Z-Diode – Spannungsstabilisierung

Eine Z-Diode ist im Grunde eine ganz normale Silizium-Diode — mit einem entscheidenden Unterschied: Sie ist so hoch dotiert und so präzise gefertigt, dass sie im Sperrbereich bei einer ganz bestimmten Spannung definiert in den Durchbruch geht, ohne Schaden zu nehmen. Diese Zenerspannung U_Z ist die zentrale Kenngröße und wird im Datenblatt genau angegeben — Werte zwischen 2,4 V und etwa 200 V sind üblich.

Eine normale Gleichrichterdiode geht ebenfalls bei einer bestimmten Sperrspannung in den Durchbruch — aber dort zerstört der dabei fließende Strom das Bauteil. Die Z-Diode ist dagegen so konstruiert, dass der Durchbruch ein normaler Betriebszustand ist.

Am realen Bauteil ist die Kathode durch einen Ring auf dem Gehäuse markiert — genau wie bei einer normalen Diode. Wichtig: In der Stabilisierungsschaltung wird die Z-Diode in Sperrrichtung eingebaut, also Pluspol an Kathode, Minuspol an Anode. Bei der normalen Diode wäre das die falsche Richtung — bei der Z-Diode ist es genau die gewünschte Betriebsart.

Typische Bauformen sind die kleinen Glasgehäuse DO-35 und DO-41 für bedrahtete Schaltungen sowie SMD-Bauformen wie SOD-80 und SOD-323. Die Verlustleistung steht im Datenblatt — übliche Werte sind 0,4 W, 0,5 W und 1,3 W; für höhere Belastungen gibt es 3-W- und 5-W-Typen in größeren Gehäusen.

Typenbezeichnungen sind nicht einheitlich, aber drei Serien tauchen in Europa und Österreich besonders oft auf:

In der Bezeichnung steckt direkt die Zenerspannung — „5V1″ steht für 5,1 V, „9V1″ für 9,1 V. Die Zwischenstufen kommen daher, dass die Z-Spannungen den E24-Werten folgen (1,0 — 1,1 — 1,2 — 1,3 — 1,5 — 1,8 — 2,0 — 2,2 — 2,4 — 2,7 — 3,0 — 3,3 — 3,6 — 3,9 — 4,3 — 4,7 — 5,1 — 5,6 — 6,2 — 6,8 — 7,5 — 8,2 — 9,1 — und weiter mit Faktor 10). Die E-Reihen sind in der ÖNORM EN IEC 60063 festgelegt und gelten genauso für Widerstände und Kondensatoren — eine sehr nützliche Reihe, die man im Kopf haben sollte.

Die U-I-Kennlinie einer Z-Diode hat drei Bereiche, die man sauber auseinanderhalten muss.

Im Durchlassbereich (positive Spannung, Anode positiver als Kathode) verhält sich die Z-Diode wie eine ganz normale Si-Diode: Bei etwa 0,7 V Durchlassspannung U_F beginnt sie zu leiten. Dieser Bereich wird in der Stabilisierung nicht genutzt.

Im Sperrbereich (negative Spannung, also Polung wie in der Stabilisierungsschaltung) fließt zunächst nur ein winziger Sperrstrom im Mikroampere-Bereich. Solange |U| < U_Z bleibt, sperrt die Diode wie jede andere Sperrdiode auch.

Im Durchbruchbereich, sobald die Sperrspannung U_Z erreicht ist, knickt die Kennlinie scharf nach unten ab. Der Strom steigt steil an, die Spannung bleibt aber nahezu konstant auf U_Z. Genau diese fast senkrechte Kennlinie im Durchbruch ist die Grundlage der Stabilisierung: Egal ob 5 mA oder 50 mA durch die Diode fließen — die Spannung über ihr ändert sich nur um wenige hundert Millivolt.

