Z-Dioden

Vor diesem Praktikum sollte

• das Praktikum Spannungen messen

• oder die Praktika in Grundschaltungen

durchgeführt worden sein.

Eigenschaften von Z-Dioden

Z-Dioden werden oft als Zenerdioden bezeichnet. Dies ist für Z-Dioden über 5 V 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.

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	1,8 V	5 V
1N4001	0,6 V	5 V
BZX79-C3V3	0,6 V	3,3 V

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

• in Durchlassrichtung fallen etwa 1,8 V bzw. 0,6 V ab,

• in Sperrrichtung fällt die gesamte Betriebsspannung von 5 V ab.

An der BZX79-C3V3 fällt

• in Durchlassrichtung die Flussspannung von 0,6 V,

• in Sperrrichtung jedoch nur etwa 3,3 V ab.

• Die BZX79-C3V3 beginnt bei etwa 3,3 V in Sperrrichtung zu leiten.

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

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

Kennlinien

Die Kennlinien in Bild 2 stellen Z-Dioden mit einer Belastbarkeit bis zu 1 W 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 die Z-Spannung ist. Zum Beispiel beträgt der Leckstrom der 5,6 V Z-Diode 1N4734A bei 2 V etwa 10 µA.

• Daten von Z-Dioden

Spannungsstabilisierung

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

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

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

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

I1 = (4,5V - 3,3V) / 15Ω = 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.

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

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

Die Spannung ändert sich nur um 0,2 V. Das sind nur 6 % der 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 100 mA beträgt etwa 2 Ω (rote Linie).

Z-Dioden über 5,6 V 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.

• Besser ist ein integrierter Spannungsregler.

Überspannungsschutz

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

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

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

Bild 5 zeigt eine Schaltung für einen Überspannungsschutz. Sie soll Schaltungen mit einer Versorgungsspannung von 5 V (viele Digitalschaltungen) vor zu hohen Spannungen schützen. Die relativ kleine Sicherung von 0,5 A ist notwendig, da eine Schmelzsicherung relativ lange mit dem 1,5-fachen Sicherungsstrom betrieben werden kann. Die 1N5908 muss dann eine Leistung von 0,75 A*6 V=4,5 W aufnehmen. Damit wird sie bis an ihre Grenzen belastet.

Andererseits begrenzt diese Schaltung kurze Spannungsspitzen am Eingang sehr effektiv.

Überspannungsschutz

Bei unseren Versuchen kann es vorkommen, dass wir versehentlich eine zu hohe Spannung an die Stromversorgung einer Schaltung anlegen. Die Schaltung in Bild 5 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 Z-Dioden bei einer Spannung, die 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 2,7 V bis über 200 V.

• 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 als Suppressordioden bezeichnet.

• Mit ihrer Hilfe können Spannungsspitzen in empfindlichen Schaltungen unterdrückt werden.

• Die 1N5908 ist für den Schutz von Digitalschaltungen mit 5 V vorgesehen.