Die Zener-Diode oder „Durchbruchdiode“, wie sie manchmal auch genannt wird, ist im Grunde das Gleiche wie die Standard-PN-Übergangsdiode, aber sie ist speziell dafür ausgelegt, eine niedrige und spezifizierte Durchbruchspannung in Sperrrichtung zu haben, die jede an sie angelegte Sperrspannung ausnutzt.
Die Zener-Diode verhält sich wie eine normale Allzweckdiode, die aus einem Silizium-PN-Übergang besteht, und wenn sie in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist, d. h. die Anode positiv in Bezug auf ihre Kathode, verhält sie sich wie eine normale Signaldiode, die den Nennstrom durchlässt.
Im Gegensatz zu einer herkömmlichen Diode, die den Stromfluss durch sich selbst blockiert, wenn sie in Sperrrichtung vorgespannt ist, d.h. die Kathode wird positiver als die Anode, beginnt die Zenerdiode in Sperrrichtung zu leiten, sobald die Sperrspannung einen bestimmten Wert erreicht.
Das liegt daran, dass, wenn die an der Zenerdiode anliegende Sperrspannung die Nennspannung des Bauelements übersteigt, ein Prozess namens Avalanche Breakdown in der Halbleiterverarmungsschicht auftritt und ein Strom durch die Diode zu fließen beginnt, um diesen Spannungsanstieg zu begrenzen.
Der nun durch die Zenerdiode fließende Strom steigt drastisch auf den maximalen Schaltungswert an (der in der Regel durch einen Vorwiderstand begrenzt wird), und sobald er erreicht ist, bleibt dieser Sättigungsstrom in Sperrrichtung über einen breiten Bereich von Sperrspannungen ziemlich konstant. Der Spannungspunkt, an dem die Spannung über der Zener-Diode stabil wird, wird als „Zener-Spannung“ ( Vz ) bezeichnet, und bei Zener-Dioden kann diese Spannung von weniger als einem Volt bis zu einigen hundert Volt reichen.
Der Punkt, an dem die Zener-Spannung den Stromfluss durch die Diode auslöst, kann in der Dotierungsstufe der Halbleiterkonstruktion der Diode sehr genau (mit einer Toleranz von weniger als 1 %) gesteuert werden, wodurch die Diode eine bestimmte Zener-Durchbruchsspannung ( Vz ) erhält, z. B. 4,3 V oder 7,5 V. Diese Zener-Durchbruchsspannung auf der I-U-Kennlinie ist fast eine vertikale Gerade.
Zener-Diode I-U-Kennlinie
Die Zener-Diode wird in ihrem „reverse bias“- oder „reverse breakdown“-Modus verwendet, d.h. die Anode der Diode ist mit der negativen Versorgung verbunden. Aus der obigen I-U-Kennlinie können wir erkennen, dass die Zenerdiode in ihrer Sperrvorspannungskennlinie einen Bereich mit einer nahezu konstanten negativen Spannung aufweist, unabhängig vom Wert des durch die Diode fließenden Stroms.
Diese Spannung bleibt auch bei großen Stromänderungen nahezu konstant, vorausgesetzt, der Strom der Zenerdiode bleibt zwischen dem Durchbruchstrom IZ(min) und ihrem maximalen Nennstrom IZ(max).
Diese Fähigkeit der Zenerdiode, sich selbst zu steuern, kann mit großem Effekt zur Regulierung oder Stabilisierung einer Spannungsquelle gegen Versorgungs- oder Lastschwankungen verwendet werden. Die Tatsache, dass die Spannung über der Diode im Durchbruchbereich nahezu konstant ist, erweist sich als eine wichtige Eigenschaft der Zenerdiode, da sie in den einfachsten Arten von Spannungsregleranwendungen eingesetzt werden kann.
Die Funktion eines Spannungsreglers besteht darin, eine konstante Ausgangsspannung an eine parallel dazu angeschlossene Last zu liefern, trotz der Welligkeit der Versorgungsspannung oder der Schwankungen des Laststroms. Eine Zenerdiode regelt die Spannung so lange, bis der Haltestrom der Diode unter den minimalen IZ(min)-Wert im Bereich des Sperrdurchbruchs fällt.
Der Zenerdioden-Regler
Zenerdioden können verwendet werden, um eine stabilisierte Ausgangsspannung mit geringer Restwelligkeit unter variierenden Laststrombedingungen zu erzeugen. Indem ein kleiner Strom von einer Spannungsquelle über einen geeigneten Strombegrenzungswiderstand (RS) durch die Diode geleitet wird, wird die Zenerdiode ausreichend Strom leiten, um einen Spannungsabfall von Vout aufrechtzuerhalten.
