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Zener-Dioden haben mir Preis für mein Wissenschaftsprojekt in der High School beschert – Und wir sind beide noch im Rennen

Schaltkreisentwickler setzen Zener-Dioden mittlerweile seit mehr als einem halben Jahrhundert als Spannungsreferenzen und Spannungsregler ein. Ich verwendete Zener zum ersten Mal 1970 in meinem Abschlussjahr an der High School in einem Stromversorgungsentwurf für ein Projekt im Rahmen einer Wissenschaftsausstellung. Bei dem Projekt handelte es sich um ein Faseroptik-Kommunikationssystem auf Basis von Infrarot-LED, Fototransistoren und Kunststoff-Lichtwellenleitern. Faseroptik-Kommunikation und Optoelektronik steckten zu diesem Zeitpunkt noch in den Kinderschuhen, weswegen mir das Wissenschaftsprojekt auch einen Preis einbrachte.

Mein Entwurf eines optischen Kommunikationssystems nutzte RTL-Digitallogik, aber nicht die „Register-Transfer-Level“-Sache von heute. Modernes RTL ist für das Logikdesign in ASIC, SoC, FPGA und CPLD vorgesehen. Mitte des 20. Jahrhunderts stand „RTL“ für „Resistor Transistor Logic“ (Widerstand-Transistor-Logik), die erste echte Logik-IC-Familie.

RTL (die Logikfamilie) wurde ursprünglich für US-Raketen- sowie Luft- und Raumfahrtanwendungen entwickelt. Sie wurde als Wunsch-Logikfamilie für den Bau des Apollo Guidance Computer (AGC) (Apollo-Leitcomputer) ausgewählt, der den Hauptantrieb und die Lagerelegungstriebwerke des Raumfahrzeugs über ein elektronisches Steuersystem regelte. Das elektronische Apollo- und AGC-Leitsystem war das erste seiner Art ohne mechanische oder hydraulische Reserve. Von 1968 bis 1972 brachte der AGC die Apollo-Missionen 8, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16 und 17 sicher zum Mond und wieder zur Erde. Zugegeben, die Apollo-Missionen 8 und 10 landeten nicht auf dem Mond, aber sie legten die gesamte Distanz inklusive des Rückwegs unbeschadet zurück.

Die Struktur des AGC nutzte Tausende der RTL-IC, und für mich war es ein kleiner Kick, dieselben hochmodernen Elektronikkomponenten in meinem Wissenschaftsprojekt zum Einsatz zu bringen. Schließlich war das Apollo-Programm zu der Zeit, als ich das Projekt entwarf, alles andere als stillgelegt.

Diese alten RTL-IC benötigten eine geregelte Spannungsversorgung von 3,6 Volt. Heute wäre wohl ein einstellbarer 3-poliger Regler wie der LM317 von Texas Instruments die erste Wahl für eine einfache lineare Spannungsversorgung, aber 3-polige Regler waren damals noch nicht sehr verbreitet, nachdem sie erst ein Jahr zuvor erfunden worden waren. Der LM317 lag mit seiner Entwicklung 1976 gar noch in der Zukunft. Das bevorzugte Bauteil für eine geregelte lineare Spannungsversorgung basierte zu dem Zeitpunkt auf einer Zener-Diode. Also war sie, was ich in meinem Wissenschaftsprojekt nutzte. Mein Entwurf enthielt mehrere Zener-Dioden von Motorola Semiconductor in Kombination mit einigen großen Durchlasstransistoren zur Erzeugung dreier geregelter Versorgungsspannungen, inklusive einer 3,6-V-Versorgung für die RTL-IC. ON Semiconductor erbte sämtliche Zener-Dioden von Motorola Semiconductor und verkauft sie noch heute neben vielen neueren, die in oberflächenmontierbaren Gehäusen untergebracht sind. Motorola Semiconductor gab ON Semiconductor sogar das alte Handbuch für Zener-Dioden weiter, das als PDF verfügbar ist (siehe Literaturhinweis 1).

Grundlagen zu Zener-Dioden

Die Funktion von Zener-Dioden unterscheidet sich bei Vorspannung in Durchlassrichtung nicht im geringsten von der anderer Dioden. Doch bei Vorspannung in Sperrrichtung verhalten sie sich anders. Bei niedrigen Spannungen in Sperrrichtung leiten Zener-Dioden keinen Strom. Genau das würde von einer herkömmlichen Halbleiterdiode erwartet. Sobald die in Sperrrichtung an der Zener-Diode anliegende Spannung jedoch die Zener- oder Durchbruchspannung erreicht, wird die Diode „durchbrochen“ und es fließt Strom.

