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Wir untersuchen Z-Dioden und wenden sie an.


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Z-Dioden

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Vor diesem Praktikum sollte

durchgeführt worden sein.

Eigenschaften von Z-Dioden

Z-Dioden werden oft als Zenerdioden bezeichnet. Dieses ist für Z-Dioden über 5V falsch. Wir verzichten auf diese Diskussion und halten nur fest, dass Zenerdioden Z-Dioden sind.

Z-Dioden sind Dioden mit besonderen Eigenschaften.

Wir vergleichen verschiedene Dioden und messen ihre Eigenschaften.

Zenerdiode.png
Bild 1: Messschaltung für verschiedene Dioden.

Die Dioden werden sowohl in Sperr- als auch in Durchlassrichtung betrieben.

Die Dioden werden jeweils einzeln angeschlossen und der Spannungsabfall gemessen.

Diode Durchlassrichtung Sperrrichtung
LED 1,8V 5V
1N4001 0,6V 5V
BZX79-C3V3 0,6V 3,3V

Die LED und die Diode 1N4001 verhalten sich wie erwartet:

  • in Durchlassrichtung fallen etwa 1,8V bzw. 0,6V ab
  • in Sperrrichtung fällt die gesamte Betriebsspannung von 5V ab.

An der BZX79-C3V3 fällt

  • in Durchlassrichtung die Flussspannung von 0,6V,
  • in Sperrrichtung jedoch nur etwa 3,3V ab.
  • Die BZX79-C3V3 beginnt bei etwa 3,3V in Sperrrichtung zu leiten.

Dioden mit der Eigenschaft, ab einer bestimmten Spannung in Sperrrichtung zu leiten, werden Z-Dioden genannt.

Z-Dioden gibt es mit Z-Spannungen von 2,7V bis zu einigen hundert Volt. Die Z-Spannung wird auch als Durchbruchspannung genannt.

Kennlinie-Z-Dioden_s.png
Bild 2: Kennlinien von Z-Dioden

Kennlinien

Die Kennlinien in Bild 2 stellen Z-Dioden mit einer Belastbarkeit bis zu 1W dar.

  • Die Punkte stellen den Strom dar, bei dem die Spannung spezifiziert wurde.

Zum Vergleich sind die Kennlinien einer grünen und einer blauen LED sowie der Diode 1N4148 dargestellt.

Leckstrom

Der Leckstrom ist der Strom, der durch die Z-Diode fließt, wenn die Spannung kleiner als der Z-Spannung ist. Zum Beispiel beträgt der Leckstrom der 5,6V Z-Diode 1N4734A bei 2V etwa 10µA.

Spannungsstabilisierung

Mit einer Z-Diode kann eine sehr einfache Schaltung mit relativ stabiler Spannung aufgebaut werden:

Zenerdiode2.png
Bild 3: Stabile Spannung mit Z-Diode

Die Schaltung in Bild 3 erzeugt eine relativ stabile Spannung Uz von 3,3V. Die Eingangsspannung Uv kann zwischen 4V und 9V liegen. Am Ausgang können maximal IL=10mA entnommen werden. Die Ausgangsspannung schwankt je nach Last und Eingangsspannung um ca. 0,5V.

Bei 9V wird die Spannungsquelle mit etwa 150mA belastet. Wir können aber nur 10mA entnehmen, da bei 4V nicht mehr entnommen werden kann.

Der Strom Iz durch R1 ist

I1 = ( Uv - Uz ) / R1
     (9V - 3,3V) / 39Ω = 146mA
     (4V - 3,3V) / 39Ω =  18mA

Um die Spannung Uz für alle Eingangsspannungen zwischen 4V und 9V gewährleisten, darf der maximal entnommene Strom nicht größer sein als I1 bei 4V. Außerdem sind einige mA für die Z-Diode vorzusehen.

Darüber hinaus hängt die Ausgangsspannung von der Exemplarstreuung der Z-Diode ab. Eine BZX79-C3V3 hat eine Z-Spannung, die zwischen 3,0V und 3,6V liegen kann.

Wenn wir eine Spannung von 3,3V benötigen und die Eingangsspannung nur wenig schwankt, kann eine Z-Diode zur Erzeugung der 3,3V verwendet werden. Bei einer Eingangsspannung von 4,5V bis 5,5V würde ein Widerstand von 15Ω reichen und am Ausgang können bis zu 80mA entnommen werden.

I1 = (4.5V - 3,3V) / 15 = 83mA

Genauere Betrachtung anhand von Kennlinien

Unsere obigen Berechnungen sind nur Näherungswerte, da wir die tatsächlichen Spannungen der Z-Diode nicht berücksichtigt haben. Die realen Verhältnisse können wir mithilfe von Kennlinien untersuchen.

