Z-Diode bzw. Zener-Diode

Z-Diode Kennlinie - Funktionsweise

Die Z-Diode hat eine U(I)-Kennlinie, welche dem Buchstaben "Z" ähnelt. Anders wie bei "normalen" Gleichrichterdiode wird die Z-Diode in Sperrbereich betrieben.  Bei Erreichen einer bestimmten Durchbruchsspannung tritt der Zener- Effekt und der Lawinen-Effekt auf, bei dem der Strom schlagartig zunimmt, ohne dass dabei die Z-Diode zerstört wird. In Durchlassrichtung arbeitet die Z-Diode wie ein normale Diode.

Z-Diode bzw. Zener-Diode Kennlinie

Z-Diode zur Spannungsstabilisierung

Eine häufige Anwendung der Z-Diode ist die Spannungsstabilisierung. Die Schaltung wandelt eine schwankende  Eingangsspannung U_Ein in eine stabile Ausgangsspannung U_Aus um. Nachfolgend die Grundschaltung:

Spannungsstabilisierung mit Z-Diode

Der Vorwiderstand R_V dient als Schutz vor einem überhöhten Strom, welche die Z-Diode zerstören könnte. Will man R_V berechnen, dann muss man zwei Worst-Case betrachten:

Worst-case 1: Die Eingangsspannung steigt auf ihren höchsten Wert U_{E max} und die Schaltung wird gleichzeitig mit dem minimalsten Ausgangsstrom I_{L min} belastet (damit muss gleichzeitig der maximale Strom durch die Z-Diode fließen).

Worst-case 2: Die Eingangsspannung sinkt auf ihren niedrigsten Wert U_{E min} und die Schaltung wird gleichzeitig mit dem maximalen Ausgangsstrom I_{L max} belastet (damit muss gleichzeitig der minimale Strom durch die Z-Diode fließen). 

Datenblattauszug Z-Diode

Datenblatt Z-Diode Übungsaufgabe

Bemerkung: Falls wie hier, der minimale Z-Strom nicht im Datenblatt angegeben ist, gilt die Fausregel:

       I_Zmin = 0,1 I_Zmax

Übungsaufgabe

Gegeben ist nachfolgende Schaltung. Die Messgrößen sind wie folgt: U_V schwankt zwischen 29 und 32 V. Der Laststrom schwankt zwischen 5 mA und 22 mA. Die Zenerspannung kann als konstant angenommen werden. 

Z-Diode Übungsaufgabe

1. Berechnen Sie den Wíderstand R₁ und wählen Sie diesen aus der E12-Reihe. Für welche Leistung muss dieser Wíderstand ausgelegt sein?
2. Welcher Auswirkungen hat es, wenn dieser Wíderstand zu klein oder zu groß ausgelegt wird?