Die Strom-Spannungskennlinie einer Zener-Diode (siehe Abbildung 1) zeigt, dass die Spannung in der Komponente im Zener-Bereich bei Vorspannung in Sperrrichtung unabhängig vom Sperrstrom nach Erreichen des minimal erforderlichen Zener-Stroms (IZT) annähernd konstant ist. Anders gesagt, bietet eine Zener-Diode also eine stabile und bekannte Referenzspannung für verschiedenste Bedingungen mit Vorspannung in Sperrrichtung.

Abbildung 1: Die Strom-Spannungskennlinie einer Zener-Diode zeigt das normale Verhalten einer Diode für eine Vorspannung in Durchlassrichtung (rechte Hälfte der Kennlinie), aber einen Durchbruch bei einer Vorspannung in Sperrrichtung, die der Zener-Spannung entspricht oder höher ausfällt (linke Hälfte der Kennlinie). (Bildquelle: ON Semiconductor)

Selbst heute, fast 50 Jahre nach meinem Wissenschaftsprojekt, eignen sich Zener-Dioden immer noch genauso gut als Spannungsreferenz, als kleine, kostengünstige Regler für Niederstrom-Spannungsversorgungen und bei gegeneinander geschalteter Anordnung sogar als Signalspannungsbegrenzer.

Die Zener-Dioden tragen den Namen von Clarence Melvin Zener, der als erster den Spannungsdurchbrucheffekt vorhersagte, welcher dann später in einer Publikation aus dem Jahre 1934 auch nach im benannt wurde. Das war lang, bevor William Shockley den zu erwartenden Effekt in frühen Halbleiterdioden bemerkte, der von den Bell Labs um 1950 bestätigt wurde. Shockley verlieh den Komponenten den Namen „Zener-Dioden“ zu Ehren der Person, die den Durchbrucheffekt vorhergesagt hatte.

In einem Schaltplan ist eine Zener-Diode an den zwei Flügeln am Strich auf der Kathodenseite des Diodensymbols zu erkennen (siehe Abbildung 2). Deuten kann man den abgewandelten Kathodenstrich des Schaltplansymbols für die Zener-Diode entweder als abstrahierte Darstellung der Durchbruchkennlinie der Diode oder als stilisiertes „Z“ für „Zener“. (Das ist zumindest, was ich damit assoziiere.)

Abbildung 2: Je nach Perspektive repräsentiert der Strich auf der Kathodenseite des Schaltplansymbols für eine Zener-Diode die Durchbruchkennlinie der Komponente oder ein stilisiertes „Z“ für „Zener“. (Bildquelle: ON Semiconductor)

Die wesentliche Eigenschaft einer Zener-Diode ist die Beibehaltung einer annähernd konstanten Spannung, wenn in Sperrrichtung eine ausreichende Spannung und genug Strom (in der Regel einige Milliampere) angelegt werrden, um den Zener-Effekt herbeizuführen und aufrechtzuerhalten. Diese annähernd konstante Spannung kann als Referenzspannung dienen.

Zener-Dioden sind mit einer riesigen Auswahl fester Spannungen verfügbar. Ein kurzer Blick auf Digi-Keys Produktseite für Zener-Dioden ergibt eine Liste von mehr als 2.988 verfügbaren Komponenten (ausschließlich von ON Semiconductor) mit mehr als 150 verschiedenen Zener-Nenndurchbruchspannungen von 1,2 bis 200 Volt.

Genau genommen ist eine Zener-Diode mit einer Durchbruchspannung in Sperrrichtung von mehr als etwa 5,5 Volt eine Avalanche-Diode. Aber beide Dioden weisen einen ähnlichen Durchbrucheffekt auf, mit dem sich diese Komponenten als Spannungsreferenz eignen. Deswegen werden sie üblicherweise unter der Bezeichnung „Zener“ zusammengefasst.

Der Bereich von Durchbruchspannungen für Zener-Dioden kann einen leicht erschlagen. Im Wesentlichen sind sie in 0,1-Volt-Schritten von 1,2 bis 7 Volt erhältlich. Damit ist es relativ unwahrscheinlich, dass bei Verwendung einer Zener-Diode zur Ausgabe einer bestimmten Referenzspannung eine Trimmung erforderlich wird.

Einsatz von Zener-Dioden

Ausschlaggebend für die Nutzung einer Zener-Diode als Spannungsreferenz oder Spannungsregler ist sicherzustellen, dass sie mit ausreichend Strom versorgt wird (von wenigen bis einigen Milliampere), um den Zener-Effekt aufrechtzuerhalten. Dazu wird ein Reihenwiderstand geeigneter Größe genutzt (siehe Abbildung 3). Der Widerstandswert und die Wattzahl sind von den Werten für Vin und Vref abhängig.

