Zener-Dioden unterscheidet man hinsichtlich ihrer Zener-Spannung und der maximalen Verlustleistung. In der Regel wird man Zener-Dioden mit einer maximalen Verlustleistung von 0,5, 1 oder 5 Watt einsetzen. Für jede Zener-Spannung und Verlustleistung hat eine Zener-Diode eine eigene Bezeichnung.
Z-Dioden eignen sich am besten zur Spannungsstabilisierung in Schaltungen mit kleinem Stromverbrauch. Aber auch die Spannungsbegrenzung von Spannungsspitzen ist eine Möglichkeit.
Grundlagen, Grundschaltung und ein Dimensionierungs- und Berechnungsbeispiel:
Typischerweise werden Z-Dioden zur Stabilisierung von pulsierenden Gleichspannungen oder zum Einstellen von Bezugsspannungen verwendet.
Oft spricht man von einer „Zener-Diode“, obwohl diese nicht auf dem Zener-Effekt beruht. Deswegen gibt es die Bezeichnung „Z-Diode“.
Dieser Elektronik-Minikurs befasst sich mit den Eigenschaften von Zenerdioden und zeigt mit einem Diagramm die Abhängigkeit von Temperatur und Strom. In diesem Zusammenhang werden Vor- und Nachteile der Serienschaltung von Zenerdioden für DC-Anwendungen erklärt. Leistungs-Zenerdioden werden an einem sehr praktischen Beispiel gezeigt: Eine Z-Dioden-Stabilisierung für die Fahrradbeleuchtung. Zwei Zenerdioden, gegenpolig in Serie, begrenzen die Dynamo-Wechselspannung, damit die kleine Birne mit niedriger Leistung im Rücklicht nicht auch noch durchbrennt, wenn die vordere stärkere Birne der Scheinwerferlampe das Zeitliche segnet. Es gibt auch spezielle hochstabile Referenzelemente, die nach dem Zenerprinzip arbeiten und es gibt Referenzelemente nach einem völlig andern, dem sogenannten Bandgap-Prinzip. Und damit kommen wir zum eigentlichen Update nach dieser kleinen Einführung.
Das Kapitel DIE BANDGAP-SPANNUNGSREFERENZ wurde vollständig neu überarbeitet und erweitert. Im Fokus ist die Bandgap-Referenz LM385 von National-Semiconductor. Beim LM385 kann man die Referenzspannung mit einprozentigen Widerständen mit niedrigem Temperaturkoeffizienten selbst dimensionieren. Der LM385-1.2 liefert eine fixe Referenzspannung von 1.2 VDC und der LM385-2.5 eine von 2.5 VDC. Man kann diese Bandgap-Referenzen in einem Strombereich von 20 µA bis 20 mA einsetzen, mit einer Spannunsgabweichung von nur 20 mV. Das sind 0.8% in Bezug auf die Referenzspannung von 2.5 VDC. Bei einer Stromänderung zwischen 20 µA und 1 mA sind es maximal nur 2 mV, entsprechend 0.08%. Ich weise dabei auch daraufhin, die Datenblätter stets genau zu lesen. In den Diagrammen findet man wichtige Informationen, die einem vorenthalten sind, wenn man sie nicht zur Kenntnis nimmt. Das sind Stolpersteine, die es zu vermeiden gilt. So steigt der minimale Strom auf gut 60 µA, wenn man den LM385 auf +5 VDC dimensioniert. Es empfiehlt sich ein minimaler Strom von 0.1 mA zu dimensionieren.
Es gibt auch sehr praktische Anwendungsmöglichkeiten den LM385 als Spannungsquelle für kleine Schaltungen mit niedriger Leistung einzusetzen. In diesem Zusammenhang wird in Bild 7 der LM385 dem LM317L ( L = Lowpower-Version) mit Vor- und Nachteilen gegenübergestellt. Bild 8 stellt zwei praktische Anwendungen vor: Die Speisung einer akkubetriebenen Kleinschaltung und die symmetrische Speisung eines Hallsensors, der in einem Stromsensorprojekt zum Einsatz kommt. Diese Beispiele dienen zur Anregung von eigenen Ideen. Viel Spaß mit Bandgap-Spannungsreferenzen.
Zenerdioden (Z-Dioden) setzt man dort ein, wo Spannungen begrenzt werden müssen, wobei besonders hohe Präzision und sehr kleine Spannungstoleranzen eher nicht gefragt sind.
Wenn man eine Spannung begrenzen will bei der Leistung eine Rolle spielt, benötigt man eine Z-Diode, die in der Lage ist genügend hohe Leistung zu verarbeiten. Es gibt bei Farnell teure Leistungs-Z-Dioden bis 75 Watt. Es gibt allerdings eine preiswertere Methode aus einer Kombination mit einer kleinen Z-Diode und zwei Transistoren, wobei der eine dieser beiden ein Leistungstransistor sein muss. Mit dieser Methode ist man auch nicht von schwierig erhältlichen Leistungs-Z-Dioden abhängig und man ist sehr flexibel in der Gestaltung von Begrenzungsspannung und zulässiger Verlustleistung. Davon handelt dieser Elektronik-Minikurs.
Dieser Elektronik-Minikurs erweitert von Patrick Schnabel den Grundlagenkurs über Z-Dioden. Dort geht es um die elektronische Grundlage der Zener-Diode (Z-Diode). In einem Diagramm wird gezeigt, wie die Z-Diode arbeitet. Die Zener-Schwellwertspannung im Normalbetrieb in der Sperrrichtung und der Durchflussspannungswert wenn die Z-Diode im Durchflussbetrieb arbeitet:
Hier geht es um zusätzliche Erkenntnisse über Z-Dioden. Zuerst lernen wir, dass man auch Wechselspannungen (AC-Spannungen) stabilisieren kann, vorausgesetzt allerdings, dass die Form der Amplitude irrelevant ist.
Neu in diesem Update: Es wird eine sehr praktische Anwendung gezeigt, welche verhindert, dass das Fahrradrücklicht kaputt geht, wenn die stärkere Frontlampe durchbrennt.
Danach geht es um den differenziellen Widerstand und um den Temperaturkoeffizienten der Z-Diode. Dies sind zwei wichtige Parameter. Die Präzisions-Z-Diode und die Bandgap-Spannungsreferenz runden diesen Elektronik-Minikurs ab.