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Ausblick

Zenerdiode

Abb. 1 Schaltzeichen für die Zenerdiode
Jochim Herz Stiftung
Abb. 2 Kennlinie einer Zenerdiode

Bei normalen Siliziumdioden fließt beim Anlegen einer Sperrspannung nur ein kleiner Sperrstrom in der Größenordnung von einigen \({\rm{nA}}\). Wählt man die Sperrspannung jedoch groß genug, so werden Elektronen durch die starken elektrischen Kräfte aus den Gitterbindungen gerissen, wobei natürlich auch eine äquivalente Zahl von Löchern entsteht. Der Sperrstrom wächst schlagartig an, man spricht nach dessen Entdecker Clarence Melvin ZENER (1905 - 1993) vom sogenannten ZENER-Effekt. Erhöht man die Spannung weiter (etwa größer als ca. \(5\,{\rm{V}}\) in Sperrrichtung), so werden die beim ZENER-Effekt entstandenen Elektronen so stark beschleunigt, dass sie ihrerseits weitere Elektronen aus Bindung herausschlagen. Es kommt zu einem Lawineneffekt.

Normale Siliziumdioden werden bei zu hohen Sperrspannungen zerstört. Ein besonderer Diodentyp, die ZENER-Diode, hält jedoch die hohen Sperrspannungen aus. Für die ZENER-Dioden wählt man das gegenüber der normalen Diode ein leicht abgewandeltes Schaltzeichen (Abb. 1).

In Abb. 2 ist die Kennlinie der ZENER-Diode dargestellt. Im Durchlassbereich verhält sich die Zenerdiode wie eine gewöhnliche Siliziumdiode (Schwellenspannung bei ca. \(0{,}7\,{\rm{V}}\)). Im Sperrbereich knickt die Kennlinie bei der sogenannten ZENER-Spannung \({U_{\rm{Z}}}\) extrem steil ab. Im Handel sind ZENER-Dioden mit den verschiedensten Werten für \({U_{\rm{Z}}}\) erhältlich.

Spannungsstabilisierung

Jochim Herz Stiftung
Abb. 3 Typische Schaltung einer Zenerdiode zur Spannungsstabilisierung

In Sperrrichtung gepolte Zenerdioden benutzt man häufig zur Stabilisierung von Spannungen. Dies kann mit der in Abb. 3 gezeigten Schaltung nachgewiesen werden:

Die verwendete Zenerdiode besitzt eine Zenerspannung von \({U_{\rm{Z}}} = 5{,}6\,{\rm{V}}\). Der maximale Strom durch die Diode soll \({I_{{\rm{Z}}{\rm{,max}}}} = 40\,{\rm{mA}}\) nicht überschreiten.

Variiert man die Spannung \(U_1\) z.B. im Bereich von \(6\,{\rm{V}}\) bis \(10\,{\rm{V}}\), so zeigt die Spannung \(U_2\) immer den gleichen Wert von \(5{,}6\,{\rm{V}}\) an.

Erläuterung: An der Quelle mit der Spannung \(U_1\) liegt eine Serienschaltung aus Widerstand und in Sperrrichtung gepolter Zenerdiode. Kommt die an der Zenerdiode anliegende Spannung in den Bereich von \({U_{\rm{Z}}}\), so leitet die Diode (es wird der linke Knick in der Kennlinie erreicht) und es ist ein größerer Stromfluss möglich. Dadurch fällt am Widerstand \(R\) wegen \({U_{\rm{R}}} = I \cdot R\) eine größere Spannung ab und die Spannung an der Diode bleibt konstant.

Aufgabe

Berechne den Wert für \(R\) so, dass die obige Zenerdiode nicht zerstört wird.

Lösung

Die verwendete Zenerdiode besitzt eine Zenerspannung von \({U_{\rm{Z}}} = 5{,}6\,{\rm{V}}\). Der maximale Strom durch die Diode soll \({I_{{\rm{Z,max}}}} = 40\,{\rm{mA}}\) nicht überschreiten. Für die am Widerstand \(R\) abfallende Spannung gilt\[{U_{\rm{R}}} = {U_{{\rm{1,max}}}} - {U_{\rm{Z}}}\]Ersetzt man \({U_{\rm{R}}}\) durch das Produkt aus \(R\) und \({I_{{\rm{Z,max}}}}\) so lässt sich \(R\) berechnen:\[{I_{{\rm{Z,max}}}} \cdot R = {U_{{\rm{1,max}}}} - {U_{\rm{Z}}} \Leftrightarrow R = \frac{{{U_{{\rm{1,max}}}} - {U_{\rm{Z}}}}}{{{I_{{\rm{Z,max}}}}}} \Rightarrow R = \frac{{10\,{\rm{V}} - 5{,}6\,{\rm{V}}}}{{40 \cdot {{10}^{-3}}\,{\rm{A}}}} = 110\,{\rm{\Omega }}\]