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Industrie

Zener-Diode: Ausgezeichnete Möglichkeiten zur Spannungsstabilisierung

In fast jedem Schaltkreis sind Dioden verbaut. Dioden lassen den Strom fließen und bei den meisten dieser Bauteile fließt der Strom in eine vorgegebene Richtung. Fließt der Strom in die entgegengesetzte Richtung, blockiert die Diode den Durchfluss. Die Zener Diode bildet die große Ausnahme. Die Silizium-Halbleiterdiode ist darauf ausgelegt, dass der Strom dauerhaft in die Sperrrichtung fließen kann, ohne die Funktionsweise der Diode zu beeinträchtigen.

Wie funktioniert eine Zener-Diode?

Wird an eine Diode Spannung angelegt, fließt Strom hindurch. Liegt an der Anode eine positive Spannung und an der Kathode eine negative Spannung an, leiten normale Dioden und Zener-Dioden den Strom. Wird die Spannung vertauscht und die negative Spannung an die Anode angelegt sowie die positive Spannung an die Kathode, leiten herkömmliche Dioden nicht. Die Zener-Diode führt den Strom weiterhin durch. Eine wichtige Größe in diesem Zusammenhang ist die Durchbruchspannung, die in der Elektrotechnik auch unter dem Begriff Zener-Spannung oder Z-Spannung verwendet wird.

Die Durchbruchspannung ist die Spannung, unterhalb derer eine Zener-Diode sich wie jede andere Diode verhält und den Durchfluss in Sperrrichtung blockiert. Oberhalb der Durchbruchspannung ist ein Stromdurchfluss in Sperrrichtung möglich. Diese Eigenschaften ermöglichen den Einsatz, um Spannung zu stabilisieren und Schäden durch Überspannung zu vermeiden.

Der Zener-Effekt und der Avalanche-Effekt

Der Zener-Effekt ist namensgebend für die Eigenschaften der Diode. Der Name ist allerdings nicht korrekt, da die Funktionsweise nicht ausschließlich auf einem Effekt beruht. Demzufolge hat sich Bezeichnung Z-Diode in Elektrotechnik gefestigt. Bei dem Stromdurchfluss in Sperrrichtung wirken in der Diode zwei Effekte. Bis zu einer Stromspannung von circa 5 V ist der Zener-Effekt die bestimmende Kraft. Bei höheren Spannungswerten zeigt sich der Lawineneffekt, der auch als Avalanche-Effekt bezeichnet wird. Die Effekte können je nach Durchgangsspannung sowohl separat oder gleichzeitig wirksam sein.

Die Bezeichnung Zener-Diode ist bei niedrigen Spannungen richtig. Bei Spannungen über 5 V ist die Bezeichnung Avalanche-Diode richtig. In einem Spannungsbereich, in dem beide Effekte auftreten, ist Z-Diode die präzise und übergreifende Bezeichnung. Z-Diode ist keine Abkürzung für Zener. Die Diodenkennlinie, die das Widerstandsverhalten bei unterschiedlichen Strömen und Spannungen beschreibt, erinnert an den Buchstaben Z. Beide Effekte sind für die charakteristischen Eigenschaften der Diode verantwortlich und erlauben es, die Diode ohne Beschädigungen in Sperrrichtung zu betreiben.

Die Durchbruchspannung einer Zener-Diode

Jede Diode wird mit einer festgelegten Durchbruchspannung konzipiert und kann in diesem Spannungsbereich verwendet werden. Die Einsatzmöglichkeiten decken ein Spektrum von wenigen Volt bis zu Voltzahlen im dreistelligen Bereich ab. Die Durchbruchspannung ist die wichtigste Kenngröße der Z-Diode. Verantwortlich für die Eigenschaften der Z-Diode ist der Aufbau aus zwei entgegengesetzt dotierten Halbleiterschichten. Die Schichten bilden einen p-n-Übergang mit der Ausbildung einer Raumladungszone oder Sperrschicht. Die Sperrschicht wirkt ähnlich wie ein Ventil, das beim Anlegen einer Spannung, den Strom fließen lässt.

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