Ratgeber
In der Elektronik müssen oftmals stabilisierte Spannungen in gleichbleibender Höhe erzeugt werden. Das kann beispielsweise bei einem Netzteil erforderlich werden, damit die angeschlossenen Verbraucher mit einer konstanten Spannung versorgt werden. Selbst dann, wenn die Spannung am Eingang des Netzteiles schwankt oder die Last am Ausgang und somit der momerntan benötigte Strom sich ändern.
Aber auch für Mess- und Regelaufgaben werden Spannungsquellen mit extrem stabilen Spannungswerten benötigt. In diesem Fall sprechen Fachleute von Referenzspannungsquellen, mit deren Hilfe sich selbst geringste Abweichungen von Messsignalen oder Sensorwerten leicht auswerten lassen.
Im einfachsten Fall werden elektrisch stabilisierte Spannungen sehr leicht mit Z-Dioden erzeugt. Wie das geht, was eine Z-Diode ist und wo der Unterschied zwischen Zener-Diode und Avalanche-Diode liegt, erklären wir Ihnen gerne.
Eine Avalanche-Diode oder Lawinen-Diode gehört, ebenfalls wie die Zener-Diode (nach dem amerikanischen Physiker Clarance Melvin Zener), zu der Gruppe der Z-Dioden. Allerdings steht der Buchstabe „Z“ bei der Bezeichnung Z-Dioden nicht für „Zener“, sondern das Z beschreibt vielmehr die Kennlinie dieser besonderen Art von Dioden. Doch unabhängig davon sprechen die meisten Leute von Zenerdioden, auch wenn es sich um eine Avalanche-Diode, also eine Diode mit Lawinen-Effekt und nicht mit Zener-Effekt handelt. Auf den Unterschied gehen wir im nachfolgenden Absatz noch etwas genauer ein.
Am einfachsten erkennt man die Besonderheit einer Z-Diode, wenn man sich zunächst die Kennlinie einer „normalen“ Silizium-Diode ansieht. Die Funktionsweise einer Diode haben wir in unserem Ratgeber zu den Elektronik-Bauteilen anhand einer Diode vom Typ 1N4148 anschaulich erklärt. Da die Kennlinie den Strom (I) bei unterschiedlichen Spannungen (U) darstellt, wird sie auch als Spannungs-Strom-Kennlinie (UI-Kennlinie) bezeichnet.
Die waagerechte Linie stellt die Spannung dar, wobei der rechte Teil für die Spannung in Durchlassrichtung bzw. Vorwärtsrichtung (UF für Forward) steht. In Durchlassrichtung ist die Spannung an der Anode höher, als an der Kathode. Ab einer Spannung von 0,6 bis 0,7 V beginnt die Diode zu leiten. Der Strom in die Vorwärtsrichtung (IF) beginnt zu fließen.
Auf der linken Seite kann die Spannung in Sperrrichtung bzw. Rückwärtsrichtung (UR) abgelesen werden. In diesem Fall ist die Spannung an der Kathode höher, als an der Anode. Da die Diode in dieser Richtung, abgesehen von einem minimalen Leckstrom, keinen Strom durchlässt, bleibt laut Datenblatt die Kennlinie für den Strom in der Nähe der Nulllinie.
Ab einem bestimmten Spannungswert (UDB), der von der Bauart der Diode abhängig ist, kommt es zum thermischen Durchbruch. Dann fließt in Rückwärtsrichtung ein schnell ansteigender Strom (IR), der die Diode aber unweigerlich zerstört.
Eine Zenerdiode hingegen verhält sich zunächst einmal wie eine „normale“ Diode. Demzufolge ist der rechte obere Teil der Kennlinie für den Durchlassbetrieb annähernd identisch zu normalen Siliziumdioden. Im Sperrbetrieb hingegen haben Zenerdioden eine durch die Bauart genau definierte Sperrspannung, bei der sie durchbrechen und dann auch in der Sperrrichtung einen Strom leiten.
Hersteller geben in den technischen Daten einer Avalanche- oder Z-Diode ganz genau an, bei welcher Durchbruchspannung der Lawineneffekt eintritt bzw. der Lawinendurchbruch stattfindet. Zudem wird in den technischen Daten auch der max. zulässige Strom (IR) oder alternativ die Verlustleistung angegeben, damit die Diode beim Lawineneffekt nicht durch einen zu hohen Strom zerstört wird. In der Praxis werden geeignete Vorwiderstände genutzt, um den Strom auf den vom Hersteller zulässigen Wert zu begrenzen.