Wir erinnern uns aus den vorangegangenen Übungen, dass die Ausgangsgleichspannung von Einweg- oder Vollwellengleichrichtern eine der Gleichspannung überlagerte Restwelligkeit enthält und dass sich mit der Änderung des Lastwertes auch die durchschnittliche Ausgangsspannung ändert. Durch den Anschluss einer einfachen Zener-Stabilisierungsschaltung wie unten gezeigt über den Ausgang des Gleichrichters kann eine stabilere Ausgangsspannung erzeugt werden.
Zenerdioden-Regler
Der Widerstand RS ist in Reihe mit der Zenerdiode geschaltet, um den Stromfluss durch die Diode zu begrenzen, wobei die Spannungsquelle VS über die Kombination angeschlossen ist. Die stabilisierte Ausgangsspannung Vout wird über der Zenerdiode abgenommen.
Die Zenerdiode ist mit ihrem Kathodenanschluss an die positive Schiene der Gleichstromversorgung angeschlossen, so dass sie in Sperrichtung vorgespannt ist und in ihrem Durchbruchzustand arbeitet. Der Widerstand RS ist so gewählt, dass er den maximalen Strom, der in der Schaltung fließt, begrenzt.
Wenn keine Last an die Schaltung angeschlossen ist, ist der Laststrom gleich Null ( IL = 0 ), und der gesamte Strom der Schaltung fließt durch die Zenerdiode, die ihrerseits ihre maximale Leistung abgibt. Auch ein kleiner Wert des Vorwiderstands RS führt zu einem größeren Diodenstrom, wenn der Lastwiderstand RL angeschlossen und groß ist, da dies den Verlustleistungsbedarf der Diode erhöht, so dass bei der Auswahl des geeigneten Werts des Vorwiderstands darauf geachtet werden muss, dass die maximale Nennleistung der Zener-Diode unter dieser Leerlauf- oder Hochimpedanzbedingung nicht überschritten wird.
Die Last ist parallel zur Zener-Diode angeschlossen, so dass die Spannung über RL immer gleich der Zener-Spannung ist, ( VR = VZ ). Es gibt einen minimalen Zenerstrom, bei dem die Stabilisierung der Spannung wirksam ist, und der Zenerstrom muss bei Betrieb unter Last innerhalb seines Durchbruchbereichs immer über diesem Wert bleiben. Die Obergrenze des Stroms ist natürlich von der Nennleistung des Geräts abhängig. Die Versorgungsspannung VS muss größer sein als VZ.
Ein kleines Problem bei Zenerdioden-Stabilisierungsschaltungen ist, dass die Diode manchmal elektrisches Rauschen auf der Gleichstromversorgung erzeugen kann, während sie versucht, die Spannung zu stabilisieren. Normalerweise ist dies für die meisten Anwendungen kein Problem, aber die Hinzufügung eines großvolumigen Entkopplungskondensators über dem Ausgang der Zener-Diode kann erforderlich sein, um eine zusätzliche Glättung zu erreichen.
Zum Schluss noch eine kleine Zusammenfassung. Eine Zenerdiode wird immer in ihrem in Sperrichtung vorgespannten Zustand betrieben. So kann eine einfache Spannungsreglerschaltung mit einer Zenerdiode entworfen werden, um eine konstante Ausgangsgleichspannung über der Last trotz Schwankungen der Eingangsspannung oder Änderungen des Laststroms aufrechtzuerhalten.
Der Zener-Spannungsregler besteht aus einem Strombegrenzungswiderstand RS, der mit der Eingangsspannung VS in Reihe geschaltet ist, und der Zenerdiode, die parallel zur Last RL in diesem sperrenden Zustand geschaltet ist. Die stabilisierte Ausgangsspannung wird immer so gewählt, dass sie gleich der Durchbruchspannung VZ der Diode ist.
Zenerdiode Beispiel Nr. 1
Aus einer Eingangsquelle von 12 V DC soll eine stabilisierte Spannung von 5,0 V erzeugt werden. Die maximale Nennleistung PZ der Zenerdiode beträgt 2 W. Berechnen Sie unter Verwendung der obigen Zenerreglerschaltung:
a). Den maximalen Strom, der durch die Zenerdiode fließt.
b). Der Mindestwert des Vorwiderstands RS
c). Der Laststrom IL, wenn ein Lastwiderstand von 1kΩ über der Zenerdiode angeschlossen ist.
d). Der Zenerstrom IZ bei Volllast.
Zenerdioden-Spannungen
Neben der Erzeugung einer einzelnen stabilisierten Ausgangsspannung können Zenerdioden auch zusammen mit normalen Silizium-Signaldioden in Reihe geschaltet werden, um eine Vielzahl verschiedener Referenzspannungs-Ausgangswerte zu erzeugen, wie unten gezeigt.
Zenerdioden in Reihe geschaltet
Die Werte der einzelnen Zenerdioden können entsprechend der Anwendung gewählt werden, wobei die Siliziumdiode im Durchlasszustand immer etwa 0,6 – 0,7V abgibt. Die Versorgungsspannung, Vin, muss natürlich höher sein als die größte Ausgangsreferenzspannung und in unserem obigen Beispiel ist dies 19V.
