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Eine Z Diode auch Zener Diode ist eine Diode die darauf ausgelegt ist dauerhaft in Sperrrichtung im Bereich der Durchbruchspannung betrieben zu werden Die Hohe dieser Durchbruchspannung UBR ist die Hauptkenngrosse einer Z Diode und ist im Datenblatt spezifiziert Erreicht wird das durch eine stark dotierte p und eine stark dotierte n Schicht Die starke Rekombination beider Schichten fuhrt zu einer sehr geringen Sperrschichtdicke und damit zu hohen Feldstarken im Bereich der Sperrschicht Eine Z Diode 1N829 im DetailEine typische Z DiodeFruher wurden diese Dioden nach dem amerikanischen Physiker Clarence Melvin Zener dem Entdecker des Zener Effekts Elektronen tunneln durch die Sperrschicht benannt Seit den 1970er Jahren wird der Name Z Diode empfohlen da nur fur geringe Durchbruchspannungen der Zener Effekt verantwortlich ist In Durchlassrichtung verhalten sie sich wie normale Dioden In Sperrrichtung sind Z Dioden bei geringen Spannungen sperrend genauso wie normale Dioden Ab einer gewissen Sperrspannung der so genannten Durchbruchspannung steigt der Strom innerhalb weniger hundert Millivolt um viele Grossenordnungen an Dieser Prozess hangt nicht z B im Gegensatz zum Diac von der Vorgeschichte ab d h bei Spannungsverringerung verringert sich dieser Strom auch wieder Daher sind Z Dioden zur Spannungsstabilisierung geringe Spannungsanderung bei grossen Stromanderungen eindeutige I U Kennlinie und zur Spannungsbegrenzung geeignet Auf Grund der geringen Sperrschichtdicke haben Z Dioden eine grosse Sperrschichtkapazitat sie haben viele Gemeinsamkeiten mit Kapazitatsdioden Schaltzeichen einer Z Diode zwischen Anode A und Kathode K Inhaltsverzeichnis 1 Durchbrucheffekte 2 Temperaturabhangigkeit 3 Ersatzschaltbild 4 Arbeitspunkt 5 Anwendung 6 Kennzeichnung 7 Siehe auch 8 Literatur 9 Weblinks 10 EinzelnachweiseDurchbrucheffekte Bearbeiten nbsp Kennlinien unterschiedlicher Z DiodenDie Durchbruchsspannung oder Z Spannung meist UBR von engl breakdown voltage seltener auch UZ liegt bei Z Dioden im Bereich 2 4 200 V erweiterter Bereich 1 8 300 V Beliebige hohere Spannungen sind durch Reihenschaltung erreichbar bidirektionale Z Dioden erhalt man durch Anti Reihenschaltung Wird nun UZ an die Diode in Sperrrichtung angelegt so ergibt sich der Strom durch die Diode aus der Formel I D I D B R I B R e U D U Z n B R U T displaystyle I D approx I D BR I BR cdot e frac U D U Z n BR cdot U T nbsp Bei niedrigen Z Spannungen unterhalb 3 V ist fur den Durchbruch der Zenereffekt mit seinem charakteristischen negativen Temperaturkoeffizienten ca 0 09 K und seinem vergleichsweise flachen Durchbruch dominant Bei hoheren Z Spannungen oberhalb von 5 V dominiert der Lawinendurchbruch Effekt engl avalanche effect mit seinem positiven Temperaturkoeffizienten ca 0 11 K und dem wesentlich steileren Durchbruch Bei Durchbruchspannungen zwischen 4 5 V und 5 V kompensieren sich die Temperaturkoeffizienten weitgehend Auf Grund der unterschiedlichen Steilheit der Kennlinien beider Effekte ist die Kompensation stromabhangig und funktioniert fur einen bestimmten Betriebsstrom weitgehend perfekt Fur hohere Strome verlagert sich dieser Punkt zu niedrigeren Spannungen hin Dieses Problem war schon Clarence Zener bekannt er schlug deshalb vor die zunachst allgemein als Zenerdioden genannten Dioden in Zener Dioden mit Durchbruchspannungen unter 5 V und in Z Dioden mit mehr als 5 V aufzuteilen Im Alltagsgebrauch hat sich der Begriff Z Diode als ubergreifende Bezeichnung von Zener und Avalanche Diode etabliert Beim Zener Effekt durchtunneln die Elektronen die extrem dunne Sperrschicht obwohl eigentlich keine Ladungstrager vorhanden sind Beim Lawinendurchbruch werden die wenigen vorhandenen Elektronen durch das elektrische Feld beschleunigt und losen durch Kollisionen weitere Elektronen aus dem Kristallgitter heraus In Folge ergibt sich