Was sind Zener-Dioden?

Was ist eine Zener-Diode?

Eine Zener-Diode ist eine spezielle Art von Gleichrichter-Diode, die einen Durchbruch aufgrund einer Sperr-Durchbruchspannung bewältigen kann, ohne vollständig auszufallen. Hier werden wir das Konzept der Verwendung von Dioden zur Regulierung des Spannungsabfalls besprechen und wie die Zener-Diode im Sperrspannungsmodus arbeitet, um die Spannung in einer Schaltung zu regulieren.

Wie Dioden den Spannungsabfall regulieren

Wenn wir eine Diode und einen Widerstand mit einer Gleichspannungsquelle in Reihe schalten, so dass die Diode in Durchlassrichtung vorgespannt ist, bleibt der Spannungsabfall über der Diode über einen weiten Bereich von Versorgungsspannungen ziemlich konstant, wie in der Abbildung (a) unten zu sehen ist.

Der Strom durch einen in Durchlassrichtung vorgespannten PN-Übergang ist proportional zu e, erhöht um die Potenz des Vorwärtsspannungsabfalls. Da es sich hierbei um eine Exponentialfunktion handelt, steigt der Strom bei geringen Erhöhungen des Spannungsabfalls recht schnell an.

Eine andere Art der Betrachtung besteht darin, zu sagen, dass sich die über einer in Durchlassrichtung vorgespannten Diode abfallende Spannung bei großen Schwankungen des Diodenstroms kaum ändert. In der in Abbildung (a) unten gezeigten Schaltung wird der Diodenstrom durch die Spannung der Stromversorgung, den Vorwiderstand und den Spannungsabfall der Diode begrenzt, der, wie wir wissen, nicht viel von 0,7 Volt abweicht.

Vorgespannte Si-Referenz: (a) einzelne Diode, 0,7V, (b) 10 Dioden in Reihe 7,0V.

Wenn die Versorgungsspannung erhöht wird, steigt der Spannungsabfall des Widerstands fast um den gleichen Betrag, und die Spannung der Diode fällt nur ein wenig. Umgekehrt würde eine Verringerung der Versorgungsspannung zu einer fast gleichen Verringerung des Spannungsabfalls des Widerstands führen, mit nur einer kleinen Verringerung des Spannungsabfalls der Diode.

In einem Wort könnten wir dieses Verhalten zusammenfassen, indem wir sagen, dass die Diode den Spannungsabfall bei ungefähr 0,7 Volt regelt.

Die Verwendung der Spannungsregelung

Die Spannungsregelung ist eine nützliche Eigenschaft der Diode, die man ausnutzen kann. Nehmen wir an, wir würden eine Schaltung bauen, die keine Schwankungen in der Versorgungsspannung verträgt, sondern von einer chemischen Batterie gespeist werden muss, deren Spannung sich im Laufe ihrer Lebensdauer ändert. Wir könnten eine Schaltung wie oben gezeigt bilden und die Schaltung, die eine konstante Spannung benötigt, über die Diode schalten, wo sie eine gleichbleibende Spannung von 0,7 Volt erhalten würde.

Dies würde sicherlich funktionieren, aber die meisten praktischen Schaltungen jeglicher Art benötigen eine Versorgungsspannung von mehr als 0,7 Volt, um richtig zu funktionieren. Eine Möglichkeit, unsere Spannungsregelung zu erhöhen, wäre, mehrere Dioden in Reihe zu schalten, so dass sich ihre einzelnen Vorwärtsspannungsabfälle von jeweils 0,7 Volt zu einer größeren Gesamtspannung addieren würden.

Wenn wir in unserem obigen Beispiel beispielsweise zehn Dioden in Reihe schalten würden, wäre die geregelte Spannung zehn mal 0,7 oder 7 Volt.

Solange die Batteriespannung nie unter 7 Volt absinkt, würden immer etwa 7 Volt über den Zehn-Dioden-„Stapel“ fallen.“

Wie Zenerdioden die Spannung regeln

Wenn größere geregelte Spannungen benötigt werden, könnten wir entweder mehr Dioden in Reihe schalten (meiner Meinung nach eine unelegante Option) oder einen grundlegend anderen Ansatz versuchen.

Wir wissen, dass die Durchlassspannung von Dioden eine ziemlich konstante Größe unter einer Vielzahl von Bedingungen ist, aber das gilt auch für die Durchbruchspannung in Sperrrichtung. Die Durchbruchsspannung ist typischerweise viel, viel größer als die Vorwärtsspannung.

