Z-Diode-Erweiterungskurs und die Bandgap-Referenz
(WICHTIG: Unbedingt zur Kenntnis nehmen!)
(WICHTIG: Unbedingt zur Kenntnis nehmen!)
Einleitung
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. Es wird dabei die einfachste Form der
Spannungsstabilisierung, bestehend aus Widerstand und Z-Diode,
vorgestellt.
Hier geht es um zusätzliche Erkenntnisse über Z-Dioden. Als nächstes
lernen wir, dass man auch Wechselspannungen (AC-Spannungen)
stabilisieren kann, vorausgesetzt allerdings, dass die Form der
Amplitude irrelevant ist. 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.
Dioden und Z-Dioden begrenzen auch Wechselspannungen
Wie man es mit Kleinsignaldioden (z.B. 1N914 oder 1N4148) oder auch mit Leistungsdioden (z.B. 1N4001) anstellt, zeigt Bild 1. Es werden zwei solcher Dioden antiparallel geschaltet und mit dem Vorwiderstand Rv den Strom begrenzt. Bei der positiven Halbwelle begrenzt Diode D1 mit ihrer Durchflussspannung, bei der negativen Halbwelle tut es die Diode D2. Die trapezartige Ausgangsspannung hat bei Silizium-Dioden einen Wert von etwa 1.3 Vpp. Bei der Verwendung von Germanium-Dioden (z.B. 1N270) sind es etwa 0.5 Vpp. Eine praktische Anwendung dieser Begrenzerschaltung mit Silizium-Kleinsignaldioden findet man in meinem Elektronik-Minikurs:
Bild 2 zeigt die Methode mit Z-Dioden. Genauso wie bei der
DC-Spannungsanwendung werden auch bei der AC-Spannungsanwendung
die Z-Dioden in Sperrrichtung betrieben. Daher muss man zwei solche
Z-Dioden antiseriell und nicht antiparallel schalten. Antiparallel
hätten sie die selbe Wirkung wie Dioden. Die Durchlassspannungen würden
beide Halbwellen begrenzen.
In der antiseriellen Schaltung, wie Bild 2 zeigt, fliesst bei der
positiven Halbwelle der Strom über Rv durch die Z-Diode Z1 (es begrenzt
die Z-Spannung) und durch die Z-Diode Z2 (es begrenzt die
Durchflussspannung). Es addieren sich diese beiden Spannungswerte. Bei
der negativen Halbwelle arbeitet Z1 im Durchfluss- und Z2 im
Zenerspannungsbetrieb. Bei identischen Z-Dioden hat man am Ausgang eine
symmetrische trapezartige Ausgangsspannung.
Bei der Verwendung von Z-Dioden, im Z-Spannungsbereich von etwa 6 bis 9
V, hat man einen relativ scharfen Begrenzungsknick und eine besonders
konstante Z-Spannung, während die Sinusspannung ihre Amplitude
durchläuft. Warum dies so ist, erklärt weiter unten der Abschnitt
Der differenzielle Widerstand und der Temperaturkoeffizient.
Z-Dioden-Stabilisierung für die Fahrradbeleuchtung
Die traditionelle Fahrradbeleuchtung besteht aus einem kleinen
Scheinwerfer mit einer Glühbirne mit 6V/0.4A und einem Rücklicht mit
einer kleineren Glühbirne mit 6V/0.05A. Als Spannungsquelle dient ein
Dynamo, angetrieben am Gummipneu des Vorderrades. Brennt die vordere
leistungsfähigere Glühbirne durch, dann passiert das selbe kurz darauf
der hinteren, weil diese eine viel zu hohe Dynamospannung abkriegt, denn
mit einem Strom von nur 50 mA ist der Dynamo viel zu gering belastet.
Diesem Problem kann man wirkungsvoll begegnen, in dem man parallel zu
den Dynamoanschlüssen zwei kleine Leistungs-Z-Dioden in Serie schaltet,
die dafür sorgen, dass die AC-Spannung des Dynamo auf etwa 6 Veff
begrenzt wird, wenn dieser un- oder zuwenig belastet ist.
Bei einer sinusförmigen AC-Spannung von 6 Veff, beträgt die
Scheitelspannung 8.5 Vp. Wenn man zwei Z-Dioden mit einer Zenerspannung
von je 6.2 V wählt, wird die AC-Spannung auf rund 7 Vp begrenzt. Die
effektive Spannung ist allerdings etwas niedriger, aber nicht so viel,
weil wir es hier mit einer trapezartigen und nicht mit einer
sinusartigen Spannung zu tun haben. Die effektive Spannung liegt etwas
oberhalb des Wertes von 6 Veff. Wenn beide Lampen funktionieren,
belasten die Z-Dioden den Dynamo nur wenig bis fast gar nicht. Fast gar
nicht heisst, dass die Spitzenwerte immer etwas beschnitten werden, aber
das alles ist ja auch von der Fahrgeschwindigkeit abhängig. Wenn man
Z-Dioden mit einer Spannung von 6.2 V und einer Leistung von 5 W wählt,
ist man gut bedient. Ich baute vor vielen Jahren eine solche Kombination
einem Fahrrad ein und es funktioniert bis heute prima. Es ging dabei um
ein Fahrrad, dessen Dynamoantrieb an den Gummipneu des Vorderrades
gekoppelt ist. Ob diese Methode auch bei einem modernen Nabendynamo
durchführbar ist, weiss ich nicht.
