Die Z-Diode (Zener-Diode)

Eine Z-Diode ist eine spezielle Diode, die dafür entwickelt wurde, dauerhaft in Sperrrichtung betrieben zu werden. Ihre Hauptaufgabe ist es, eine Spannung zu stabilisieren (eine Referenzspannung zu erzeugen).

Schaltzeichen und Kennlinie

Das Schaltzeichen ähnelt einer normalen Diode, hat aber "geknickte" Striche an der Kathode, die ein "Z" andeuten.

Die Kennlinie zeigt das typische Verhalten: In Durchlassrichtung wie eine normale Diode, in Sperrrichtung bricht die Spannung bei der Z-Spannung \(U_Z\) schlagartig durch und wird konstant gehalten.

Funktionsweise

Wird die Z-Spannung in Sperrrichtung erreicht, wird die Diode leitend (Zener-Effekt oder Lawineneffekt). Sie hält dann die Spannung über sich selbst nahezu konstant auf dem Wert \(U_Z\), auch wenn der Strom durch sie in einem gewissen Bereich schwankt.

Die häufigste Aufgabe ist die Berechnung des passenden Vorwiderstands \(R_V\) für eine Stabilisierungsschaltung.

Berechnung des Vorwiderstands (\(R_V\))

1. Spannung am Widerstand berechnen: \(U_V = U_{ein} - U_Z\)
2. Gesamtstrom berechnen: \(I_{ges} = I_L + I_Z\) (Laststrom + Zenerstrom)
3. Widerstand berechnen: \(R_V = \frac{U_V}{I_{ges}}\)

Verlustleistung prüfen!

• Leistung des Widerstands: \(P_V = U_V \cdot I_{ges}\). Der gewählte Widerstand muss diese Leistung aushalten (z.B. 1/4W, 1/2W).
• Leistung der Z-Diode: \(P_Z = U_Z \cdot I_Z\). Dieser Wert muss kleiner sein als die maximale Verlustleistung \(P_{tot}\) aus dem Datenblatt.

Berechnungsbeispiel

Aufgabe: Eine unstabile Spannung von 12V soll auf stabile 5,1V für eine Last, die 20mA benötigt, stabilisiert werden.

1. Spannung am Widerstand: \(U_V = 12V - 5,1V = 6,9V\)
2. Gesamtstrom: \(I_{ges} = 20mA + 10mA = 30mA = 0,03A\) (Annahme: 10mA für die Z-Diode)
3. Vorwiderstand: \(R_V = \frac{6,9V}{0,03A} = 230\Omega\) (Man wählt den nächstgelegenen Wert aus der E-Reihe, z.B. 220Ω oder 240Ω)
4. Leistungs-Check: \(P_V = 6,9V \cdot 0,03A = 0,207W\). Ein Standard-Widerstand mit 1/4W (0,25W) ist ausreichend.