Leistungselektronik Grundlagen Zener Diode

Zener Dioden sind Halbleiterbauelemente, welche im Gegensatz zu herkömmlichen Dioden die Fähigkeit haben, in Sperrrichtung zu leiten. Dies geschieht, sobald eine bestimmte Spannung überschritten wird. Diese Eigenschaft macht sie zu einem unverzichtbaren Bauteil in Spannungsstabilisierungs- und Schutzschaltungen.

Eine Zener Diode ist im Wesentlichen nichts anderes als eine herkömmliche Diode, welche für den Betrieb in der Sperrzone ausgelegt ist. Bei normalen Dioden wird der Durchbruch als unerwünschtes Phänomen betrachtet, das zur Zerstörung der Diode führt. Im Gegensatz dazu wird bei Zener Dioden dieser Durchbruch gezielt genutzt. Wenn die Sperrspannung, auch Zenerspannung genannt, erreicht wird, beginnt die Zener Diode, Strom in Sperrrichtung zerstörungsfrei zu leiten.

Durchbruchmechanismen

Es gibt zwei Hauptmechanismen, durch die eine Zener Diode in der Sperrzone leitet. Man unterscheidet hier den Zener-Effekt und den Avalanche-Effekt.

Zener-Effekt:

Dieser tritt bei Zener Dioden mit niedriger Zenerspannung (unter etwa 5 V) auf. Hierbei führt ein starkes elektrisches Feld dazu, dass Elektronen aus ihren Atombindungen herausgeschlagen werden und dadurch eine Leitfähigkeit entsteht.

Avalanche-Effekt:

Dieser tritt bei höheren Spannungen auf. Hierbei werden durch Kollisionen Elektronen freigesetzt, die weitere Elektronen freisetzen und somit eine Lawine (engl. Avalanche) von Elektronenbewegungen auslösen.

Zenerspannung

Die Zenerspannung ist die Spannung, bei der die Zener Diode zu leiten beginnt. Sie wird durch die Dotierung des Halbleitermaterials bestimmt und kann in einem weiten Bereich von wenigen Volt bis zu mehreren Hundert Volt liegen. Diese Spannung bleibt relativ konstant und ist unabhängig von der durch die Diode fließenden Stromstärke. Dieser Effekt lässt sich zur Stabilisierung der Spannung nutzen. Allerdings muss berücksichtigt werden, dass die Zenerspannung Temperaturabhängig ist.

Anwendungen von Zener Dioden

Spannungsstabilisierung

Eine der häufigsten Anwendungen von Zener Dioden ist die Spannungsstabilisierung. Hierzu werden die Dioden werden in parallelen Spannungsreglerschaltungen verwendet, um eine konstante Ausgangsspannung zu gewährleisten. Die Zener Diode wird dabei parallel zu einer Last geschaltet, und die Eingangs- oder Versorgungsspannung wird so angepasst, dass sie immer über der Zenerspannung liegt. Dies führt dazu, dass die Zener Diode bei Veränderungen der Eingangsspannung die überschüssige Spannung ableitet und so die Ausgangsspannung konstant hält.

Überspannungsschutz

Zener Dioden werden auch als Überspannungsschutz (z.B. auch zum Schutz bei Burst- und Surge-Tests) eingesetzt. Sie können dazu verwendet werden, elektronische Schaltungen vor Spannungsspitzen zu schützen, welche durch Blitzeinschläge, Schaltvorgänge oder andere Störungen verursacht werden. In dieser Anwendung wird die Zener Diode parallel zu den zu schützenden Bauteilen geschaltet. Wenn die Spannung einen kritischen Wert erreicht, leitet die Zener Diode.

Referenzspannungsquellen

In vielen präzisen elektronischen Schaltungen wird eine stabile Referenzspannung benötigt. Zener Dioden eignen sich hervorragend als Spannungsreferenzen in Mess- und Regeltechnik. Durch ihre Fähigkeit, eine konstante Spannung bei unterschiedlichen Strömen zu halten, liefern sie eine stabile und zuverlässige Referenz.

Signalbegrenzung

Zener Dioden werden ebenfalls zur Signalbegrenzung eingesetzt. In Signalverarbeitungsanwendungen können sie verwendet werden, um die Amplitude eines Signals zu begrenzen und so eine Übersteuerung oder Verzerrung zu verhindern. Dies ist besonders nützlich in Audio- und Kommunikationssystemen, wo die Signalqualität von großer Bedeutung ist.  (mr)

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