Abbildung 3: In einer einfachen Zener-Spannungsreferenz bzw. einem Zener-Spannungsregler versorgt ein geeigneter Widerstand die Zener-Diode mit ausreichend Strom zur Aufrechterhaltung des Zener-Effekts. (Bildquelle: ON Semiconductor)

Die Schaltanordnung kann entweder als Zener-Spannungsreferenz oder als Zener-Spannungsregler für Niederstrom-Spannungsversorgungen fungieren. Besonders für konstante Niederleistungslasten kann eine Zener-Diode als kostengünstiger Regler dienen. Bei Schwankungen der Last schwankt auch der Strom durch die Zener-Diode. Die Zener-Diode muss von der Last ungenutzte Ströme aufnehmen. Das ist extrem wichtig, denn die Zener-Diode sollte bei einem Abfall des Laststroms auf Null in der Lage sein, den gesamten Strom vom Reihenwiderstand abzuführen.

Die maximale Leistung, die die Zener-Diode ableiten muss, ergibt sich aus dem durch die Diode fließenden Strom multipliziert mit der Zener-Spannung. Bei Konstantstromlasten sollte die Größe des Widerstands so gewählt werden, dass nur so viel Strom durch die Diode fließt, wie für das Auslösen und Erhalten des Zener-Durchbrucheffekts notwendig. Der verbleibende Strom sollte durch die Last fließen. Wenn die Last auf Null abfallen kann, ergibt der Strom durch die Zener-Diode bei Null multipliziert mit der Zener-Spannung die absolute Minimalleistung, die die Zener abführen können muss. Wie immer gilt auch hier, die Nennleistung der Zener-Diode mit genug Spielraum zu versehen, um ein Überhitzen in Anwendungen zu vermeiden, in denen der Laststrom schwanken kann.

Detaillierte Anwendungsinformationen und die erforderlichen Gleichungen zur Berechnung des geeigneten Widerstandswertes für eine bestimmte Zener-Anwendung können Sie dem bereits erwähnten Handbuch für Zener-Dioden von ON Semiconductor entnehmen.

Der benötigte Strom zur Aufrechterhaltung des Zener-Durchbrucheffekts fällt in der Größenordnung von Milliampere aus, was wahrscheinlich für Niederstromschaltkreise ein Problem darstellt. Zweipolige Spannungsreferenzen (auch als Bandabstandsreferenzen bezeichnet) mit sehr kleinen Betriebsströmen sind jetzt für solche Anwendungen verfügbar.

So zum Beispiel die präzise Niederleistungs-Shunt-Spannungsreferenz LM4040 von Texas Instruments, die einen minimalen Kathodenstrom von weniger als 80 Mikroampere (µA) besitzt und mit festen Referenzspannungen von 2,048, 2,5, 3, 4,096, 5, 8,192 und 10 Volt sowie werksgetrimmten Spannungstoleranzen von 0,1 bis 1 Prozent verfügbar ist.

Im Einsatz entspricht der Schaltungsentwurf für diese Spannungsreferenzen dem für die Zener-Diode (siehe Schaltplan in Abbildung 3). Die beiden aktiven Klemmen der Spannungsreferenz LM4040 werden wie bei einer Diode als Anode und Kathode bezeichnet. Dennoch ist die LM4040 ganz offensichtlich keine Diode, wie in der schematischen Darstellung (Abbildung 4) zu erkennen ist.

Abbildung 4: Die schematische Darstellung des Innenaufbaus einer Spannungsreferenz LM4040 zeigt, dass sie weit mehr als eine einfache Diode ist. (Bildquelle: Texas Instruments)

Fazit

Bloß weil eine Komponente schon eine Weile existiert, heißt das nicht, dass sie keinen Nutzen mehr hat. Bauteilehersteller fertigen Zener-Dioden seit mehr als sechs Jahrzehnten und ein Ende ist nicht abzusehen, weil sie noch immer dieselbe Funktion wie zu Beginn übernehmen. Ich habe mich über die Jahre auch ein wenig verändert, und mit mir meine Aufgaben, aber auch ich gehöre noch nicht zum alten Eisen (glücklicherweise).

Falls Sie eine Spannungsreferenz brauchen, die weniger Betriebsstrom benötigt, vergessen Sie nicht, sich auch die zweipoligen Spannungsreferenzen anzusehen.

 

Literatur:

1: ON Semiconductor - Zener Theory and Design Considerations

Über den Autor

Image of Steve Leibson Steve Leibson war Systemingenieur für HP und Cadnetix, der Chefredakteur für EDN und Microprocessor Report, ein Tech-Blogger für Xilinx und Cadence (u.a.) und er diente als Technologieexperte für zwei Folgen von „The Next Wave with Leonard Nimoy“. Er hilft Entwicklern seit 33 Jahren, bessere, schnellere und zuverlässigere Systeme zu entwickeln.
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