eine lawinenartig ansteigende Ladungstragerkonzentration und damit eine lawinenartig steigende Leitfahigkeit Temperaturabhangigkeit Bearbeiten nbsp Temperaturkoeffizient im Bezug zur Z SpannungDie Angabe der Z Spannung UZ bezieht sich im Regelfall auf 300 K Der Temperaturkoeffizient k ϑ displaystyle k vartheta nbsp oder TC gibt dafur die relative Anderung der Z Spannung in Abhangigkeit von der Temperatur T an k ϑ T C 1 U Z U Z T displaystyle k vartheta TC frac 1 U Z cdot frac partial U Z partial T nbsp bei ID const In Datenblattern erfolgt haufig die Angabe des Temperaturkoeffizienten bezogen auf die Spannung in Millivolt pro Kelvin Die Umrechnung geschieht wie folgt S Z k ϑ U Z displaystyle S Z k vartheta cdot U Z nbsp Unterhalb von 7 V hangt der Temperaturkoeffizient deutlich vom Diodenstrom ab weswegen immer die Angabe des Nennstroms erforderlich ist Ubliche Werte sind TC UZ UZ 6 10 4 K 1 displaystyle approx 6 cdot 10 4 mathrm K 1 nbsp 3 3 V displaystyle 3 3 mathrm V nbsp 0 displaystyle approx 0 nbsp 5 1 V displaystyle 5 1 mathrm V nbsp 6 10 4 K 1 10 10 4 K 1 displaystyle approx 6 cdot 10 4 mathrm K 1 cdots 10 cdot 10 4 mathrm K 1 nbsp 47 V displaystyle 47 mathrm V nbsp Die Z Spannung und deren Anderung in Abhangigkeit von der Temperatur berechnet sich nach folgenden Formeln D U Z T k ϑ U Z T 300 K displaystyle Delta U Z T k vartheta cdot U Z cdot left T 300 mathrm K right nbsp U Z T U Z D U Z T U Z 1 k ϑ T 300 K displaystyle U Z T U Z Delta U Z T U Z cdot left 1 k vartheta cdot left T 300 mathrm K right right nbsp Der Zener Effekt hat einen negativen Temperaturkoeffizienten der Lawineneffekt einen positiven Bei ca 5 V sind beide Koeffizienten etwa gleich gross und heben sich gegenseitig auf Fur besonders langzeitstabile Referenzen wurde alternativ eine Serienschaltung einer Z Diode mit 6 2 bis 6 3 V und einem Temperaturkoeffizienten von 2 mV K und einer normalen Siliziumdiode oder Basis Emitterstrecke eines Transistors in Durchlassrichtung mit 2 mV K auf demselben Chip verwendet wodurch sich die Temperaturkoeffizienten aufheben 1 Als Referenzspannungsquellen in integrierten Schaltungen werden allerdings keine Z Dioden sondern Bandgap Referenzen benutzt da diese wesentlich preiswerter auf dem Chip zu integrieren sind Z Dioden wurden viele zusatzliche Prozessschritte erfordern wesentlich genauer und langzeitstabiler sind und vor allem bei geringen Spannungen z B bei 3 V arbeiten In Datenblattern werden gelegentlich Strom Spannungs Kennlinien angegeben d h die Kennlinien der Dioden bei 25 C und 125 C Ersatzschaltbild Bearbeiten nbsp ErsatzschaltungIn der Ersatzschaltung ist r z displaystyle r z nbsp der differentielle Widerstand der Zener Diode sein Wert liegt typischerweise im Bereich einiger Ohm Die Spannungsquelle U z 0 displaystyle U z0 nbsp reprasentiert die Zener Spannung der Diode Arbeitspunkt Bearbeiten nbsp Arbeitspunkt Z Diode 3 Quadrant in 1 Quadranten verlegt Der Arbeitspunkt der Diode ist das Wertepaar aus Spannung und Stromstarke das aufgrund der ausseren Beschaltung eingenommen wird Der Arbeitspunkt einer Z Diode befindet sich im Schnittpunkt der Diodenkennlinie und der Lastwiderstandskennlinie Im nebenstehenden Diagramm ist die Kennlinie mit einer lastabhangigen Versorgungsspannung dargestellt Abhangig von der Belastung stellen sich Arbeitspunkte mit unterschiedlichen Spannungen ein bei Volllast die niedrigste bei Leerlauf die hochste Spannung an der Z Diode Der Arbeitspunkt bewegt sich dabei zwischen den Punkten 1 und 2 Regelbereich wodurch auch eine entsprechende Schwankung des Zener Stromes IZ hervorgerufen wird Die untere Grenze des Regelbereiches ist durch den Knick der Kennlinie festgelegt und betragt ca 10 von Imax Mit einem veranderlichen Lastwiderstand kann der gesamte Regelbereich zwischen den Punkten 1 und 3 genutzt werden Anwendung BearbeitenIn der Regel werden Z Dioden in Sperrrichtung betrieben Anwendung