Entmystifizierung der Zenerdioden: Was sie sind und wie sie funktionieren

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Was ist eine Zener- Diode?

Eine Zenerdiode ist eine spezielle Art von Halbleiterdiode, die Strom in die entgegengesetzte Richtung leiten kann, wenn die Durchbruchspannung über der Diode einen bestimmten Wert überschreitet. Quantentunneleffekt ist die Hauptursache dieses Phänomens, das als Zener-Durchbruch bekannt ist. Obwohl Zenerdioden mit normalen Dioden identisch sind, sind sie speziell für den Betrieb im Sperrdurchbruchmodus ausgelegt. Dies wird durch eine erhebliche Dotierung des pn-Übergangs der Diode erreicht, was die Durchbruchspannung senkt und die Vorhersagbarkeit erhöht. Sie werden für zahlreiche Zwecke eingesetzt, vom Überspannungsschutz in elektronischen Geräten bis hin zu Spannungsreglern in Stromversorgungen.

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Symbol und Aufbau der Zenerdiode

Das Symbol der Zenerdiode ähnelt dem einer herkömmlichen Diode, weist jedoch eine Zickzacklinie über dem Kathodenband auf, um ihre Fähigkeit zur Leitung in die entgegengesetzte Richtung anzuzeigen. Das Symbol der Zenerdiode wird unten angezeigt:

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Die Struktur der Zenerdiode ist unten dargestellt:

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Die Zenerdiode besteht aus einem hochdotierten pn-Übergang. Das elektrische Feld am pn-Übergang weitet sich aus, wenn eine Sperrspannung an die Diode angelegt wird. Das elektrische Feld wird stark genug, um bei einer bestimmten Spannung Quantentunneln zu ermöglichen, wodurch Elektronen vom Valenzband der p-Region in das Leitungsband der n-Region wandern können. Dies führt dazu, dass ein Rückstrom durch die Diode fließt.

Video zu Zenerdioden

Eigenschaften von Zenerdioden

Die folgenden sind die wichtigsten Eigenschaften von Zenerdioden:

Durchbruchspannung: Die Spannung, bei der eine Zenerdiode beginnt, Strom in die entgegengesetzte Richtung zu leiten, wird als Durchbruchspannung bezeichnet. Normalerweise liegt diese Spannung zwischen 1,2 und 200 Volt.
Leistungsverlust: Die höchste Leistung, die eine Zenerdiode verlieren kann, bevor sie beschädigt wird, ist ihre Leistungsverlust. Normalerweise liegt dieser Wert zwischen 0,25 W und 50 W.
Zener-Impedanz: Der Widerstand der Zener-Diode im Bereich des Sperrdurchbruchs wird als Zener-Impedanz bezeichnet. Er hat normalerweise einen relativ niedrigen Wert zwischen 1 und 10.

Zener-Dioden vs. Schottky-Dioden

Schottky-Dioden sind ein weiterer Diodentyp, der häufig in elektronischen Schaltkreisen verwendet wird. Sie können Strom in die entgegengesetzte Richtung leiten, was sie mit Zener-Dioden vergleichbar macht. Zwischen den beiden Diodenarten gibt es jedoch einige wesentliche Unterschiede.

Durchbruchspannung: Schottky-Dioden haben typischerweise eine Durchbruchspannung zwischen 0,3 V und 2 V, die wesentlich niedriger ist als die von Zener-Dioden. Sie sind daher für Anwendungen ungeeignet, die eine Spannungsregelung erfordern.
Durchlassspannungsabfall: Schottky-Dioden haben typischerweise einen Durchlassspannungsabfall zwischen 0,2 V und 0,4 V, der kleiner ist als der von Zener-Dioden. Sie sind daher perfekt für Anwendungen wie Stromversorgungsschaltungen geeignet, bei denen ein geringer Spannungsverlust entscheidend ist.
Schaltgeschwindigkeit: Schottky-Dioden schalten deutlich schneller als Zener-Dioden, was sie perfekt für Hochfrequenzanwendungen macht.

Zener-Diode als Spannungsregler

Spannungsregler sind eine der am häufigsten verwendeten Zener-Dioden-Anwendungen. Ein Spannungsregler ist eine Schaltung, die die Ausgangsspannung trotz Änderung der Eingangsspannung konstant hält. Durch Ausnutzung der Sperrdurchbruchcharakteristik von Zenerdioden können einfache und effiziente Spannungsregler hergestellt werden. Nachstehend ist eine einfache Zenerdioden-Spannungsreglerschaltung dargestellt:

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In dieser Schaltung sind die Zenerdiode und die Last parallel geschaltet. Wenn die Eingangsspannung die Durchbruchspannung der Zenerdiode überschreitet, leitet die Zenerdiode den Strom in die entgegengesetzte Richtung und regelt die Ausgangsspannung auf die Zenerspannung.