Der differenzielle Widerstand und der Temperaturkoeffizient
Auf der X-Achse ist die Z-Spannung eingetragen. Es werden dabei Z-Dioden
mit Z-Spannungen im Bereich 2.4V (BZX79-C2V4) bis 33V (BZX79-C33V)
analysiert. Die Daten zu diesem Diagramm sind aus einem Datenblatt von
SGS-THOMSON abgeleitet. Auf der linken Y-Achse ist der differenzielle
Widerstandsbereich und auf der rechten Y-Achse ist der
Temperaturkoeffizientenbereich eingetragen.
Betrachten wir zuerst die Kurve des differenziellen Widerstandes
rDIFF. Wie bereits angedeutet, ist dieser
Widerstandswert im Bereich der Z-Spannungen von 6 bis 9 Volt am
niedrigsten. Dies bedeutet, dass Z-Dioden des Types 6V4, 7V5 und 8V2
sich besonders dann eignen, wenn es auf eine stabile Spannung ankommt,
die möglichst wenig von Z-Stromänderungen, bzw. von Spannungsänderungen
vor dem Vorwiderstand, beeinflusst werden soll.
Betrachten wir jedoch auch die Kurve des Temperaturkoeffizienten TK,
dann stellt man sogleich fest, dass es, wie im praktischen Alltag, auch
hier nicht möglich ist, den Batzen und das Brötchen zu bekommen. Den
geringsten TK-Wert ist mit etwa 5.2 V nämlich dort, wo der
differenzielle Widerstand etwa vier mal grösser ist als sein minimalster
Wert. Das Optimum für beide Werte liegt bei etwa 5.6 V, also für eine
Z-Diode des Types BZX79-C5V6.
Die Serieschaltung von Z-Dioden
Um höehere Z-Spannungen zu erzeugen, kann man eine Z-Diode mit einer
hohen Z-Spannung benutzen oder man schaltet mehrere Z-Dioden mit
niedrigeren Z-Spannungen in Serie. Diese zweite Methode ist teurer,
jedoch bringt sie besonders betreffs Temperaturkoeffizienten klare
Vorteile. Wie wir im Beispiel des folgenden Abschnittes sehen, kann die
Serieschaltung auch für den differenziellen Widerstand vorteilhaft
sein.
Eine 33V-Z-Diode hat einen differenziellen Widerstand von 35 Ohm und
einen Temperaturkoeffizienten von +30 mV/K. Verwendet man anstelle
dieser Z-Diode vier in Serie geschaltete 8V2-Z-Dioden beträgt der
differenzielle Widerstand 24 Ohm und der Temperaturkoeffizient +18
mV/K.
Bevorzugt man einen möglichst geringen Temperaturkoeffizienten, kann man
drei 3V9-Z-Dioden und drei 6V4-Z-Dioden in Serie schalten. Der
resultierende Temperaturkoeffizient ist praktisch 0 mV/K, abgesehen von
Exemplarstereuungswerten. Der differenzielle Widerstand beträgt dann
allerdings rund 130 Ohm. Die Z-Spannung beträgt etwa 31 Volt, wobei
diese Z-Spannung sehr empfindlich auf Z-Strom-Unterschiede ist, bei
diesem doch recht hohen differenziellen Widerstand.
Fazit: Da der Temperaturkoeffizient auch negative Werte haben kann, ist
es leicht möglich, durch geschickte Auswahl, den resultierenden Wert
fast auf Null zu kompensieren. Betreffs resultierendem differenziellen
Widerstand hat man eher Nachteile zu verkraften. Im folgenden Kapitel
befassen wir uns mit hochpräzisen Referenzelementen, welche ebenso nach
dem Z-Dioden-, allerdings auch nach dem Bandgapprinzip arbeiten. Solche
Elemente sind bei Präzisionsanwendungen den Z-Dioden unbedingt
vorzuziehen.