Die grundsätzliche Funktion von Zener-Dioden und Avalanche-Dioden, also das Durchbrechen bei einer bestimmten Spannung, ist bei beiden Typen annähernd identisch. Trotzdem bestehen zwischen den Dioden feine Unterschiede.
Zenerdioden
Zenerdioden sind für eher kleine Durchbruchsspannungen bis ca. 5 Volt ausgelegt. Die Dioden sind stark dotiert und weisen am pn-Übergang einen schmalen Verarmungsbereich auf.
Dadurch wird bereits bei geringer Spannung eine hohe elektrische Feldstärke erreicht. Beim Erreichen der Zenerspannung bzw. Durchbruchspannung ist das elektrische Feld der im Bild grün dargestellten Grenzschicht (Verarmungsbereich bzw. Raumladungszone) stark genug, damit die Valenzelektronen in der p-dotierten Schicht ihre Atombindung aufgeben und zu freien Elektronen (e) werden.
Diese freien Elektronen bewegen sich (tunneln) dann zur n-dotierten Schicht und weiter in Richtung Kathode bzw. Pluspol.
Diese Elektronen stellen so den physikalischen Stromfluss (von Minus nach Plus) durch die Zener-Diode dar.
Avalanche-Dioden
Avalanche sind im Gegensatz zu Zenerdioden schwächer dotiert und haben eine wesentlich breiter ausgeformte Raumladungszone (siehe grüner Bereich). Demzufolge sind die möglichen Durchbruchsspannungen auch deutlich höher als 5 V und können mehrere hundert Volt betragen.
Aufgrund der hohen Spannung bzw. elektrischen Feldstärke werden beim Durchbruch die wenigen in der Verarmungszone vorhandenen freien Elektronen (e) stark beschleunigt.
Wenn ein beschleunigtes Elektron auf ein Atom trifft, wird ein weiteres gebundenes Elektron freischlagen (Stoßionisation), wodurch sich die Zahl der freien Elektronen erhöht.
Diese werden durch die anliegende Spannung ebenfalls beschleunigt und treffen auf weitere Atome. Dort spalten sie ebenfalls weitere Elektronen ab.
Durch diese Kettenreaktion beim Lawinen- bzw. Avalanche-Effekt steigt der Stromfluss in kürzester Zeit exponentiell an.
Durchbruchverhalten im Vergleich
Übrigens: Dieser lawinenartige Durchbruch findet auch bei normalen Dioden statt, wenn sie in Sperrrichtung überlastet und dadurch zerstört werden. Avalanche-Dioden hingegen sind für den Lawinendurchbruch ausgelegt und nehmen keinen Schaden, wenn die maximal zulässigen Stromwerte nicht überschritten werden.
Wenn man die Spannungs-Strom-Kennlinien von Avalanche-Dioden (rote Linie) und Zener-Dioden (blaue Linie) vergleicht, wird man feststellen, dass die Kennlinie einer Zener-Diode im Bereich der Durchbruchspannung (UDB) eher abgerundet ist.
Bei einer Avalanche-Diode hingegen entsteht beim Erreichen der Durchbruchsspannung durch den lawinenartigen Avalanche-Effekt fast schon eine Ecke in der Kennlinie.
Wenn bei einer Z-Diode die Durchbruchsspannung erreicht ist, reichen minimalste Spannungsanstiege aus, um den Strom durch die Diode drastisch zu erhöhen. Im Umkehrschluss bedeutet das aber auch, dass im Bereich der zulässigen Stromstärken die Durchbruchspannung immer gleichbleibend hoch ist.
Die Höhe dieser Spannung, als auch die zulässigen Ströme hat der Hersteller bei der Fertigung der Diode genau festgelegt und in den technischen Datenblättern dokumentiert. Aufgrund dieser Eigenschaft lässt sich mit einer Z.-Diode, wenn sie in Sperrrichtung betrieben wird, sehr leicht eine Spannungsstabilisierung realisieren.
