Kennlinien zwei verschiedener Z-Dioden

Z-Diode: Span­nungs­stabi­lisie­rung und Span­nungs­be­gren­zung

30.09.2015

Hier wird erklärt wie eine Z-Diode funktioniert, anhand der Kennlinie die Eigenschaften der Z-Diode erläutert und Anwendungsgebiete in der Praxis vorgestellt.

1 Infos Z-Diode
Schaltzeichen der Z-Diode

Z-Dioden werden zur Span­nungs­be­grenzung und Span­nungs­stabi­lisierung eingesetzt.

Die Z-Diode wird in Sperrichtung betrieben. Die Durch­bruch­span­nung UZ0 ist vom Hersteller ein­stellbar. So gibt es Z-Dioden in einem Bereich von etwa 2,4 V bis 70 V.

2 U-I-Kennlinie
<i>U-I</i>-Kennlinie der Z-Diode

Die U-I-Kennlinie der Z-Diode ist in Durchlassrichtung identisch zu einer normalen Si-Diode. Die Schleußenspannung US beträgt etwa 0,7 V.

In Rückwärtsrichtung wird die Z-Diode ab der Spannung UZ0 leit­fähig. Je größer diese Spannung desto steiler ist die Kennlinie. Dies liegt an unterschiedlichen Durch­bruch­effekten (Zener-Effekt, Lawinen-Durchbrucheffekt) des Halbleitermaterials.

3 Spannungs­begrenzung 1
Schaltung zur Spannungsbegrenzung mit Z-Diode

Mit Hilfe eines Vorwiderstandes können Z-Dioden zur Span­nungs­be­grenzung eingesetzt werden.

Der Vorwiderstand begrenzt dabei den Strom. So können beispielsweise Überspannungen an hochohmigen Mikrocontrollereingängen vermieden werden.

Vorwiderstand: $$R_V=\frac{U_1-U_{Z0}}{I_Z}$$

4 Spannungs­begrenzung 2
Schaltung zur Spannungsbegrenzung mit Spannungsteiler

Diese Schaltung zur Span­nungs­be­grenzung hat zusätzlich einen Spannungs­teiler integriert. So können höhere Eingangsspannungen skaliert und gleichzeitig begrenzt werden.

Spannung, Strom, Leistung:

$$U_2=\frac{U_2-R_1}{U_1-U_2}$$

$$I_V=\frac{U_{R1}}{R_1}~~~~~P_V=U_1\cdot I_V$$

5 Spannungs­stabilisierung
Schaltung zur Spannungsstabilisierung

Bei der Span­nungs­stabi­lisierung werden die vorherigen Schaltungen mit einem Widerstand belastet. Ziel ist es so auch unter Last eine stabile Spannung zu erreichen. Der Arbeitsbereich muss dabei jedoch dimensioniert werden.

Widerstand, max. Leistung, Strom:

$$R_V=\frac{U_1-U_{Z0}}{I_L+I_Z}$$

$P_{tot}=U_{Z0}\cdot I_{Zmax}~~~$  $I_{Zmin}=10~\% \cdot I_{Zmax}$



Aufgabe 1

Schaltzeichen BZ 88/C7V5

Bei der Z-Diode BZY 88/C7V5 beträgt Ptot = 360 mW. Der minimale Strom durch die Z-Diode soll 10 % des maximalen Stroms betragen. Berechen sie

  1. die Durchbruchspannung UZ0,
  2. den maximal zulässigen Strom IZmax durch die Z-Diode,
  3. den minimalen Strom IZmin durch die Z-Diode.
  4. Wieso sollte der minimale Strom zur Spannungs­stabilisierung nicht unterschritten werden?

  1. Durchbruchspannung: $U_{Z0}=7,5~V$

  2. Maximal zulässiger Strom: $I_{Zmax}=\frac{P_{tot}}{U_{Z0}}=\frac{360~mW}{7,5~V}=48~$mA

  3. Minimaler Strom: $I_{Zmin}=10~\% \cdot I_{Zmax}=0,1\cdot 48~mA=4,8~$mA

  4. Bei Unterrscheitung des minimalen Stroms ist eine stabile Ausgangsspannung nicht mehr gewährleistet.


Aufgabe 2

Schaltung Z-Diode

Die Z-Diode BZX 55/C6V8 (Ptot = 520 mW) wird mit einem Vorwiderstand an U1 = 12 V betrieben. Es fließt der Strom IZ = 15 mA. Berechnen Sie

  1. den Vorwiderstand RV,
  2. die Verlustleistung PV am Vorwiderstand,
  3. den maximal zulässigen Strom IZmax durch die Z-Diode.

  1. Vorwiderstand: $R_{V}=\frac{U_1-U_{Z0}}{I_Z}=346,7~\Omega$

  2. Verlustleistung am Vorwiderstand: $P_V=I_Z\cdot (U_1-U_{Z0})=78~$mW

  3. Maximal zulässiger Strom: $I_{Zmax}=\frac{P_{tot}}{U_{Z0}}=\frac{520~mW}{6,8~V}=76,57~$mA


Aufgabe 3 Spannungsstabi­lisierung

Schaltung zur Spannungsstabilisierung mit Z-Diode

Gegeben sind UZ0 = 6,8 V, U1 = 15 V ±10%, IL = 26,5 mA, Ptot = 500 mW.

  1. Berechnen Sie den maximal zulässigen Strom IZmax durch die Z-Diode,
  2. Die maximale und minimale Eingangsspannung,
  3. den notwendigen Vorwiderstand.

  1. Maximal zulässiger Strom: $I_{Zmax}=\frac{P_{tot}}{U_{Z0}}=\frac{500~mW}{6,8~V}=73,5~$mA

  2. Eingangsspannung: $U_{1max}=16,5~$V, $U_{1min}=13,5~$V

  3. Vorwiderstand:

    $R_{Vmin}=\frac{U_{1min}-U_{Z0}}{I_Zmax+I_L}=67~\Omega$

    $R_{Vmax}=\frac{U_{1max}-U_{Z0}}{I_Zmax+I_L}=97~\Omega$

    Man muß nun den größeren der beiden Widerstände wählen, damit der maximal zulässige Strom durch die Z-Diode in keinem Fall überschritten wird.


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Aufgabe 4 Spannungsbe­grenzung

Schaltung zur Spannungsbegrenzung mit Z-Diode

Die Eingangsspannung U1 = 18 V soll mit einem Spannungsteiler reduziert und auf einen Wert von U2 = 5 V begrenzt werden.

Der Widerstand R1 beträgt 12 kΩ.
  1. Berechnen Sie den notwendigen Widerstandswert R2.
  2. Berechnen Sie den Strom Iq.
  3. Berechnen Sie die Verlustleistung über R1 und R2.
  4. Welchen Wert empfehlen Sie für UZ0? Begründen Sie.

  1. Widerstandswert: $R_2=\frac{U_2R_1}{U_1-U_2}=4,61~k\Omega$

  2. Strom: $I_q=U_2/R_2=5~V/4,61~k\Omega=1,08~$mA

  3. Verlustleistung: $P_V=U_1\cdot I=U_1\cdot U_1/(R_1+R_2)=19,5~$mW

  4. Ein etwas hörere Wert für UZ0 verursacht, vorausgestzt die maximale Spannung beträgt 18 V, im Betrieb weniger Verluste.



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