Wenn wir die Polarität der Diode in unserer Ein-Dioden-Reglerschaltung umkehren und die Versorgungsspannung bis zu dem Punkt erhöhen, an dem die Diode „durchbricht“ (d. h., sie kann der ihr aufgeprägten Sperrspannung nicht mehr standhalten), würde die Diode die Spannung an diesem Durchbruchspunkt ebenfalls regeln und nicht weiter ansteigen lassen. Dies ist in der folgenden Abbildung (a) dargestellt.

(a) In Sperrrichtung vorgespannte Si-Kleinsignaldiode bricht bei ca. 100 V zusammen. (b) Symbol für Zener-Diode.

Wenn normale Gleichrichterdioden „durchbrechen“, tun sie das leider meist zerstörerisch. Es ist jedoch möglich, eine spezielle Art von Diode zu bauen, die einen Durchbruch bewältigen kann, ohne vollständig auszufallen. Diese Art von Diode wird Zener-Diode genannt, und ihr Symbol ist in der Abbildung (b) oben dargestellt.

Wenn sie in Vorwärtsrichtung vorgespannt sind, verhalten sich Zener-Dioden ähnlich wie Standard-Gleichrichterdioden: Sie haben einen Vorwärts-Spannungsabfall, der der „Diodengleichung“ folgt und etwa 0,7 Volt beträgt. In Sperrrichtung leiten sie erst, wenn die angelegte Spannung die sogenannte Zenerspannung erreicht oder überschreitet. Ab diesem Punkt kann die Diode einen beträchtlichen Strom leiten und wird dabei versuchen, die über ihr abfallende Spannung auf diesen Zenerspannungspunkt zu begrenzen.

Solange die durch diesen Sperrstrom abgeleitete Leistung die thermischen Grenzen der Diode nicht überschreitet, wird die Diode nicht beschädigt. Aus diesem Grund werden Zenerdioden manchmal auch als „Durchbruchdioden“ bezeichnet.

Zenerdioden-Schaltung

Zenerdioden werden mit Zener-Spannungen im Bereich von einigen wenigen Volt bis zu Hunderten von Volt hergestellt. Diese Zener-Spannung ändert sich geringfügig mit der Temperatur und kann, wie die üblichen Werte von Kohlewiderständen, zwischen 5 und 10 Prozent von den Angaben des Herstellers abweichen. Diese Stabilität und Genauigkeit ist jedoch im Allgemeinen gut genug für die Zener-Diode, um als Spannungsregler in der üblichen Stromversorgungsschaltung in der Abbildung unten verwendet zu werden.

Zener-Dioden-Reglerschaltung, Zener-Spannung = 12,6V).

Zener-Dioden-Betrieb Bitte beachten Sie die Ausrichtung der Zener-Diode in der obigen Schaltung: Die Diode ist in Sperrichtung vorgespannt, und zwar absichtlich so. Hätten wir die Diode „normal“ ausgerichtet, also in Durchlassrichtung, würde sie nur 0,7 Volt abfallen lassen, wie eine normale Gleichrichterdiode. Wenn wir die Sperrdurchbruchseigenschaften dieser Diode ausnutzen wollen, müssen wir sie in ihrer Sperrvorspannung betreiben. Solange die Versorgungsspannung über der Zenerspannung (in diesem Beispiel 12,6 Volt) liegt, bleibt die an der Zenerdiode abfallende Spannung bei etwa 12,6 Volt.

Wie jedes Halbleiterbauelement ist auch die Zenerdiode temperaturempfindlich. Eine zu hohe Temperatur zerstört eine Zenerdiode, und da sie sowohl Spannung abfallen lässt als auch Strom leitet, produziert sie gemäß dem Joule’schen Gesetz (P=IE) ihre eigene Wärme. Daher muss man darauf achten, die Reglerschaltung so zu gestalten, dass die Verlustleistung der Diode nicht überschritten wird. Interessanterweise versagen Zenerdioden, wenn sie wegen zu hoher Verlustleistung ausfallen, in der Regel nicht offen, sondern kurzgeschlossen. Eine auf diese Weise ausgefallene Diode ist leicht zu erkennen: Sie fällt fast auf Null, wenn sie in beide Richtungen vorgespannt wird, wie ein Stück Draht.