Einfache Spannungsstabilisierung
Schaltungsaufbau
Im einfachsten Fall besteht diese aus der Z-Diode (DZ), einem Vorwiderstand (RV) und einem Lastwiderstand (RL), der in unserem Beispiel einen angeschlossenen Verbraucher simuliert.
Der Vorwiderstand muss einerseits entsprechend groß sein, damit der maximal zulässige Zener-Strom (IZ) nicht überschritten wird.
Auf der anderen Seite darf der Vorwiderstand nicht zu groß sein, damit der Minimalstrom, den die Zenerdiode benötigt, auch wirklich erreicht wird. Ansonsten findet an der Z-Diode keine Spannungsstabilisierung statt. Zudem muss ja auch noch der Laststrom (IL) über den Vorwiderstand fließen.
In unserem Schaltungsbeispiel soll aus der zur Verfügung stehenden Eingangsspannung (UE) von 12 V mit Hilfe einer Z-Diode eine stabilisierte Ausgangsspannung (UA) von 5,1 V generiert werden. Das bedeutet, über den Vorwiderstand müssen 6,9 V abfallen, wenn der Gesamtstrom (Iges) fließt.
Der Gesamtstrom wiederum setzt sich aus dem minimalen Diodenstrom (IZ), der den technischen Daten der Diode entnommen werden kann, und dem max. Laststrom (IL) des Verbrauchers zusammen.
Funktionsweise der Schaltung
Beim Einschalten der Eingangsspannung stabilisiert die Zener-Diode die Ausgangsspannung (UA) auf 5,1 V. Der Gesamtstrom, der über den Vorwiderstand fließt, teilt sich in den Diodenstrom (IZ) und den Laststrom (IL) auf.
Lastschwankung ausgleichen
Nehmen wir nun an, dass unser Verbraucher eine Schaltung mit mehreren LEDs beinhaltet. Demzufolge wird der tatsächliche Laststrom höher sein, wenn die LEDs leuchten, und niedriger, wenn sie aus sind. Da sich aber an den Spannungsverhältnissen in unserer Stabilisierungsschaltung nichts ändert, beleibt der Gesamtstrom über den Vorwiderstand immer gleich. Deshalb muss der vom Verbraucher nicht benötigte Strom eben zusätzlich über die Z-Diode fließen.
Eingangsschwankung ausgleichen
Wenn die Eingangsspannung ansteigen sollte, wird auch die Spannung über dem Vorwiderstand ansteigen. Dies hat dann einen höheren Gesamtstrom zur Folge. Da die Spannung am Ausgang und damit auch der Ausgangsstrom (IL) unverändert bleiben, muss die Z-Diode den zusätzlichen Stromanteil mit übernehmen. Sinkt die Eingangsspannung, fließt über den Vorwiderstand und die Z-Diode weniger Strom.
Anhand des Regelverhaltens lässt sich sehr leicht erkennen, dass die aufgezeigte Stabilisierung vorzugsweise für Schaltungen mit geringem Strombedarf und ohne große Spannungsschwankungen geeignet ist. Falls ein erweiterter Regelbereich, hohe Ströme und mehr Leistung benötigt werden, kann ein zusätzlicher Leistungstransistor die Lösung sein.
Spannungsstabilisierung mit Z-Diode und Transistor
Wie im zuvor gezeigten Beispiel hat auch hier die Z-Diode einen Vorwiderstand (RV).
Über den Vorwiderstand fließt neben dem Diodenstrom IZ nur noch der geringe Basisstrom des Transistors.
Die Funktionsweise eines Transistors haben wir ebenfalls in unserem Ratgeberbereich zu den Elektronik-Bauteilen am Beispiel eines Kleintransistors vom Typ BC547 anschaulich erklärt.
Die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors wirkt wie ein veränderbarer Widerstand, damit abhängig vom Laststrom immer die korrekte Ausgangsspannung anliegt.