Präzisions-Z-Dioden
Es gibt temperaturdriftkompensierte Zener-Referenzen. Diese Referenzelemente haben um einen zehn- bis hundertfachen geringeren differenziellen Widerstand als herkömmliche passive Z-Dioden. Diese Referenzelemente können wie herkömmliche Z-Dioden beschaltet werden. Nehmen wir z.B. LM329A mit seinen Spitzendaten:
Betriebsstrombereich: 0.6 mA bis 15 mA
Referenzspannung: 6.9 V (typisch)
Differentieller Widerstand: 0.6 Ohm (typisch)
Langzeitstabilität (1000 Std): 20 ppm (typisch)
Temperatur-Koeffizient: 6 ppm/K = 0.04 mV/K (typisch)
Es gibt noch weitere hochpräzise Zener-Referenzelemente. Solche welche zwar nach dem Zenereffekt arbeiten, jedoch nicht als Z-Dioden in der Anwendung konzipiert sind. Sie haben drei Anschlüsse. Zwei dienen der Speisung ohne Vorwiderstand und der dritte ist die Rereferenzausgangsspannung. Diese Spannung ist hochpräzise z.B. auf 10.000 Volt lasergetrimmt. Solche Referenzelemente braucht man z.B. als Spannungsreferenz für eine sehr genaue Digitalisierung elektrischer Spannungswerte von irgendwelchen physikalischen Sensoren. Als Vetreter solcher Hochpräzisionsspannungsreferenzen wäre der LM169 zu nennen. Auch dieser arbeitet nach dem Prinzip der TK-kompensierten Zenerspannung.
Was bedeutet der differenzielle Widerstand?
Bild 5 zeigt eine Ersatzschaltung. Rz ist Teil der realen Z-Diode, welche punktiert umramt ist. Die reale Z-Diode besteht aus Rz und Uz. Ohne Rz wäre die Z-Spannung am Ausgang Ua, unabhängig von einer Änderung des Z-Stromes, absolut konstant. Ändert sich jedoch der Strom in einer realen Z-Diode, so ändert sich auch die Spannung über Rz. Je grösser Rz ist, um so grösser ist auch die von der Z-Stromänderung ahängige reale Z-Spannungsänderung an Ua. Oder: Je gringer das Verhältnis von Rv/Rz ist, um so grösser ist die von der Eingangspannungsänderung abhängige Z-Spannungsänderung an Ua.
Die Bandgap-Spannungsreferenz
Für niedrige Referenzspannungen bietet sich ein anderes Prinzip an, das sogenannte Bandgap-Prinzip, dass hier kurz beschrieben wird:
Bild 6 zeigt die stark vereinfachte Version einer
Bandgap-Spannungsreferenz. T1 arbeitet mit einem relativ hohen
Kollektorstrom. Der Kollektorstrom durch T2 ist etwa zehn mal niedriger
als der durch T1. Die Differenz der beiden
Basis-Emitter-Schwellenspannungen von T1 und T2 liegt über R3. Wenn T1
und T2 hohe Stromverstärkungen besitzen, wird die Spannung über R2
proportional zur Spannung über R3 verstärkt. T3 arbeitet als
Verstärkerstufe und reguliert die Ausgangsspannung zwischen Kollektor
und Emitter auf einen Wert der sich aus seiner
Basis-Emitter-Schwellenspannung und dem Spannungsabfall über R2
zusammensetzt. Die Basis-Emitter-Schwellenspannung von T3 hat einen
negativen TK, während der Spannungsabfall über R2 einen positiven TK
hat. Die Spannung über dem Referenzelement ist TK-kompensiert, wenn die
Summe der beiden Spannungen gleich gross ist wie die sogenannte
Energie-Bandgap-Spannung.
Dies ist ein kleiner übersetzter Ausschnitt aus der Application-Note
AN-56 von National-Semiconductor.
Für weitergehendes Studium in die Bandgaptechnik empfehle ich AN-56 und
andere geeignete Literatur. Auch im Elektronikstandardwerk
Halbleiter-Schaltungstechnik von U.Tietze und Ch.Schenk findet
man einiges zu diesem Thema.
Doch nun ist es aber Zeit etwas zur Praxis von Bandgap-Referenzelementen
zu erfahren. Dazu empfiehlt sich der folgende Elektronik-Minikurs:
Dort dient in Bild 1 die Bandgap-Spannunungsreferenz LM385-Z2.5 mit einer Spannung von 2.5 Volt als Referenzspannung für ein steuerbares Netzgerät zwischen 0 bis 20 VDC mit einem Maximalstrom von 3 A.
Ich hör' ein Bächlein rauschen...
Neinnein, es geht hier nicht um das berühmte Forellenquintett. Es sind die Referenzelemente welche rauschen. Schlimm sind herkömmliche Z-Dioden, aber auch andere modernere Referenzelemente rauschen, wenn auch weniger. In vielen Anwendungen empfiehlt es sich, dem Referenzelement ein Tiefpassfilter nachzuschalten, wie dies in eben diesem Praxisteil mit R3 und C2 in Bild 1 gezeigt wird. Ein solches Tiefpassfilter eignet sich immer dann, wenn die Referenzspannungsquelle impedanzmässig nicht nennenswert belastet wird, was bei den nachgeschalteten Eingängen der Operationsverstärker von OA1 und OA2 zutrifft.
Thomas Schaerer, 23.10.2000 ; 02.12.2002 ; 16.03.2003(dasELKO) ; 21.12.2003 ; 16.05.2006 ; 12.10.2007 ; 24.11.2007 ;