../../../icons/Logo.pngPraktische Elektronik

Z-Dioden

Vor diesem Praktikum sollte

durchgeführt worden sein.

Z-Dioden sind Dioden mit speziellen Eigenschaften.

Wir vergleichen verschiedene Dioden und messen nach.

Zenerdiode.png
Bild 1: Messschaltung für verschiedene Dioden.

Die Dioden werden sowohl in Sperrrichtung 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
ZF 3.3 0,6V 3,3V

Die LED und 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

Die ZF 3.3 hat

  • in Durchlassrichtung etwa 0,6V ab
  • in Sperrrichtung aber nur etwa 3,3V

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

Die ZF 3.3 beginnt bei etwa 3,3V zu leiten.

Z-Dioden gibt es mit Z-Spannungen zwischen 2,7V bis zu ein paar hundert Volt.

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

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 von 3,3V. Die Eingangsspannung kann zwischen 4V und 9V liegen. Am Ausgang können maximal 10mA entnommen werden. Die Ausgangsspannung wird je nach Last und Eingangsspannung um etwa 0.5V schwanken.

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

Außerdem ist die Ausgangsspannung von der Exemplarstreuung der Z-Diode abhängig. Eine ZF 3.3 hat eine Z-Spannung, die zwischen 3,0V und 3,6V liegen kann.

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

Mit dieser Schaltung können auch Spannungen begrenzt werden. Die Spannung am Ausgang wird nicht höher als 3,3V sein. Dieses wird z.B. beim Logiktester mit Transistoren ausgenutzt.

Fazit

  • eine Spannung Stabilisierung mit Z-Diode ist ungenau.
  • wenn die Eingangsspannung stark schwankt,
  • ist ein integrierter Spannungsregler besser geeignet, der meistens kaum teurer ist.

Überspannungsschutz

Ueberspannungsschutz.png
Bild 4: Überspannungsschutz mit Z-Diode

Die Schaltung in Bild 4 kann hohe Spannungen, wie sie beim Schalten hoher Lasten (Anlasser beim Auto) oder Blitzeinwirkung auftreten, wirksam begrenzen. Das ist allerdings nur mit speziell dafür konstruierten 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, d.h mit nicht einmal 1A. Sehr hohe Ströme von 30A bis 120A dürfen für sehr kurze Zeit unter 100µs, einer zehntausendstel Sekunde, fließen. Bei 30A fallen maximal 7,6V ab, bei 120A maximal 8V.

Im Bild 4 ist eine Schaltung für einen Überspannungsschutz gezeigt. Sie soll Schaltungen mit einer Versorgungsspannung von 5V (viele Digitalschaltungen) vor zu hohen Spannungen schützen. Die relativ kleine Sicherung von 0,5A ist nötig, weil eine Schmelzsicherung relativ lange mit dem 1.5-fachen Sicherungsstrom betreiben werden kann. Dann muss die 1N5008 eine Leistung von 0,75A*6V=4,5W aufnehmen. Das belastet sie bis an ihre Grenze.

Auf der anderen Seite begrenzt diese Schaltung kurze Spannungsspitzen am Eingang sehr wirksam.

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Überspannungsschutz

Bei unseren Versuchen können wir versehentlich eine zu hohe Spannung an die Versorgung einer Schaltung legen. Dagegen kann die Schaltung in Bild 3 helfen. Besser ist es, dafür eine wirksamere Schaltung wie sie in Thyristoren vorgestellt wird, zu verwenden.

Regeln

  • Z-Dioden lassen wie jede Diode Strom in Durchlassrichtung 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 zu 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 ihnen können Spannungsspitzen an empfindlichen Schaltungen unterdrückt werden.
  • Die 1N5908 ist zum Schutz von Digitalschaltungen mit 5V vorgesehen.