Funktionsweise der Schaltung
Die Funktion der Schaltung ist recht simpel. Mit Hilfe der Z-Diode wird die Basis des Transistors (T1) auf die vorgegebene Sperrspannung der Z-Diode stabilisiert. Der Emitterwiderstand (RE) sorgt dafür, dass bei offenem Ausgang, also ohne einen Lastwiderstand (RL), ein geringer Basis-/Emitter-Strom fließen kann und somit die Ausgangsspannung (UA) zur Verfügung steht. Da am pn-Übergang der Basis-/Emitter-Strecke des Transistors rund 0,7 V abfallen, muss die Z-Diode eine genau um 0,7 V höhere Spannung aufweisen, als die geplante Ausgangsspannung sein soll. Der niederohmige Kollektorwiderstand (RC) dient lediglich zum Schutz des Transistors, falls am Ausgang ein Kurzschluss auftritt.
Beim Einschalten der Eingangsspannung (UE) wird die Spannung am Ausgang auf einem stabilen Wert gehalten, der um 0,7 V geringer ist, als die Durchbruchsspannung der verwendeten Z-Diode. Wenn am Ausgang kein Lastwiderstand angeschlossen ist, fließt lediglich über den Emitterwiderstand ein geringer Strom. In diesem Fall wird die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors einen großen Widerstand aufweisen, damit die Ausgangsspannung nicht zu groß wird.
Wenn nun an den Ausgang ein niederohmig ausgelegter Verbraucher (RL) angeschlossen wird, sinkt die Ausgangsspannung etwas ab, da der Transistor ohne Last am Ausgang ja verhältnismäßig hochohmig ist. Dadurch wird der Spannungsunterschied zwischen der Basis und Emitter größer und der Transistor leitet stärker. Das bedeutet, die Kollektor-/Emitter-Strecke wird niederohmiger und der Spannungsabfall über den Transistor wird etwas geringer. Dadurch steigt die Spannung am Ausgang wieder auf den ursprünglichen Wert an.
Wenn die Last am Ausgang und somit auch der Laststrom geringer werden, steigt die Spannung am Ausgang leicht an. Dadurch wird die Basis-/Emitter-Spannung geringer und der Transistor in Folge davon hochohmiger. Oder anders ausgedrückt, er sperrt mehr. Die Kollektor-/Emitter-Spannung wird größer, wodurch die Ausgangsspannung wieder auf den Sollwert zurückgeregelt wird.
Spannungsschwankungen am Eingang werden durch die Z-Diode kompensiert, indem bei gleichbleibender Durchbruchspannung ein etwas höherer oder geringerer Strom durch die Diode fließt.
Z-Diode als Überspannungsschutz
Ein weiterer praktischer Einsatzbereich von Z-Dioden ist der Überspannungsschutz bzw. die Spannungsbegrenzung. Dazu werden die Dioden (D1 und D2) einfach parallel am Eingang einer Schaltung oder eines Verbrauchers (DEVICE) angebracht und schließen so übermäßig hohe Spannungsspitzen oberhalb der Durchbruchspannung (Z-Spannung) einfach kurz.
Oft werden die Dioden zusammen mit Kondensatoren (C), Induktivitäten (L) und Sicherungen (Si) kombiniert, um die Effektivität beim Überspannungsschutz zu optimieren.
Wie werden die unterschiedlichen Z-Spannungen bei Z-Dioden erreicht?
Hersteller erreichen die unterschiedlichen Z-Spannungen durch einen individuellen Aufbau der Halbleiterschicht und durch die unterschiedliche Dotierung. Bis zu einer Z-Spannung von 5 V tritt der Zener-Effekt ein. Bei einer Z-Spannung von über 6 V wirkt der Lawinen-Effekt.
Was bedeutet Dotierung?
Unter Dotierung verstehen Fachleute die gezielte Einbringung von Fremdatomen in hochreine Halbleiterkristalle, um die elektrische Leitfähigkeit gezielt beeinflussen zu können.
Was versteht man unter differentiellem Widerstand?
Da die Kennlinie einer Z-Diode keine gerade Linie bildet, gilt für die Diode das ohmsche Gesetz nicht. Der Maß der Stromänderung aufgrund einer geringen Spannungsänderung wird als differentieller Widerstand bezeichnet. Wenn bei steigender Spannung die Stromstärke zunimmt, sprechen Fachleute von einem positiven differentiellen Widerstand. Es gibt aber auch Bauteile, wie beispielsweise Glimmlampen, bei denen bestimmte Teile der UI-Kennlinie einen negativen differentiellen Widerstand aufweisen. Bei einem negativen differentiellen Widerstand sinkt der Strom, obwohl die Spannung steigt.