Eine typische Zenerdiode für allgemeine elektronische Schaltungen ist die 500mW, BZX55-Serie oder die größere 1,3W, BZX85-Serie, bei der die Zener-Spannung z.B. als C7V5 für eine 7.
Die 500mW-Zenerdioden sind von ca. 2,4 bis ca. 100 Volt erhältlich und haben typischerweise die gleiche Wertefolge wie die 5%-Widerstandsserie (E24), wobei die einzelnen Spannungswerte für diese kleinen, aber sehr nützlichen Dioden in der Tabelle unten angegeben sind.
Zener-Diode Standard-Zener-Spannungen
Zener-Dioden-Clipping-Schaltungen
Bis jetzt haben wir uns angesehen, wie eine Zener-Diode verwendet werden kann, um eine konstante Gleichstromquelle zu regeln, aber was wäre, wenn das Eingangssignal kein stationärer Gleichstrom wäre, sondern eine alternierende Wechselstrom-Wellenform, wie würde die Zener-Diode auf ein sich ständig änderndes Signal reagieren.
Dioden-Clipping- und Clamping-Schaltungen sind Schaltungen, die verwendet werden, um eine Eingangs-Wechselstrom-Wellenform (oder eine beliebige Sinuskurve) zu formen oder zu modifizieren, wodurch je nach Schaltungsanordnung eine unterschiedlich geformte Ausgangswellenform entsteht. Dioden-Clipper-Schaltungen werden auch als Begrenzer bezeichnet, da sie den positiven (oder negativen) Teil eines Eingangs-AC-Signals begrenzen oder abschneiden. Da Zener-Clipper-Schaltungen einen Teil der Wellenform über ihnen begrenzen oder abschneiden, werden sie hauptsächlich zum Schutz von Schaltkreisen oder in wellenformenden Schaltungen verwendet.
Wenn wir zum Beispiel eine Ausgangswellenform bei +7,5 V abschneiden wollen, würden wir eine 7,5-V-Zener-Diode verwenden. Wenn die Ausgangswellenform versucht, die 7,5V-Grenze zu überschreiten, wird die Zenerdiode die überschüssige Spannung vom Eingang „abschneiden“ und eine Wellenform mit einer flachen Spitze erzeugen, die den Ausgang konstant bei +7,5V hält. Beachten Sie, dass eine Zener-Diode in Vorwärtsrichtung immer noch eine Diode ist. Wenn der Ausgang der AC-Wellenform unter -0,7 V fällt, schaltet die Zener-Diode wie jede normale Siliziumdiode „EIN“ und begrenzt den Ausgang bei -0,7 V, wie unten gezeigt.
Rechtecksignal
Die hintereinander geschalteten Zenerdioden können als AC-Regler verwendet werden, der scherzhaft als „Rechteckwellengenerator des armen Mannes“ bezeichnet wird. Mit dieser Anordnung können wir die Wellenform zwischen einem positiven Wert von +8,2V und einem negativen Wert von -8,2V für eine 7,5V-Zenerdiode abschneiden.
Wenn wir also zum Beispiel eine Ausgangswellenform zwischen zwei verschiedenen Minimal- und Maximalwerten von, sagen wir, +8V und -6V abschneiden wollen, würden wir einfach zwei unterschiedlich bemessene Zenerdioden verwenden. Beachten Sie, dass der Ausgang die AC-Wellenform zwischen +8,7 V und -6,7 V aufgrund der zusätzlichen Vorwärtsvorspannung der Diode tatsächlich abschneidet.
Mit anderen Worten, eine Spitze-Spitze-Spannung von 15,4 Volt anstelle der erwarteten 14 Volt, da der Vorwärtsspannungsabfall über der Diode weitere 0,7 Volt in jede Richtung hinzufügt.
Diese Art der Clipper-Konfiguration ist ziemlich üblich, um eine elektronische Schaltung vor Überspannung zu schützen. Die beiden Zenerdioden werden in der Regel über den Eingangsklemmen der Stromversorgung platziert und während des normalen Betriebs ist eine der Zenerdioden „AUS“ und die Dioden haben wenig oder keinen Einfluss. Wenn jedoch die Eingangsspannung Wellenform überschreitet seine Grenze, dann die Zener „ON“ und Clip den Eingang, um die Schaltung zu schützen.
Im nächsten Tutorial über Dioden, werden wir bei der Verwendung der Vorwärtsspannung PN Übergang einer Diode, um Licht zu erzeugen aussehen. Wir wissen aus den vorangegangenen Tutorials, dass, wenn sich Ladungsträger über den Übergang bewegen, sich Elektronen mit Löchern verbinden und Energie in Form von Wärme verloren geht, aber auch ein Teil dieser Energie als Photonen abgeleitet wird, die wir aber nicht sehen können.