Die Zenerdiode nutzt den Sperrdurchbruch eines stark dotierten PN-Übergangs, um eine nahezu konstante Spannung an ihren Anschlüssen aufrechtzuerhalten. Dieses Verhalten unterscheidet sie grundlegend von einer Signal- oder Gleichrichterdiode, bei der der Sperrdurchbruch einen Ausfallmodus darstellt. Hier ist der Sperrdurchbruch der vorgesehene Betriebszustand.
Dynamischer Widerstand und Prüfstrom: Was im Datenblatt oft zu kurz kommt
Die im Datenblatt angegebene Zenerspannung gilt für einen bestimmten Prüfstrom. Außerhalb dieses Arbeitspunkts kann die tatsächliche Spannung deutlich vom Nennwert abweichen.
Diese Abweichung erklärt sich durch den dynamischen Widerstand. Im Durchbruchbereich führt jede Änderung des durch die Diode fließenden Stroms zu einer proportionalen Änderung der Spannung an ihren Anschlüssen. Je niedriger dieser Widerstand ist, desto genauer ist die Regelung.
Bei niedrigem Strom, nahe dem Knick der Kennlinie, verschlechtert sich die Regelung deutlich. Eine Zenerdiode, die mit einem Zehntel ihres nominalen Prüfstroms betrieben wird, kann eine merklich niedrigere Spannung als erwartet aufweisen. Wir empfehlen, stets die vollständige Strom-Spannungs-Kennlinie des Bauteils zu prüfen, statt sich auf einen einzelnen Tabellenwert zu verlassen.
Ein Artikel, der die Funktionsweise einer Zenerdiode ausführlich erläutert, bestätigt, dass der dynamische Widerstand am tatsächlichen Arbeitspunkt der Schaltung bewertet werden muss – nicht nur unter den Nennbedingungen des Herstellers.
Zenerdiode und TVS-Diode: zwei Bauteile, die oft fälschlicherweise verwechselt werden
Ein häufiger Fehler ist, eine Standard-Zenerdiode zum Schutz einer Schaltung vor schnellen Transienten einzusetzen. Eine Zenerdiode zur Spannungsregelung und eine TVS-Diode sind nicht austauschbar.
Die Zenerdiode ist für den Dauerbetrieb ausgelegt: Ihre Nennspannung, Verlustleistung und ihr dynamischer Widerstand sind unter statischen oder quasistatischen Bedingungen spezifiziert. Eine TVS-Diode hingegen ist für kurze Impulse ausgelegt. Ihre Klemmspannung und die zugehörige Wellenform werden gemäß genau festgelegten Störfestigkeitsnormen spezifiziert.
Auswahlkriterien für Zener- und TVS-Dioden
- Die Zenerdiode eignet sich zur Spannungsregelung, als Spannungsreferenz und zur Vorspannung aktiver Bauteile im Dauerbetrieb
- Die TVS-Diode ist dafür ausgelegt, transiente Energiespitzen (ESD, Schaltüberspannungen) aufzunehmen, ohne dass ihre Klemmspannung während des Impulses überschritten wird
- Die Auswahlparameter unterscheiden sich: Bei einer Zenerdiode sind Nennspannung und Dauerverlustleistung maßgeblich, bei einer TVS-Diode die Sperrspannung, die Klemmspannung und die Fähigkeit, die Energie eines genormten Impulses abzuleiten
Wird eine Zenerdiode eingesetzt, obwohl eine TVS-Diode erforderlich ist, kann die Schaltung einer schlecht kontrollierten Klemmspannung ausgesetzt sein. Überschreitet der Impuls die zulässige Dauerverlustleistung, kann das Bauteil zudem schnell zerstört werden.
Auslegung einer Shunt-Reglerschaltung mit Zenerdiode
Die Shunt-Reglerschaltung ist die häufigste Anwendung der Zenerdiode. Die Diode liegt parallel zur Last, während ein Vorwiderstand den Strom aus der Versorgung begrenzt.
Zu bestimmende Parameter für die Auslegung
Der Vorwiderstand muss so berechnet werden, dass der Strom durch die Zenerdiode innerhalb ihres zulässigen Strombereichs bleibt: oberhalb des Mindeststroms für die Regelung (am Knick der Kennlinie) und unterhalb des durch die Verlustleistung festgelegten Maximalstroms.
Die geregelte Ausgangsspannung entspricht der Zenerspannung abzüglich des Spannungsabfalls am dynamischen Widerstand, der sich aus der Stromänderung ergibt. Je mehr Strom die Last aufnimmt, desto geringer ist die Stromänderung durch die Zenerdiode – und umgekehrt. Wird die Last getrennt, fließt der gesamte Strom durch die Zenerdiode. Das ist der ungünstigste Fall für die Wärmeentwicklung.
Die Verlustleistung der Zenerdiode im Leerlauf bestimmt die erforderliche Belastbarkeit des Bauteils. Eine Zenerdiode im SOD-323-Gehäuse kann nicht dieselbe Leistung aufnehmen wie eine im DO-41-Gehäuse. Wird dieser Punkt nicht ausreichend berücksichtigt, kann es zu übermäßiger Erwärmung kommen, die die Durchbruchspannung verändert und das Bauteil zerstören kann.
Temperaturkoeffizient und Stabilität der Zenerspannung
Das thermische Verhalten einer Zenerdiode ist kein nebensächlicher Aspekt. Die Erwärmung verändert die Durchbruchspannung, wobei die Richtung dieser Änderung vom vorherrschenden physikalischen Mechanismus abhängt.
Bei Dioden mit einer Nennspannung von weniger als etwa fünf Volt überwiegt der reine Zener-Effekt (Tunneleffekt). Der Temperaturkoeffizient ist dann negativ: Mit steigender Temperatur sinkt die Spannung. Oberhalb dieses Werts dominiert der Lawinendurchbruch, der einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweist.
Bei etwa fünf Volt gleichen sich beide Mechanismen teilweise aus. Dadurch entstehen Bauteile mit sehr geringer Temperaturdrift. Deshalb werden Spannungsreferenzdioden häufig in diesem Bereich spezifiziert.
Anwendungen als Spannungsreferenz
In Analog-Digital-Wandlern oder Präzisionsnetzteilen bestimmt die Stabilität der Referenz die Gesamtgenauigkeit des Systems. Eine Zenerdiode aus dem Bereich der Temperaturkompensation liefert in Verbindung mit einem stabilen Vorspannungsstrom eine Spannungsreferenz, die sich ohne externe Kompensationsschaltung nutzen lässt.
Bei Anwendungen, für die die verbleibende Drift zu hoch ist, werden integrierte Spannungsreferenzen (Bandgap-Referenzen) bevorzugt. In diskreten Schaltungen mit begrenztem Kostenrahmen bleibt die Zenerdiode jedoch eine sinnvolle Lösung.
Bei der Auswahl einer Zenerdiode ist weniger ihre Nennspannung entscheidend als vielmehr das Zusammenspiel ihrer Parameter am tatsächlichen Arbeitspunkt: dynamischer Widerstand, Prüfstrom, Verlustleistung und Temperaturkoeffizient. Ein für die thermischen und elektrischen Bedingungen passend dimensioniertes Bauteil sorgt über Jahrzehnte für eine zuverlässige Regelung. Wird auch nur einer dieser Parameter vernachlässigt, kann aus dem Regler eine Ursache für sporadische Ausfälle werden.