Mathematische Analyse eines Zenerdioden-Regelkreises

Lassen Sie uns einen Zenerdioden-Regelkreis mathematisch untersuchen und alle Spannungen, Ströme und Verlustleistungen bestimmen. Wir nehmen dieselbe Schaltungsform wie oben gezeigt und rechnen mit einer Zener-Spannung von 12,6 Volt, einer Versorgungsspannung von 45 Volt und einem Vorwiderstand von 1000 Ω (wir betrachten die Zener-Spannung als genau 12.Wenn die Spannung der Zener-Diode 12,6 V und die Spannung der Stromversorgung 45 V beträgt, fallen 32,4 V über dem Widerstand ab (45 V – 12,6 V = 32,4 V). 32,4 Volt, die über 1000 Ω abfallen, ergeben einen Strom von 32,4 mA in der Schaltung. (Abbildung unten (b))

(a) Zener-Spannungsregler mit 1000 Ω-Widerstand. (b) Berechnung der Spannungsabfälle und des Stroms.

Die Leistung wird durch Multiplikation von Strom und Spannung berechnet (P=IE), daher können wir die Verlustleistung sowohl für den Widerstand als auch für die Zenerdiode recht einfach berechnen:

Eine Zenerdiode mit einer Leistung von 0.5 Watt wäre ausreichend, ebenso wie ein Widerstand, der für eine Verlustleistung von 1,5 oder 2 Watt ausgelegt ist.

Zener-Dioden-Schaltung mit höheren Widerständen

Wenn eine zu hohe Verlustleistung schädlich ist, warum dann nicht die Schaltung für eine möglichst geringe Verlustleistung auslegen? Warum nicht einfach den Widerstand für einen sehr hohen Widerstandswert dimensionieren und damit den Strom stark begrenzen und die Verlustleistung sehr gering halten? Nehmen Sie z. B. diese Schaltung mit einem 100 kΩ-Widerstand anstelle eines 1 kΩ-Widerstands. Beachten Sie, dass sowohl die Versorgungsspannung als auch die Zenerspannung der Diode in der folgenden Abbildung identisch mit dem letzten Beispiel sind:

Zener-Regler mit 100 kΩ-Widerstand.

Mit nur 1/100 des Stroms, den wir vorher hatten (324 µA statt 32,4 mA), sollten beide Verlustleistungswerte um den Faktor 100 kleiner sein:

Betrachtungen zum Lastwiderstand

Sieht ideal aus, oder? Weniger Verlustleistung bedeutet niedrigere Betriebstemperaturen sowohl für die Diode als auch für den Widerstand und auch weniger verschwendete Energie im System, oder? Ein höherer Widerstandswert reduziert zwar die Verlustleistung in der Schaltung, führt aber leider ein weiteres Problem ein. Denken Sie daran, dass der Zweck einer Reglerschaltung darin besteht, eine stabile Spannung für eine andere Schaltung bereitzustellen. Mit anderen Worten, wir werden irgendwann etwas mit 12,6 Volt versorgen, und dieses Etwas wird eine eigene Stromaufnahme haben.

Betrachtung des Vorwiderstands

Betrachten Sie unsere erste Reglerschaltung, diesmal mit einer 500 Ω-Last, die parallel zur Zener-Diode in der Abbildung unten angeschlossen ist.

Zener-Regler mit 1000 Ω Vorwiderstand und 500 Ω Last.

Wenn 12,6 Volt an einer 500 Ω Last anliegen, zieht die Last einen Strom von 25,2 mA. Damit der 1 kΩ-Vorwiderstand 32,4 Volt abfallen lässt (und damit die Spannung des Netzteils von 45 Volt auf 12,6 Volt über dem Zener reduziert), muss er noch 32,4 mA Strom leiten. Damit verbleiben 7,2 mA Strom durch die Zenerdiode.

Betrachtung des Vorwiderstands mit höherem Wert

Betrachten wir nun unsere „stromsparende“ Reglerschaltung mit dem 100 kΩ-Vorwiderstand, der die gleiche 500 Ω-Last versorgt. Sie soll genau wie die letzte Schaltung 12,6 Volt über der Last halten. Wie wir jedoch sehen werden, kann sie diese Aufgabe nicht erfüllen. (Abbildung unten)

Zener-Nicht-Regler mit 100 KΩ Vorwiderstand mit 500 Ω Last.>

Mit dem größeren Wert des Vorwiderstands ergibt sich nur eine Spannung von etwa 224 mV über der 500 Ω-Last, weit weniger als der erwartete Wert von 12,6 Volt! Warum ist das so? Wenn wir tatsächlich 12,6 Volt über der Last hätten, würde diese wie zuvor 25,2 mA Strom ziehen. Dieser Laststrom müsste wie zuvor durch den Vorwiderstand fließen, aber mit einem neuen (viel größeren!) Vorwiderstand an seiner Stelle würde die Spannung, die über diesem Widerstand mit 25,2 mA Strom abfällt, 2.520 Volt betragen! Da wir offensichtlich nicht so viel Spannung von der Batterie geliefert bekommen, kann das nicht passieren.

