Spannungs-Strom-Kennlinie zweier Z-Dioden

Z-Diode


Quellen:
U. Tietze, Ch. Schenk, Halbleiter – Schaltungstechnik, Springer-Verlag, Berlin, 2002
J. Grehn, J. Krause, "Metzler-Physik", Schroedel Verlag, 2002
P. Horowitz, W. Hill, The art of electronics, Cambridge University Press, 2005

Eine Z-Diode wird in Sperrrichtung betrieben. Dadurch können in elektronischen Schaltungen Spannungen begrenzt und stabilisiert werden.

In diesem Artikel wird erklärt wie eine Z-Diode funktioniert, anhand der Kennlinie die Eigenschaften der Z-Diode erläutert und Anwendungsgebiete in der Praxis vorgestellt.

Z-Diode - Infos und Kennlinie



Schaltzeichen der Z-Diode mit Bezeichnungen
Abb. 1: Schaltzeichen der Z-Diode mit Bezeichnungen.

Z-Dioden werden zur Span­nungs­be­grenzung und Span­nungs­stabi­lisierung eingesetzt. Abb. 1 zeigt das Schaltzeichen der Z-Diode.

Die Z-Diode wird in Sperrrichtung betrieben. Die Durch­bruch­span­nung UZ0 ist vom Hersteller ein­stellbar. So gibt es Z-Dioden in einem Bereich von etwa 2,4 V bis 70 V.

Die U-I-Kennlinie der Z-Diode in Abb. 2 ist in Durchlassrichtung identisch zu einer normalen Si-Diode. Die Schleusenspannung US beträgt etwa 0,7 V.

In Rückwärtsrichtung wird die Z-Diode ab der Spannung UZ0 leit­fähig. Je größer diese Spannung desto steiler ist die Kennlinie. Dies liegt an unterschiedlichen Durch­bruch­effekten (Zener-Effekt, Lawinen-Durchbrucheffekt) des Halbleitermaterials.

Spannungs-Strom-Kennlinie zweier Z-Dioden
Abb. 2: U-I-Kennlinie zweier Z-Dioden.

Z-Diode - Spannungsbegrenzung



Z-Diodenschaltung zur Spannungsbegrenzung
Abb. 3: Z-Diodenschaltung zur Spannungsbegrenzung.

Mit Hilfe eines Vorwiderstandes können Z-Dioden zur Span­nungs­be­grenzung eingesetzt werden (s. Abb. 3).

Der Vorwiderstand begrenzt dabei den Strom. So können beispielsweise Überspannungen an hochohmigen Mikrocontrollereingängen vermieden werden.

Vorwiderstand: $$R_V=\frac{U_1-U_{Z0}}{I_Z}$$

Die Schaltung zur Span­nungs­be­grenzung in in Abb. 4 hat zusätzlich einen Spannungs­teiler integriert. So können höhere Eingangsspannungen skaliert und gleichzeitig begrenzt werden.

Spannung, Strom, Leistung:

$$U_2=\frac{U_1\cdot R_2}{R_1+R_2}$$

$$I_V=\frac{U_{R1}}{R_1}~~~~~P_V=U_1\cdot I_V$$

Z-Diodenschaltung zur Spannungsbegrenzung mit Spannungsteiler
Abb. 4: Z-Diodenschaltung zur Spannungsbegrenzung mit Spannungsteiler.

Z-Diode - Spannungs­stabilisierung



Z-Diodenschaltung zur Spannungsstabilisierung
Abb. 5: Z-Diodenschaltung zur Spannungsstabilisierung.

Bei der Span­nungs­stabi­lisierung werden die vorherigen Schaltungen mit einem Widerstand belastet. Ziel ist es so auch unter Last eine stabile Spannung zu erreichen. Der Arbeitsbereich muss dabei jedoch dimensioniert werden.

Widerstand, max. Leistung, Strom:

$$R_V=\frac{U_1-U_{Z0}}{I_L+I_Z}$$

$P_{tot}=U_{Z0}\cdot I_{Zmax}~~~$  $I_{Zmin}=10~\% \cdot I_{Zmax}$

Aufgabe 1 Welche Aussage ist wahr?

Wähle die korrekten Aussagen aus.

Nenne einen Anwendungsbereich der Z-Diode.
Wähle beliebig viele Antworten.

  1. Strombegrenzung
  2. Spannungsbegrenzung
  3. Leistungsbegrenzung
  4. Spannungsstabilisierung


Nenne die Richtung in welcher eine Z-Diode betrieben wird.
Wähle eine Antwort.

  1. Durchlassrichtung
  2. von Plus nach Minus
  3. in konstruktiver Richtung
  4. Sperrrichtung



Nenne den Effekt einer niedrigen Durchbruchspannung.
Wähle eine Antwort.

  1. Zenereffekt
  2. Lawineneffekt
  3. Z-Effekt
  4. Quantenmechanischer Effekt


U1 = 10 V, UZ0 = 3 V, IZ = 3,5 mA. Bestimme RV.
Wähle eine Antwort.

  1. 0,5 kΩ
  2. 1 kΩ
  3. 2 kΩ
  4. 3,33 kΩ


U1 = 10 V, R1 = 2 kΩ, R2 = 2 kΩ. Berechne U2 und wähle UZ0.
Wähle eine Antwort.

  1. U2 = 2 V und UZ0 = 2,5 V
  2. U2 = 5 V und UZ0 = 2,5 V
  3. U2 = 5 V und UZ0 = 7,5 V
  4. U2 = 5 V und UZ0 = 5,6 V


U1 = 12 V, R1 = 6 kΩ, R2 = 2 kΩ. Berechne U2 und wähle UZ0.
Wähle eine Antwort.

