Zenerdioden

Wie oben bereits erwähnt, sperrt eine Diode nur bis zur Durchbruchspannung U_z. Wird U_z erreicht, so steigt der Strom bei nur kleiner Spannungserhöhung sehr stark an, das heißt der differentielle Widerstand ist klein - in der Gegend von 10 bis 100 Ω. Man kann die Durchbruch- oder Zenerspannung durch Änderung der Dotierungsstärke bei der Herstellung der Dioden nahezu beliebig zwischen 1.5 und 200 V einstellen; es werden von den Herstellern Zenerdioden mit Standardwerten der Normreihe E24 angeboten. Die Zenerdiode wird durch folgendes Schaltsymbol symbolisiert.

Sie wird vor allem zur Spannungsstabilisierung eingesetzt. Die folgende Abbildung zeigt eine einfache Schaltung zur Spannungsstabilisierung. Die Zenerdiode wird über den Vorwiderstand R von einem konstanten Strom durchflossen, der über die Diode die Zenerspannung U_z abfallen lässt. Ein Nachteil dieser Schaltung ist, dass sich die Zenerspannung mit der Belastung ändert. In realen Anwendungen muss daher dafür gesorgt werden, dass dieser einfachen Schaltung nur möglichst wenig Strom entnommen wird (Faustregel: weniger als 10 % des Querstroms).

Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die Spannung U_z fixiert ist und nur durch Austausch der Zenerdiode geändert werden kann. Man kann aber durch Anwendung von Operationsverstärkern (Konstantstromquelle) diese Nachteile weitgehend vermeiden und so eine variable Konstantspannungsquelle erzeugen. Zenerdioden haben einen Temperaturkoeffizienten, dessen Größe und Richtung sich mit der Zenerspannung ändert. Zenerdioden unterhalb von 5.6 V haben einen negativen Temperaturkoeffizienten, darüber einen positiven. Für temperaturstabile Referenzen kann man daher Zenerdioden mit 5.6 V Durchbruchspannung verwenden. Für höhere Ansprüche muss aber eine Thermostatisierung vorgenommen werden.

Hinweis:

Beim Einsatz von Zenerdioden ist stets darauf zu achten, dass der Betriebsstrom an der Zenerdiode eine nicht unerhebliche Verlustleistung erzeugt. Bei 20 mA Betriebsstrom entsteht z.B. an einer 15-V-Diode eine Verlustleistung von 300 mW, was zu kleine Zenerdioden schon zum 'Verglühen' bringt.