Hobby-Elektronik: Zener-Dioden

Eine Zenerdiode ZD wird stets in Sperrichtung betrieben, d.h. an der Kathode liegt eine positive Spannung +U gegenüber Bezugspotential GND = Null (Bild1). Liegt zunächst eine kleine positive Spannung an der Kathode, verhält sich die Zenerdiode wie eine normale in Sperrichtung gepolte Diode: Es fließt kein Strom. Erhöht man die Spannung mehr und mehr, so erfolgt plötzlich bei einem bestimmten Wert, der sogenannten Zenerspannung Uz, ein "Durchbruch", d.h. die ZD wird bei Uz vollständig leitend, so daß der Stromfluß durch einen Vorwiderstand Rv gebremst und auf einen zulässigen Wert begrenzt werden muß. Uz bleibt fast konstant, unabhängig (!) davon, wieviel Strom man durch die ZD fließen läßt.
Zenerdioden werden mit verschiedenen Zenerspannungen ab ca. 3,3 V bis etwa 33 V (der Normreihe von Widerständen entsprechend) hergestellt.

Bild 1a. Die vorstehend erläuterte Eigenschaft der ZD kann man nutzen, um an einem Verbraucher RL unabhängig von einer schwankenden Eingangsspannung Ue eine konstante Ausgangs-(=Verbraucher-)Spannung Ua zu erzeugen. RL (Der Widerstand RL steht stellvertretend für irgendeinen Verbraucher) liegt parallel zur ZD und daher ist die an RL liegende Ausgangsspannung Ua gleich der an ZD auftretenden Zenerspannung. Der durch Rv fließende Strom teilt sich auf den Zenerstrom Iz durch ZD und den Verbraucherstrom Ia durch RL auf.
Erhöht oder erniedrigt sich Ue, so ändert sich der Strom durch Rv und der Strom Iz durch die ZD entsprechend. Ia ändert sich nicht, da ja Uz (unabhängig von Iz) und damit auch +Ua konstant geblieben ist.
Ändert sich andererseits die Größe von RL, so ändert sich Ia gemäß dem Ohmschen Gesetz Ua = RL x Ia, da ja +Ua konstant ist. Nimmt man für den Moment Ue als fest an, so ist der Spannungsabfall Ua - Ue an Rv also auch der Strom durch Rv gemäß Ohmschen Gesetz unverändert. Die Stromänderung Ia muß also durch eine entsprechende Änderung von Iz kompensiert werden.
Die Schaltung hält also die Azusgangsspannung Ua stabil sowohl gegenüber Schwankungen der Eingangsspannung Ue als auch gegenüber Änderungen des Ausgangsstromes Ia zufolge Änderung des Verbraucherwiderstandes RL !

Zur Dimensionierung des Vorwiderstandes Rv. Rv ist so zu wählen, daß einerseits der maximal zulässige Zenrstrom Iz,max nicht überschritten wird, andererseits immer ein genügend großer Zenerstrom Iz,min verbleibt, damit die stabilisierende Wirkung nicht verloren geht. Bei veränderlichem Ue und veränderlichem RL ergeben sich leicht einsehbar folgende Grenzen für Rv: Rv,min = (Ue,min - Ua)/(Iz,min + Ia,max) und Rv,max = (Ue,max - Ua)/(Iz,max + Ia,min). Man wählt für Rv den dazwischen liegenden Mittelwert.
Werte für die Praxis: Die Verlustleistung Pz der für die meisten Zwecke ausreichenden kleinen Glaskörper-Zenerdioden liegt bei Pz = 200 bis 500 mW. Daraus berechnet sich Iz,max = Pz/Uz, z.B. bei einer 200 mW-10 V-Diode ist Iz,max = 20 mA. Üblicherweise wird Rv so gewählt, daß Iz etwa 5 bis 8 mA beträgt. Iz,min sollte 3 mA nicht unterschreiten.
Sonstige Verwendung. Neben Stabilisierungszwecken werden Zenerdioden hauptsächlich noch zur Spannungsbegrenzung (Beispiel siehe D7 in der Modellbahn-Fahrreglerschaltung b)) und als Koppelelemente zur Überbrückung von Potentialsprüngen, z.B. bei der Ansteuerung von TTL-Bausteinen verwendet.
Bild 2. Die Schaltung nach Bild 1a ist nur zur Spannungsstabilisierung bei Verbrauchern RL verwendbar, die nur wenige Milliampere benötigen. Werden größere Ströme (bis zu einigen 100 mA) benötigt, ist ein stromverstärkender Transistor (hier als sog. Emitterfolger) zwischenzuschalten. Die Spannung an der Basis ist gleich der konstanten Spannung Uz. Da die Spannung am Emitter gleich der Basisspannung vermindert um die unveränderliche Flußspannung der Basis-Emitterdiode Ube ~ 0,6 V ist (siehe hierzu die Seite Erklärung des Transistors weiter unten), ist +Ua = Uz - 0,6 V = const. Die Schaltung Bild 2 stellt liefert konstante Spannung +Ua an RL.
Bild 3. Verlegt man den Verbraucher RL in die Kollektorleitung und fügt einen Emitterwiderstand Re ein, so ist nach dem zu Bild 2 Gesagtem die Spannung an Re, also auch der Strom durch Re und damit auch der Strom Ia = (Uz - Ube)/Re durch RL konstant. Die Schaltung liefert einen konstanten Strom durch RL, der nur von Uz und Re abhängt aber unabhängig (!) von der Größe von RL ist. (Mehr zu Konstantstromquellen siehe Seite weiter unten).

Zenerdiodenersatz durch Transistoren
Bild 4.
Die Schaltung stellt einen Zweipol dar, dessen Verhalten einer Zenerdiode entspricht. Die Zenerspannung ist zwischen ca. 3 und 25 Volt einstellbar (aus der Zeitschrift Elektor).
Bild 5. Das Verhalten dieses Zweipols entspricht einer Zenerdiode mit Uz = 1,5 V (aus der Zeitschrift Elektronik).
Für kleinere Ströme genügen die Transistoren BC548 (npn) und BC558 (pnp), sonst (ausprobieren !) sind in Bild 4 für den pnp-, in Bild 5 für beide Transistoren Leistungstransistoren zu verwenden.
(13.1.2004)