Anwendungen von Zenerdioden

Zenerdioden werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, darunter:

Spannungsregelung: Zenerdioden können zur Steuerung der Spannung in einer Stromquelle verwendet werden. Die Zenerdiode hält eine konstante Spannung über der Last aufrecht, wenn sie parallel zur Last angeschlossen wird, unabhängig von Schwankungen der Eingangsspannung.
Spannungsreferenz: Zenerdioden können auch als Spannungsreferenz verwendet werden. Ein Gerät, das eine konstante und präzise Spannung erzeugt, wird als Spannungsreferenz bezeichnet. Beim Entwurf präziser elektronischer Schaltkreise werden Zenerdioden häufig als Spannungsreferenzen verwendet.
Spannungsverschiebung: Zenerdioden können zur Spannungsverschiebung verwendet werden, bei der der Spannungspegel eines Signals geändert wird. Dies ist in Situationen hilfreich, in denen die Signalspannung mit der Eingangsspannung eines anderen Geräts übereinstimmen muss.
Spannungsbegrenzung: Zenerdioden können verwendet werden, um die Spannung eines Signals zur Spannungsbegrenzung auf einen bestimmten Wert zu begrenzen. Dies ist hilfreich, um Spannungsspitzen an empfindlichen elektronischen Geräten zu verhindern.
Überspannungsschutz: Zenerdioden können auch in dieser Funktion verwendet werden. Elektronische Geräte werden durch Überspannungsschutzgeräte vor unerwarteten Spannungsspitzen geschützt. Überspannungsschutzgeräte verwenden häufig Zenerdioden, um elektronische Geräte vor Blitzeinschlägen und anderen Spannungsspitzen zu schützen.

Testen von Zenerdioden

Zenerdioden müssen vor dem Einsatz in elektronischen Schaltkreisen getestet werden. Dies liegt daran, dass Zenerdioden eine begrenzte Lebensdauer haben. Zenerdioden können mit verschiedenen Methoden getestet werden. Die Verwendung eines Diodentesters ist eine solche Methode. Der Vorwärts- und Rückwärtsspannungsabfall einer Diode kann mit einem Gerät namens Diodentester gemessen werden. Die Verwendung einer Stromquelle und eines Voltmeters ist eine zusätzliche Methode zum Testen von Zenerdioden. Der Pluspol der Stromversorgung sollte mit der Anode der Zenerdiode verbunden werden und der Minuspol sollte mit der Kathode der Zenerdiode verbunden werden, um die Diode auf diese Weise zu testen. Die Versorgungsspannung sollte dann schrittweise erhöht werden, bis sie die Zenerspannung erreicht. Die Diode beginnt bei der Zenerspannung zu leiten und unabhängig von Änderungen der Versorgungsspannung bleibt die Spannung über der Diode konstant.

Wie testet man Zenerdioden?

Um eine Zenerdiode mit einem Multimeter zu testen, befolgen Sie diese Schritte:

Wählen Sie die Diodeneinstellung des Multimeters.
Verbinden Sie den Pluspol des Multimeters mit der Kathode der Zenerdiode und den Minuspol mit der Anode.
Der Durchlassspannungsabfall der Zenerdiode sollte auf dem Multimeter sichtbar sein. Dieser Wert muss etwas höher sein als die Durchbruchspannung der Zenerdiode.
Verbinden Sie das Pluskabel mit der Anode der Zenerdiode und das Minuskabel mit der Kathode der Zenerdiode, indem Sie die Polarität der Multimeterkabel vertauschen.
Die Durchbruchspannung der Zenerdiode sollte auf dem Multimeter sichtbar sein.

Die Zenerdiode ist in gutem Betriebszustand, wenn sie beide Tests besteht. Wenn die Zenerdiode einen dieser Tests nicht besteht, ist sie defekt und sollte nicht in einem Schaltkreis verwendet werden.

Gängige Testverfahren und -geräte

Verwendung eines Zenerdiodentesters: Ein Zenerdiodentester ist ein Spezialwerkzeug, mit dem Zenerdioden getestet werden können. Zenerdiodentester sind in der Regel genauer als Multimeter, aber auch teurer.
Verwendung eines Kurvenschreibers: Ein Kurvenschreiber ist ein hochentwickeltes Instrument, mit dem eine Vielzahl elektronischer Komponenten, einschließlich Zenerdioden, getestet werden können. Kurvenschreiber sind in der Regel sehr teuer und werden normalerweise nur in Laboren und professionellen Elektronikwerkstätten verwendet.

Fazit

Als Spannungsregler und Schutz gegen Spannungsspitzen sind Zenerdioden wesentliche Komponenten der modernen Elektronik. In diesem Blogbeitrag haben wir uns mit den Grundlagen von Zenerdioden befasst und ihre Eigenschaften, Verwendung und Unterschiede zu anderen Diodentypen wie TVS- und Schottky-Dioden behandelt. Eine Schritt-für-Schritt-Anleitung zum Testen ist ebenfalls bei uns erhältlich. Ingenieure und Laien können das Potenzial von Zenerdioden nutzen, um zuverlässige und effektive elektronische Schaltkreise zu entwerfen, indem sie ihre Fähigkeiten und Anwendungen verstehen. Zenerdioden sind eine wesentliche Komponente, egal ob Sie einen Spannungsregler, eine Spannungsreferenz oder einen Überspannungsschutz erstellen. Nutzen Sie die Leistung von Zenerdioden, um die Möglichkeiten Ihrer elektronischen Kreationen zu erweitern.