Z-Diode-Widerstand-Kennlinie.png
Bild 4: Z-Diode BZX79-C3V3 mit Widerstand bei 4V und 9V

Bild 4 zeigt die stark gekrümmte Kennlinie einer BZX79-C3V3. Eingezeichnet sind auch die Geraden für den 39Ω Widerstand bei einer Versorgungsspannung von 9V und 4V.

Bei 9V Versorgungsspannung liegt der Arbeitspunkt bei (3,5V; 140mA), bei 4V ist es (3,3V; 25mA).

Die Spannung ändert sich nur um 0,2V. Das sind nur 6% der die Spannung an der Z-Diode.

Bei höheren Strömen ändert sich die Spannung an der Z-Diode relativ wenig. Sie hat einen kleinen differenziellen Widerstand. Der differenzielle Widerstand bei einem Strom von 100mA beträgt etwa 2Ω (rote Linie).

Z-Dioden über 5,6V haben eine steilere Kennlinie. Mit ihnen kann eine Spannung gut stabilisiert werden.

Fazit

  • Mit einer Z-Diode kann eine stabilisierte Spannung erzeugt werden.
  • auch wenn die Eingangsspannung stark schwankt.

Überspannungsschutz

Die Schaltung in Bild 3 kann auch zur Spannungsbegrenzung verwendet werden. Am Ausgang wird eine Spannung von 3,3V nicht überschritten. Dieses wird z.B. beim Logiktester mit Transistoren ausgenutzt.

Z-Dioden werden auch zur Begrenzung von Überspannungen auf Versorgungsspannungen eingesetzt.

Ueberspannungsschutz.png
Bild 5: Überspannungsschutz mit Z-Diode

Die Schaltung in Bild 5 kann hohe Spannungen, wie sie beim Schalten hoher Lasten (Anlasser im Auto) oder Blitzeinschlägen auftreten, wirksam begrenzen. Das ist jedoch nur mit speziell für diese Anwendung entwickelten Z-Dioden wie z.B. der 1N5908 möglich.

Die 1N5908 hat eine Z-Spannung von 6V. Bei 0,5A fällt eine maximale Spannung von 6,5V ab. Die 1N5908 darf mit maximal 5W belastet werden, also nicht einmal mit 1A. Sehr hohe Ströme von 30A bis 120A dürfen für sehr kurze Zeit von weniger als 100µs, einer zehntausendstel Sekunde, fließen. Bei 30A fallen maximal 7,6V ab, bei 120A maximal 8V.

Im Bild 5 zeigt Schaltung für einen Überspannungsschutz. Sie soll Schaltungen mit einer Versorgungsspannung von 5V (viele Digitalschaltungen) vor zu hohen Spannungen schützen. Die relativ kleine Sicherung von 0,5A ist notwendig, da eine Schmelzsicherung relativ lange mit dem 1.5-fachen Sicherungsstrom betrieben werden kann. Die 1N5008 muss dann eine Leistung von 0,75A*6V=4,5W aufnehmen. Damit wird sie bis an ihre Grenzen belastet.

Andererseits begrenzt diese Schaltung kurze Spannungsspitzen am Eingang sehr effektiv.

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Überspannungsschutz

Bei unseren Versuchen kann es vorkommen, dass wir versehentlich eine zu hohe Spannung an die Stromversorgung einer Schaltung anlegen. Die Schaltung in Bild 4 kann hier Abhilfe schaffen. Besser ist es, dafür eine wirksamere Schaltung zu verwenden, wie sie in Thyristoren vorgestellt wird.

Regeln

  • Z-Dioden lassen wie alle Dioden in Durchlassrichtung Strom fließen.
  • In Sperrrichtung lassen bei einer Spannung, der Z-Spannung heißt, Strom fließen.
  • Die Z-Spannung ändert sich relativ wenig mit dem Strom.
  • Z-Dioden können Spannungen stabilisieren.
  • Es gibt Z-Dioden für Spannungen von 2,7V bis über 200V.
  • Die maximale Leistung einer Z-Diode Pz=Uz*Iz darf nicht überschritten werden.
  • Es gibt spezielle Z-Dioden, die kurzzeitig hohe Ströme aufnehmen können.
  • Sie werden Suppressordioden genannt.
  • Mit ihrer Hilfe können Spannungsspitzen in empfindlichen Schaltungen unterdrückt werden.
  • Die 1N5908 ist für den Schutz von Digitalschaltungen mit 5V vorgesehen.