Sie ist eine spezielle Art von Diode, die für den Betrieb in Sperrrichtung ausgelegt ist: die Z-Diode.
Z-Dioden
Heute werfen wir einen Blick auf die so genannten Z-Dioden, die oft auch als Zener-Dioden bezeichnet werden. Dabei handelt es sich um eine besondere Art von Dioden, die mit einer genau bekannten Durchbruchspannung gebaut werden. In Schaltplänen werden sie wie unten dargestellt gekennzeichnet. Das erste Symbol ist das genormte IEC-Symbol, aber auch die beiden Symbole aus der unteren Reihe werden oft in Schaltplänen verwendet. Achtung, vor allem das letzte Symbol kann leicht mit dem Symbol der Schottky-Diode verwechselt werden. Glücklicherweise wird in den meisten Fällen die Durchbruchspannung direkt neben dem Symbol angegeben, sodass das Bauteil eindeutig als Z-Diode identifiziert werden kann.
In Durchlassrichtung verhalten sich Z-Dioden wie normale Dioden, aber dafür sind Z-Dioden nicht gedacht. In den typischen Schaltungen werden Z-Dioden in Sperrrichtung verwendet, wobei sie zu leiten beginnen, sobald ihre bekannte Durchbruchspannung überschritten wird. Diese Eigenschaft kann für eine Vielzahl verschiedener Schaltungen genutzt werden, wie z. B. Überspannungsschutz, Spannungsstabilisierung oder Spannungsreferenzen.
Eigenschaften von Z-Dioden
Was sind die Eigenschaften von Z-Dioden? Z-Dioden werden aus stark dotiertem Silizium hergestellt. Aufgrund der hohen Dotierung wird die Verarmungszone an der Grenzfläche sehr schmal. Der kleine Sperrschichtbereich ist für die wesentlichen Eigenschaften der Z-Dioden verantwortlich:
- Z-Dioden haben eine niedrige Durchbruchspannung, was sie für den Einsatz als Gleichrichterdioden ungeeignet macht.
- Aufgrund der dünnen Verarmungszone haben Zenerdioden eine hohe Sperrschichtkapazität, was sie für den Einsatz als Signaldioden ungeeignet macht.
Wie man sieht, haben Z-Dioden vor allem Nachteile, wenn sie wie normale Dioden eingesetzt werden. Das Besondere an ihnen ist die genau bekannte Durchbruchspannung. Das Gute dabei ist, dass die Durchbruchspannung von der genauen Dotierung abhängig ist. Dadurch ist es möglich, Z-Dioden mit unterschiedlichen Durchbruchspannungen herzustellen. Die wichtigsten Eigenschaften einer Zenerdiode sind dabei:
- die Z-Spannung \(U_{Z}\), die der Durchbruchspannung \(U_{BR}\) entspricht
- die maximale Verlustleistung \(P_{tot}\)
Die Verlustleistung kann wie bei normalen Dioden berechnet werden, aber da Z-Dioden in Sperrrichtung verwendet werden, multipliziert man den Strom \(I\) mit der Z-Spannung \(U_{Z}\) statt mit der Vorwärtsspannung \(U_F\):
\(P_{tot} = U_Z \cdot I\)
Das folgende Diagramm zeigt die I-U-Kennlinie für Z-Dioden mit verschiedenen Durchbruchspannungen. In Durchlassrichtung sind sie oberhalb von 0,7 V sehr gut leitend, genau wie normale Dioden. In Sperrrichtung beginnt jede Diode bei der für sie ausgewiesenen Durchbruchspannung zu leiten.
Vielleicht hast du bemerkt, dass es einen Unterschied in der I-U-Kennlinie zwischen den Z-Dioden mit niedriger und mit hoher Durchbruchspannung gibt. Bei höheren Spannungen ist die Kurve wesentlich steiler als bei niedrigeren Spannungen. Das liegt daran, dass der Durchbruch durch zwei unterschiedliche physikalische Effekte verursacht wird: den Zener-Effekt und den Lawinendurchbruch (engl. avalanche breakdown).
Bei niedrigeren Spannungen ist der Zener-Effekt entscheidend. Bei höheren Spannungen ist der Lawinendurchbruch der dominierende Effekt. Abgeleitet von diesen beiden Effekten unterteilt man die Z-Dioden in Zener- und Avalanche-Dioden. Oft wurde für Z-Dioden allgemein der Begriff Zener-Dioden, benannt nach Clarence Zener, genutzt. Diese Bezeichnung ist auch heute noch weit verbreitetet. Um dem Fakt Rechnung zu tragen, dass der Lawinendurchbruch oberhalb von 5 V wichtiger ist als der Zener-Effekt, wird seit den 1970er Jahren der Kunstbegriff Z-Diode als Überbegriff für beide Diodenarten genutzt.
Willst du mehr wissen? In den nächsten Monaten werden wir uns eingehender damit beschäftigen, wie diese Effekte funktionieren und wie Z-Dioden in verschiedenen Schaltungen eingesetzt werden.