Analyse des Vorwiderstands ohne Zenerdiode

Die Situation ist leichter zu verstehen, wenn wir die Zenerdiode vorübergehend aus der Schaltung entfernen und das Verhalten der beiden Widerstände allein in der folgenden Abbildung analysieren.

Nicht-Regler mit entfernter Zener-Diode.

Beide, der 100 kΩ-Vorwiderstand und der 500 Ω-Lastwiderstand, liegen in Reihe zueinander, was einen Gesamtschaltkreiswiderstand von 100,5 kΩ ergibt. Bei einer Gesamtspannung von 45 Volt und einem Gesamtwiderstand von 100,5 kΩ ergibt sich nach dem Ohmschen Gesetz (I=E/R) ein Strom von 447,76 µA. Wenn wir die Spannungsabfälle über beiden Widerständen (E=IR) berechnen, kommen wir auf 44,776 Volt bzw. 224 mV.

Wenn wir die Zener-Diode an dieser Stelle wieder einbauen würden, würde sie ebenfalls 224 mV über sich „sehen“, da sie parallel zum Lastwiderstand liegt. Das ist weit unter der Zener-Durchbruchsspannung der Diode und daher wird sie nicht „durchbrechen“ und Strom leiten. Übrigens würde die Diode bei dieser niedrigen Spannung auch dann nicht leiten, wenn sie in Durchlassrichtung vorgespannt wäre! Die Diode hört also auf, die Spannung zu regeln. Es müssen mindestens 12,6 Volt anliegen, um sie zu „aktivieren“

Die analytische Technik, eine Zener-Diode aus einem Schaltkreis zu entfernen und zu sehen, ob genug Spannung vorhanden ist, um sie zum Leiten zu bringen, ist eine gute Methode. Nur weil eine Zener-Diode zufällig in einer Schaltung angeschlossen ist, ist nicht garantiert, dass immer die volle Zenerspannung an ihr abfällt! Denken Sie daran, dass Zenerdioden die Spannung auf einen Maximalwert begrenzen; sie können einen Mangel an Spannung nicht ausgleichen.

Regel im Zenerdioden-Regelbetrieb

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass jede Zenerdioden-Regelschaltung funktioniert, solange der Lastwiderstand gleich oder größer als ein Mindestwert ist. Wenn der Lastwiderstand zu niedrig ist, zieht er zu viel Strom, wodurch zu viel Spannung über den Vorwiderstand abfällt, so dass die Spannung über der Zenerdiode nicht ausreicht, um sie leitend zu machen. Wenn die Zenerdiode keinen Strom mehr leitet, kann sie die Spannung nicht mehr regeln und die Lastspannung fällt unter den Regelpunkt.

Berechnen des Lastwiderstandes für bestimmte Vorwiderstände

Unsere Reglerschaltung mit dem 100 kΩ Vorwiderstand muss jedoch für einen bestimmten Wert des Lastwiderstandes geeignet sein. Um diesen akzeptablen Lastwiderstandswert zu finden, können wir eine Tabelle zur Berechnung des Widerstands in der Zwei-Widerstands-Reihenschaltung (ohne Diode) verwenden, die bekannten Werte der Gesamtspannung und des Vorwiderstands einsetzen und für eine erwartete Lastspannung von 12.6 Volt:

Bei 45 Volt Gesamtspannung und 12,6 Volt über der Last sollten wir 32,4 Volt über dem Ableitwiderstand haben:

Mit 32.4 Volt über dem Vorwiderstand und einem Widerstand von 100 kΩ beträgt der Strom durch den Vorwiderstand 324 µA:

Da es sich um eine Reihenschaltung handelt, ist der Strom durch alle Komponenten zu jeder Zeit gleich:

Die Berechnung des Lastwiderstandes ist nun eine einfache Angelegenheit des Ohmschen Gesetzes (R = E/I) und ergibt 38.889 kΩ:

Wenn also der Lastwiderstand genau 38,889 kΩ beträgt, liegen an ihm 12,6 Volt an, Diode oder nicht. Jeder Lastwiderstand, der kleiner als 38,889 kΩ ist, führt zu einer Lastspannung, die kleiner als 12,6 Volt ist, Diode oder keine Diode. Mit der Diode wird die Lastspannung bei jedem Lastwiderstand größer als 38,889 kΩ auf maximal 12,6 Volt geregelt.