Zener- und Lawinendurchbruch

Hinter dem Durchbruch stecken zwei physikalisch unterschiedliche Mechanismen, die je nach Zenerspannung dominieren:

Zener-Effekt (bis etwa 5 V): Bei stark dotierten pn-Übergängen ist die Sperrschicht so dünn, dass das elektrische Feld Elektronen direkt aus dem Valenzband ins Leitungsband „herausreißt“ — quantenmechanisches Tunneln. Der Zener-Effekt hat einen negativen Temperaturkoeffizienten: Die Z-Spannung sinkt mit steigender Temperatur leicht ab.

Lawinendurchbruch (oberhalb etwa 6 V): Bei geringerer Dotierung und größerer Sperrschichtweite werden die wenigen Ladungsträger so stark beschleunigt, dass sie beim Stoß mit Atomen weitere Elektronen herauslösen — ein Lawineneffekt. Der Lawinendurchbruch hat einen positiven Temperaturkoeffizienten.

Im Übergangsbereich um 5 bis 6 V heben sich beide Effekte zum Teil auf — Z-Dioden mit etwa 5,6 V haben deshalb den geringsten Temperaturgang und werden gerne als Referenzspannungsquellen eingesetzt. Obwohl umgangssprachlich alle „Zener-Dioden“ heißen, ist der Lawinendurchbruch bei höheren Spannungen der dominierende Mechanismus.

Die einfache Z-Dioden-Stabilisierung besteht aus drei Bauteilen: der Eingangsspannungsquelle U_e, einem Vorwiderstand R_v und der Z-Diode parallel zur Last R_L.

Die Funktion ist einfach beschrieben: Der Vorwiderstand R_v und die Z-Diode bilden zusammen einen Spannungsteiler — allerdings einen ungewöhnlichen, bei dem die Z-Diode auf ihrer Klemmenspannung U_Z „festgehalten“ wird, solange sie im Durchbruch arbeitet. Schwankt die Eingangsspannung U_e, ändert sich der Strom durch R_v — die Z-Diode „schluckt“ den Mehrstrom, die Ausgangsspannung U_a bleibt nahezu konstant auf U_Z.

Strom- und Spannungsbeziehungen

Am Knoten oberhalb der Z-Diode gilt die Knotenregel:

Über die Eingangsmasche gilt die Maschenregel:

Mit dem Ohmschen Gesetz lässt sich die Spannung am Vorwiderstand jederzeit aus dem Strom berechnen: U_R = R_v · I_v.

Damit die Schaltung überhaupt funktioniert

Drei Bedingungen müssen erfüllt sein:

• U_e > U_Z — die Eingangsspannung muss IMMER größer sein als die Zenerspannung, sonst kommt die Z-Diode nicht in den Durchbruch. Faustregel: U_e mindestens 20 bis 30 % über U_Z, damit auch bei Eingangsschwankungen genug Reserve bleibt.
• I_Z ≥ I_Z_min — die Z-Diode braucht einen Mindeststrom (typisch 1 bis 5 mA), damit sie sicher im Durchbruch bleibt. Datenblatt-Wert ablesen.
• I_Z ≤ I_Z_max — der maximale Z-Dioden-Strom darf nicht überschritten werden, sonst wird die Diode thermisch zerstört. Ergibt sich aus der Verlustleistungsgrenze.

Der Vorwiderstand ist das einzige Bauteil, das gezielt dimensioniert werden muss — die Z-Diode wird nach die gewünschten Ausgangsspannung ausgewählt. Die Auslegung muss zwei Grenzfälle gleichzeitig berücksichtigen.

Worst Case 1 — minimale Eingangsspannung, maximaler Laststrom

Hier muss durch die Z-Diode noch der Mindeststrom I_Z_min fließen, damit sie im Durchbruch bleibt. Das bedeutet:

Wird R_v größer gewählt, reicht der Strom bei niedriger Eingangsspannung nicht mehr aus, die Z-Diode verlässt den Durchbruchbereich — die Stabilisierung bricht zusammen.

Worst Case 2 — maximale Eingangsspannung, keine Last (Leerlauf)

Jetzt fließt der gesamte Strom durch die Z-Diode. Damit I_Z_max nicht überschritten wird:

I_Z_max ergibt sich aus der maximalen Verlustleistung der Z-Diode: I_Z_max = P_tot / U_Z.