  1. U2 = 2 V und UZ0 = 2,5 V
  2. U2 = 3 V und UZ0 = 3,5 V
  3. U2 = 5 V und UZ0 = 7,5 V
  4. U2 = 3 V und UZ0 = 2,6 V

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Aufgabe 2 Datenblatt und Kenngrößen

Bei der Z-Diode BZY 88/C7V5 beträgt Ptot = 360 mW. Der minimale Strom durch die Z-Diode soll 10 % des maximalen Stroms betragen. Berechne

  1. die Durchbruchspannung UZ0,
  2. den maximal zulässigen Strom IZmax durch die Z-Diode,
  3. den minimalen Strom IZmin durch die Z-Diode.
  4. Begründe, wieso der minimale Strom zur Spannungs­stabilisierung nicht unterschritten werden soll.
Schaltung Z-Diode

  1. Durchbruchspannung: $U_{Z0}=7,5~V$

  2. Maximal zulässiger Strom: $I_{Zmax}=\frac{P_{tot}}{U_{Z0}}=\frac{360~mW}{7,5~V}=48~$mA

  3. Minimaler Strom: $I_{Zmin}=10~\% \cdot I_{Zmax}=0,1\cdot 48~mA=4,8~$mA

  4. Bei Unterrscheitung des minimalen Stroms ist eine stabile Ausgangsspannung nicht mehr gewährleistet.

Aufgabe 3 Vorwiderstand

Schaltung Z-Diode mit Vorwiderstand

Die Z-Diode BZX 55/C6V8 (Ptot = 520 mW) wird mit einem Vorwiderstand an U1 = 12 V betrieben. Es fließt der Strom IZ = 15 mA. Berechnen Sie

  1. den Vorwiderstand RV,
  2. die Verlustleistung PV am Vorwiderstand,
  3. den maximal zulässigen Strom IZmax durch die Z-Diode.

  1. Vorwiderstand: $R_{V}=\frac{U_1-U_{Z0}}{I_Z}=346,7~\Omega$

  2. Verlustleistung am Vorwiderstand: $P_V=I_Z\cdot (U_1-U_{Z0})=78~$mW

  3. Maximal zulässiger Strom: $I_{Zmax}=\frac{P_{tot}}{U_{Z0}}=\frac{520~mW}{6,8~V}=76,57~$mA

Aufgabe 4 Spannungsstabilisierung

Gegeben sind UZ0 = 6,8 V, U1 = 15 V ±10%, IL = 26,5 mA, Ptot = 500 mW.

  1. Berechnen Sie den maximal zulässigen Strom IZmax durch die Z-Diode,
  2. Die maximale und minimale Eingangsspannung,
  3. den notwendigen Vorwiderstand.
Schaltung zur Spannungsstabilisierung

  1. Maximal zulässiger Strom: $I_{Zmax}=\frac{P_{tot}}{U_{Z0}}=\frac{500~mW}{6,8~V}=73,5~$mA

  2. Eingangsspannung: $U_{1max}=16,5~$V, $U_{1min}=13,5~$V

  3. Vorwiderstand:

    $R_{Vmin}=\frac{U_{1min}-U_{Z0}}{I_Zmax+I_L}=67~\Omega$

    $R_{Vmax}=\frac{U_{1max}-U_{Z0}}{I_Zmax+I_L}=97~\Omega$

    Man muß nun den größeren der beiden Widerstände wählen, damit der maximal zulässige Strom durch die Z-Diode in keinem Fall überschritten wird.

Aufgabe 5 Spannungsbegrenzung mit Spannungsteiler

Schaltung zur Spannungsbegrenzung mit Spannungsteiler

Die Eingangsspannung U1 = 18 V soll mit einem Spannungsteiler reduziert und auf einen Wert von U2 = 5 V begrenzt werden.

Der Widerstand R1 beträgt 12 kΩ.
  1. Berechnen Sie den notwendigen Widerstandswert R2.
  2. Berechnen Sie den Strom Iq.
  3. Berechnen Sie die Verlustleistung über R1 und R2.
  4. Welchen Wert empfehlen Sie für UZ0? Begründen Sie.

  1. Widerstandswert: $R_2=\frac{U_2R_1}{U_1-U_2}=4,61~k\Omega$

  2. Strom: $I_q=U_2/R_2=5~V/4,61~k\Omega=1,08~$mA

  3. Verlustleistung: $P_V=U_1\cdot I=U_1\cdot U_1/(R_1+R_2)=19,5~$mW

  4. Ein etwas hörere Wert für UZ0 verursacht, vorausgestzt die maximale Spannung beträgt 18 V, im Betrieb weniger Verluste.

Wortliste und Satzbausteine



$U_{Z0}$ die Durchbruch­spannung der Z-Diode
$I_Z$ der Strom durch die Z-Diode
$R_V$ der Vorwiderstand
$U_1$ die Eingangsspannung
$U_2$ die Ausgangsspannung
$P_V$ die Verlustleistung
$P_{tot}$ die maximale Verlustleistung, so dass das Bauteil thermisch nicht zerstört wird
$I_{Zmin}$ minimaler Z-Diodenstrom, so dass die Spannung noch stabil bleibt
$I_{Zmax}$ maximaler Z-Diodenstrom, so dass das Bauteil nicht zu hohe Verluste hat
die Spannungs­stabili­sierung, -en Schaltung welche trotz schwankender Last eine stabile Ausgangsspannung liefert
die Spannungs­begrenzung, -en Schaltung welche die Ausgangsspannung auf einen Maximalwert begrenzt und so schützt