finden sie bei der Spannungsbegrenzung beim Uberlastschutz und der haufigste Anwendungsbereich bei der Spannungsstabilisierung Gebrauchlich ist z B die Parallelregelung einer Spannung fur weitere elektronische Schaltungsteile die eine stabile Versorgungs oder Eingangsspannung benotigen Ein weiteres Beispiel ist die Zenerbarriere Weiterhin lassen sich Z Dioden sehr gut als Generator fur weisses Rauschen nutzen das durch den Lawineneffekt hervorgerufen wird nbsp Spannungsbegrenzung mit Z Diode nbsp Spannungsstabilisierung mit Z Diode nbsp Symmetrische Spannungsbegrenzung mit antiseriellen Z DiodenBei der Schaltung zur Spannungsbegrenzung sperrt die Z Diode fur Spannungen von 0 U e lt U Z displaystyle 0 leq U e lt U Z nbsp Die Ausgangsspannung U a displaystyle U a nbsp ergibt sich in diesem Bereich nur aus dem Vorwiderstand R V displaystyle R V nbsp und im Falle der Spannungsstabilisierung dem Lastwiderstand R L displaystyle R L nbsp Wenn die Z Diode bei U e U Z displaystyle U e geq U Z nbsp leitet liegt am Lastwiderstand maximal die Z Spannung U Z displaystyle U Z nbsp an Daraus ergibt sich die folgende Formel U a U a U e R L R V R L wenn U e lt U Z 1 R V R L U Z wenn U e gt U Z 1 R V R L displaystyle U a approx left begin matrix U a U e frac R L R V R L amp text wenn amp U e lt U Z cdot left 1 frac R V R L right U Z amp text wenn amp U e gt U Z cdot left 1 frac R V R L right end matrix right nbsp Am Beispiel einer Z Diode mit einer Z Spannung von UZ 10 V wurde das in etwa wie folgt aussehen nbsp Daraus ergibt sich eine Glattung Begrenzung der eigentlichen Eingangsspannung und damit eine Stabilisierung der Ausgangsspannung Diese werden uber den Glattungsfaktor G und den Stabilisierungsfaktor S beschrieben die sich aus den folgenden Formeln ergeben G U e U a 1 R V r Z R V R L r Z R V R L R V r Z displaystyle G frac partial U e partial U a 1 frac R V r Z frac R V R L stackrel r Z ll R V R L frac R V r Z nbsp rz ist der differentielle Widerstand der Z Diode der moglichst klein sein soll Mit den typischen Werten rz 5 W und Rv 1000 W werden Schwankungen der Eingangsspannung auch die Restwelligkeit auf 0 5 reduziert Relativer Stabilisierungsfaktor S S U e U e U a U a U a U e U e U a U a U e G U a R V U e r Z displaystyle S frac frac partial U e U e frac partial U a U a frac U a U e frac partial U e partial U a frac U a U e G approx frac U a R V U e r Z nbsp Die Symmetrische Spannungsbegrenzung funktioniert ahnlich wie die hier beschriebene Spannungsbegrenzung mit nur einer Z Diode Allerdings begrenzt sie auch negative Eingangsspannungen auf UZ Dazu kommt allerdings ein Spannungsabfall UD an der zweiten Z Diode die in diesem Fall leitend ist Dieser verhalt sich analog zum Spannungsabfall einer herkommlichen Diode Eine bessere Moglichkeit zur Spannungsstabilisierung liefern Spannungsregler welche die Spannung wesentlich praziser regeln konnen Kennzeichnung Bearbeiten nbsp Leistungs Zener Diode SZ 600 Kathode linksDas Gehause von Zener Dioden tragt an der Kathodenseite in der Regel einen Ring Die Kennzeichnung entspricht damit den Konventionen anderer Dioden Siehe auch Bearbeitenpin DiodeLiteratur BearbeitenUlrich Tietze Christoph Schenk Eberhard Gamm Halbleiter Schaltungstechnik 12 Aufl Springer 2002 ISBN 3 540 42849 6 Stefan Gossner Grundlagen der Elektronik 11 Auflage Shaker 2019 ISBN 978 3 8440 6784 2 Kapitel 5 Stabilisierungsschaltung mit Z Diode Weblinks Bearbeiten nbsp Commons Zener diodes Sammlung von Bildern Videos und Audiodateien Z Diode Erweiterungskurs und die Bandgap Referenz elektronik kompendium de Die Power Zenerdiode aus Z Diode und Transistor elektronik kompendium deEinzelnachweise Bearbeiten Fluke Corporation Hrsg Calibration Philosophy in Practice Everett Washington 1994 ISBN 0 9638650 0 5 Normdaten Sachbegriff GND 4190693 7 lobid OGND AKS Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Z Diode amp oldid 236942098