So wird in der Praxis gerechnet

In den meisten Fällen reicht die Berechnung von R_v_max — das wird der kritische Wert, weil die Stabilisierung sonst zu „schwach“ wird. Anschließend wählt man aus der E12- oder E24-Reihe den nächstkleineren Normwert (damit man unter R_v_max bleibt) und prüft kurz, ob im Leerlauf die Verlustleistungsgrenze der Z-Diode eingehalten wird.

E12-Werte (Dekade 10 bis 100): 10 — 12 — 15 — 18 — 22 — 27 — 33 — 39 — 47 — 56 — 68 — 82.

Die richtige Z-Diode wird nicht nur nach die Spannung ausgewählt, sondern auch nach die Verlustleistung. Wird sie zu klein dimensioniert, brennt sie im Leerlauf durch — oft erst nach längerer Betriebszeit, was die Fehlersuche unangenehm macht.

Verlustleistung an der Z-Diode

Die Verlustleistung an der Z-Diode ergibt sich direkt aus dem Produkt aus Spannung und Strom:

Der Worst Case für P_Z ist der Leerlauf bei maximaler Eingangsspannung — die Last zieht keinen Strom, alles fließt durch die Z-Diode. Genau dieser Wert muss kleiner sein als die maximal zulässige Verlustleistung P_tot aus dem Datenblatt.

Verlustleistung am Vorwiderstand

Auch der Vorwiderstand wird warm. Über die elektrische Leistung gilt:

Der Worst Case ist hier ebenfalls bei U_e_max im Leerlauf, weil dort der größte Spannungsabfall am Vorwiderstand entsteht. Bei die Bauteilauswahl mindestens den doppelten Wert nehmen — also für berechnete 0,3 W einen 0,6-W-Widerstand wählen.

Derating — die Sache mit der Temperatur

Datenblattangaben zur Verlustleistung gelten meist bei 25 °C Umgebungstemperatur. In einem warmen Schaltschrank oder direkt neben einem Leistungstransistor sind 60 bis 80 °C realistisch. Mit steigender Temperatur sinkt die zulässige Verlustleistung — das nennt man Derating.

Im Datenblatt ist dazu meist eine Derating-Kurve abgedruckt, oder es wird ein Reduktionsfaktor genannt (typisch etwa 5 bis 8 mW pro Kelvin über 25 °C). Wer auf die sicheren Seite bleiben will, dimensioniert die Z-Diode für die zu erwartende Umgebungstemperatur und nicht für 25 °C — sonst kommt der Bauteilausfall im Hochsommer oder nach längerer Volllast genau dann, wenn man ihn am wenigsten brauchen kann.

Faustregel für die Praxis: Bei Innenraum-Elektronik mit 60 °C Auslegungstemperatur die Datenblatt-Verlustleistung mit etwa 0,7 multiplizieren. Bei Industrieumgebungen über 70 °C mit 0,5. Das ersetzt keine genaue Rechnung mit dem thermischen Widerstand, gibt aber einen vernünftigen Sicherheitsabstand.

Typische Verlustleistungsklassen

Bisher haben wir so getan, als wäre die Z-Diode im Durchbruch eine ideale Spannungsquelle — Spannung konstant, egal welcher Strom. In Wirklichkeit ist die Kennlinie nicht ganz senkrecht. Sie hat eine leichte Steigung, und genau diese Steigung bestimmt, wie gut die Schaltung tatsächlich stabilisiert.

Differentieller Widerstand

Der differentielle Widerstand r_Z einer Z-Diode beschreibt die Steigung der Kennlinie im Arbeitspunkt:

Je kleiner r_Z, desto besser stabilisiert die Z-Diode. Typische Datenblattwerte:

• niedrige Z-Spannung (3 V bis 5 V): r_Z = 50 bis 150 Ω
• mittlere Z-Spannung (6 V bis 10 V): r_Z = 5 bis 30 Ω (Optimum)
• hohe Z-Spannung (über 50 V): r_Z = 100 Ω bis mehrere kΩ

Z-Dioden zwischen 6 V und 10 V sind nicht nur thermisch günstig, sondern haben auch den kleinsten differentiellen Widerstand — sie stabilisieren am besten. Das ist einer der Gründe, warum man bei freier Wahl gerne in diesem Bereich bleibt.

