Spannungen. Dies kann mit der folgenden Schaltung nachgewiesen werden:
Die verwendete Zenerdiode besitzt eine Zenerspannung von Uz = 5,6 V. Der maximale Strom durch die Diode soll Iz,max = 40 mA nicht überschreiten.

Variiert man die Spannung U1 z.B. im Bereich von 6 V bis 10 V, so zeigt die Spannung U2 immer den gleichen Wert von 5,6 V an.
Funktion:
An der Quelle mit der Spannung U1 liegt eine Serienschaltung aus Widerstand und in Sperrrichtung gepolter Zenerdiode. Kommt die an der Zenerdiode anliegende Spannung in den Bereich von Uz, so leitet die Diode (es wird der linke Knick in der Kennlinie erreicht) und es ist ein größerer Stromfluss möglich. Dadurch fällt am Widerstand R eine größere Spannung ab (UR = I×R) und die Spannung an der Diode bleibt konstant.

Im folgenden Diagramm ist die Kennlinie der Zenerdiode dargestellt. Im Durchlassbereich verhält sich die Zenerdiode wie eine gewöhnliche Siliziumdiode (Schwellenspannung bei ca. 0,7 V). Im Sperrbereich knickt die Kennlinie bei der sogenannten Zenerspannung Uz extrem steil ab. Im Handel sind Zenerdioden mit den verschiedensten Werten für Uz erhältlich.

 
Fazit: Der entnommene Strom aus einer Zenerdiode sollte ca 10% des gesammten durch die Zenerdioden fließenden Stromes sein.
Also sind Zenerdioden eigentlich nur für Verbraucher die wenig Strom benötigen sinnvoll.Es sein denn mit dem sehr kleinen aber festen Wert einer Zenderdiode wird eine andere Regelung konstant gehalten wie im folgenden Beispiel bei dem die Konstante Spannung einer Zenerdiode einen Festspannungsregler regelt, der dadurch widerum einen Strom von etwa 1 Ampere bei sehr konstanter Spannung liefern kann.


Aktualisiert 19.07.2018