Wofür können wir Z-Dioden einsetzen? Diesmal befassen wir uns mit der Nutzung als Spannungsreferenzen.
Z-Dioden als Spannungreferenz
Die besondere Eigenschaft von Z-Dioden besteht darin, dass sie eine definierte Durchbruchspannung besitzen. Diese Eigenschaft ist besonders nützlich für Schaltungen, die eine feste Referenzspannung benötigen. Bei Schaltungen mit schwankender Versorgungsspannung, z. B. bei batteriebetriebenen Schaltungen, reicht ein einfacher Spannungsteiler hierfür nicht aus. Der Einsatz einer Z-Diode ist ein Weg, um dieses Problem zu lösen. In diesem Artikel werden wir uns ansehen, wie dies funktioniert und besprechen, wann man eine Z-Diode für diesen Zweck verwenden sollte und wann nicht.
Wie können wir eine Spannungsreferenz mit einer Z-Diode bauen? Wir wählen einfach eine Z-Diode für die gewünschte Spannung aus und verwenden sie zusammen mit einem Widerstand, der den Strom zu begrenzen.
Wenn die Spannung größer als die Zenerspannung ist, leitet die Diode. Sie begrenzt dabei die Ausgangsspannung auf die Zenerspannung, während die restliche Spannung an der Z-Diode selbst abfällt. Natürlich kann die Z-Diode nur eine begrenzte Menge an Strom ableiten, ohne Schaden zu nehmen. Deshalb brauchen wir den Widerstand, der den maximalen Strom begrenzt.
Eigentlich ist das ganz einfach, doch wofür braucht man eine solche Schaltung?
Wie nutzt man eine Spannungsreferenz?
Eine Schaltung, die eine festgelegte Spannung erzeugt? Schnell denkt man an eine Spannungsquelle, aber das ist nicht die Aufgabe einer Spannungsreferenz. Spannungsreferenzen sollten zusammen mit hochohmigen Eingängen wie denen von Mikrocontrollern, Operationsverstärkern oder Komparatoren verwendet werden. Was ist damit gemeint? Hochohmig bedeutet in der Praxis, dass sie einen Eingang haben, durch den nur ein sehr geringer Strom fließt. Denn während Spannungsreferenzen zwar eine konstante Spannung liefern können, können sie fast keinen Strom liefern.
Schauen wir uns eine Beispielschaltung an, in der eine Z-Diode wie vorgesehen als Spannungsreferenz verwendet wird:
Die Schaltung verwendet eine 9 V Z-Diode als Spannungsreferenz für einen LM393 Komparator. Ein Komparator vergleicht die Spannung an seinen beiden Eingängen: Wenn die Spannung am nicht-invertierenden Eingang (+) höher ist als die am invertierenden Eingang (-), ist sein Ausgang positiv, ansonsten ist er negativ.
In diesem Beispiel wird ein Potentiometer an den nicht-invertierenden Eingang und die 9 V Referenzspannung an den invertierenden Eingang angeschlossen. Der Ausgang des Komparators ist also positiv, wenn die Ausgangsspannung des Potentiometers über 9 V liegt, andernfalls ist er negativ. Am Ausgang des Komparators ist eine LED angeschlossen. Diese LED leuchtet auf, wenn der Ausgang des Potentiometers unter 9 V liegt.
Etwas anderes erwartet?
Die Schaltung verwendet die LED in einer "active-low" Konfiguration. Der Pluspol der LED ist mit der Versorgungsspannung verbunden und der LM393 schaltet die Verbindung zur Masse. Das mag auf den ersten Blick seltsam erscheinen, aber der Grund dafür ist die Funktionsweise des LM393. Der LM393 hat einen Open-Collector-Ausgang, was bedeutet, dass er nur die beiden Ausgangszustände "floating" (nicht angeschlossen) und "low" (mit Masse verbunden) unterstützt.
Fazit
Wozu kann man eine solche Schaltung verwenden? Welchen Vorteil hat die Verwendung einer Z-Diode?
In einer batteriebetriebenen Schaltung ist eine Z-Diode eine billige Möglichkeit, eine feste Referenzspannung als Schwellwert zu erzeugen. Der große Vorteil ist, dass der Schwellenwert unabhängig von der Versorgungsspannung ist. Im nächsten Schritt werden wir dies nutzen, um einen Unterspannungsalarm für einen 12 V Bleiakku zu bauen.
Wann ist es besser, eine Alternative zu verwenden?
Klar ist: Wenn wir eine Spannungsquelle brauchen, brauchen wir einen Spannungsregler und keine Spannungsreferenz. Aber leider gibt es noch einen anderen Fall, in dem man eine alternative Lösung braucht: niedrige Spannungen.
Für unsere Beispielschaltung haben wir 12 V verwendet und nicht die 5 V oder 3,3 V, die in den meisten Mikrocontroller-Schaltungen verwendet werden. Warum ist das so? Nur Avalanchedioden eignen sich gut für eine Spannungsreferenz.
Wenn wir uns die I-U-Kurven der Z-Dioden unter 5 V ansehen, können wir feststellen, dass ihre Kurven viel flacher sind. Ihre Zenerspannung ist viel stärker vom Strom abhängig. Die angegebene Zenerspannung gilt nur für einen bestimmten Strom. Bei echten Zenerdioden ist dies besonders wichtig, da die Spannung sonst abweicht. Dies können wir in unserer Schaltung nicht garantieren. Hier ist es deshalb das Beste, einfach eine kommerzielle Spannungsreferenz zu verwenden, die für niedrige Spannungen ausgelegt ist.