Stabilisierungsverhältnis

Mit dem differentiellen Widerstand lässt sich abschätzen, wie stark eine Eingangsspannungsänderung am Ausgang ankommt:

Beispiel: R_v = 100 Ω, r_Z = 10 Ω → ΔU_a / ΔU_e ≈ 10 / 110 ≈ 0,091. Eine Eingangsschwankung von 1 V führt also zu einer Ausgangsschwankung von rund 91 mV. Die Stabilisierung reduziert die Schwankung etwa um den Faktor 11.

Die Formel zeigt deutlich: Je größer R_v im Verhältnis zu r_Z, desto besser stabilisiert die Schaltung. Allerdings darf R_v nicht beliebig vergrößert werden, weil sonst nach Kapitel 4 die Bedingung I_Z ≥ I_Z_min verletzt wird. Ein Kompromiss zwischen Lastfähigkeit und Stabilisierungsgüte.

Grenzen der einfachen Z-Dioden-Stabilisierung

Die Schaltung ist denkbar einfach — aber sie hat klare Grenzen, die man vor dem Einsatz kennen sollte:

1. Schlechter Wirkungsgrad. Der Vorwiderstand vernichtet ständig Leistung. Bei einer 9-V-Stabilisierung aus 15 V Eingangsspannung gehen 40 % der Eingangsleistung am Vorwiderstand verloren — und im Leerlauf noch deutlich mehr. Für batteriebetriebene Geräte ungeeignet.

2. Begrenzter Laststrom. Der maximale Strom wird durch den Vorwiderstand begrenzt. Will man mehr Strom, wird R_v kleiner, die Leerlauf-Verlustleistung steigt quadratisch. Praktisch sinnvoll bis etwa 50 mA, darüber wird es ineffizient.

3. Restwelligkeit. Schnelle Eingangsspannungsänderungen werden durch r_Z nur teilweise unterdrückt — siehe Stabilisierungsverhältnis. Eine zusätzliche Kapazität parallel zur Z-Diode glättet hochfrequente Anteile.

4. Temperaturdrift. U_Z ändert sich mit der Temperatur (siehe Kapitel 2). Für hochpräzise Referenzen werden temperaturkompensierte Z-Dioden oder Bandgap-Referenzen verwendet.

Wo die Z-Diode trotzdem eingesetzt wird

• Spannungsbegrenzung an Logikeingängen — die Z-Diode mit etwas Vorwiderstand schützt empfindliche Eingänge vor Überspannung. Sobald die Eingangsspannung U_Z überschreitet, klemmt die Diode auf U_Z.
• Referenzspannung für nachgeschaltete Linearregler — eine 5,6-V- oder 6,8-V-Z-Diode liefert eine ausreichend stabile Referenz, die dann von einem Operationsverstärker oder Transistor weiter „verstärkt“ wird. Wer einen klassischen Längsregler mit Bipolartransistor und Z-Diode kennenlernen will: Der Transistor sitzt zwischen Eingang und Ausgang und wird durch die Z-Diode in der Basis gesteuert; der eigene Beitrag „Bipolartransistor: Funktion und Grundschaltungen“ geht auf solche Grundschaltungen ein, und die Gesamtthematik „Netzteile: linear vs. getaktet“ ordnet die Linearregler in die Familie der Stromversorgungen ein.
• Überspannungsschutz — eine Z-Diode parallel zu einem empfindlichen Bauteil leitet Spannungsspitzen ab, bevor sie das geschützte Bauteil erreichen. Für sehr schnelle Ereignisse wie ESD oder Schaltspitzen werden spezielle TVS-Dioden eingesetzt, die im Prinzip wie eine Z-Diode arbeiten, aber für sehr kurze, hohe Stromspitzen ausgelegt sind.