Mit dem ursprünglichen Wert von 1 kΩ für den Vorwiderstand konnte unsere Reglerschaltung die Spannung auch bei einem Lastwiderstand von nur 500 Ω ausreichend regeln. Durch den höherwertigen Vorwiderstand erhielten wir weniger Verlustleistung, auf Kosten der Erhöhung des akzeptablen minimalen Lastwiderstandswertes. Wenn wir die Spannung für niedrige Lastwiderstände regeln wollen, muss die Schaltung darauf vorbereitet sein, mit einer höheren Verlustleistung umzugehen.

Wie Zenerdioden die Spannung regeln

Zenerdioden regeln die Spannung, indem sie als komplementäre Lasten fungieren und je nach Bedarf mehr oder weniger Strom ziehen, um einen konstanten Spannungsabfall über der Last sicherzustellen. Dies ist vergleichbar mit der Regulierung der Geschwindigkeit eines Autos durch Bremsen statt durch Variieren der Drosselklappenstellung: Es ist nicht nur verschwenderisch, sondern die Bremsen müssen so gebaut sein, dass sie die gesamte Motorleistung aufnehmen können, wenn die Fahrbedingungen es nicht erfordern.

Trotz dieser grundsätzlichen Ineffizienz des Designs werden Zenerdioden-Reglerschaltungen aufgrund ihrer schieren Einfachheit häufig eingesetzt. Bei Anwendungen mit hoher Leistung, bei denen die Ineffizienzen inakzeptabel wären, werden andere Techniken zur Spannungsregelung eingesetzt. Aber selbst dann werden kleine Zener-basierte Schaltungen oft verwendet, um eine „Referenz“-Spannung bereitzustellen, die eine effizientere Verstärkerschaltung antreibt, die die Hauptleistung steuert.

Gängige Zenerdioden-Spannungen

Zenerdioden werden in den in der Tabelle unten aufgeführten Standard-Spannungswerten hergestellt. Die Tabelle „Common Zener diode voltages“ listet gängige Spannungen für 0,3W und 1,3W Teile auf. Die Wattzahl entspricht der Chip- und Gehäusegröße und ist die Leistung, die die Diode ohne Schaden ableiten kann.

Gängige Zenerdioden-Spannungen

Zenerdioden-Clipper: Eine Clipping-Schaltung, die die Spitzen der Wellenform ungefähr bei der Zenerspannung der Dioden abschneidet. In der Schaltung der Abbildung unten sind zwei Zeners in Reihe geschaltet, die sich gegenüberliegen, um eine Wellenform symmetrisch bei annähernd der Zenerspannung zu beschneiden. Der Widerstand begrenzt den von den Zenern aufgenommenen Strom auf einen sicheren Wert.

*SPICE 03445.eps D1 4 0 diode D2 4 2 diode R1 2 1 1.0k V1 1 0 SIN(0 20 1k) .model diode d bv=10 .tran 0.001m 2m .end 

Zenerdioden-Clipper:

Die Zener-Durchbruchsspannung für die Dioden wird durch den Diodenmodellparameter „bv=10“ in der Spice-Netzliste in der obigen Abbildung auf 10 V gesetzt. Dies bewirkt, dass die Zeners bei ca. 10 V clippen. Die Back-to-Back-Dioden clippen beide Peaks. Bei einer positiven Halbwelle ist der obere Zener in Sperrichtung vorgespannt und bricht bei der Zenerspannung von 10 V zusammen. Der untere Zener fällt um ca. 0,7 V ab, da er in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist. Ein genauerer Clipping-Pegel ist daher 10+0,7=10,7 V. Ein ähnliches negatives Halbperioden-Clipping tritt bei -10,7 V auf. (Abbildung unten) zeigt den Clipping-Pegel bei etwas mehr als ±10 V.

Zenerdioden-Clipper: v(1)-Eingang wird bei Wellenform v(2) beschnitten.

Rückblick:

• Zenerdioden sind für den Betrieb in Sperrvorspannung ausgelegt und bieten eine relativ niedrige, stabile Durchbruch- oder Zenerspannung, bei der sie beginnen, einen erheblichen Sperrstrom zu leiten.
• Eine Zener-Diode kann als Spannungsregler fungieren, indem sie als zusätzliche Last fungiert und mehr Strom von der Quelle zieht, wenn die Spannung zu hoch ist, und weniger, wenn sie zu niedrig ist.

VERWANDTE ARBEITSBLÄTTER:

• Arbeitsblatt Zener-Dioden
• Design-Projekt: DC-Spannungsregler Arbeitsblatt