Z-Diode

Du willst aus einer schwankenden 12-V-Versorgung eine feste Hilfsspannung von 5 V gewinnen, nur für ein paar Milliampere. Oder ein Mikrocontroller-Eingang soll nie mehr als eine bestimmte Spannung sehen. Für solche Aufgaben ist die Z-Diode das einfachste Bauteil: Sie wird absichtlich in Sperrrichtung betrieben und hält dort, sobald sie durchbricht, ihre Spannung nahezu konstant – egal, ob gerade 5 mA oder 20 mA durch sie fließen.

Aufbau und Funktionsweise

Eine Z-Diode ist eine Siliziumdiode mit einem einzigen pn-Übergang, genau wie eine gewöhnliche Diode. In Durchlassrichtung verhält sie sich auch so: Ab etwa 0,7 V leitet sie. Der Unterschied liegt in der Sperrrichtung. Eine normale Diode soll dort möglichst hohe Spannungen aushalten; bei der Z-Diode ist die Durchbruchspannung durch die Dotierung gezielt auf einen bestimmten Wert gelegt – handelsüblich von etwa 2,4 V bis über 100 V. Wird diese Spannung erreicht, steigt der Sperrstrom steil an, ohne dass das Bauteil Schaden nimmt, solange die Verlustleistung im Rahmen bleibt.

Hinter dem Durchbruch stecken zwei verschiedene Mechanismen:

• Zener-Effekt: Bei sehr hoher Dotierung ist die Raumladungszone extrem dünn. Die Feldstärke darin wird so groß, dass Elektronen direkt durch die Energiebarriere tunneln – ein Effekt aus der Quantenphysik. Er bestimmt Z-Dioden bis etwa 5 V.
• Lawineneffekt: Bei schwächerer Dotierung ist die Zone breiter. Einzelne Ladungsträger werden im Feld so stark beschleunigt, dass sie beim Zusammenstoß weitere Elektronen aus dem Gitter schlagen, die wiederum neue freisetzen. Dieser Mechanismus bestimmt Z-Dioden oberhalb von etwa 6 V.

Zwischen 5 und 6 V wirken beide zusammen. Der Name erinnert an den Physiker Clarence Zener und gilt für beide Arten.

Schaltzeichen

Das Schaltzeichen ist das der Diode – Dreieck in Durchlassrichtung, Strich an der Kathode –, nur trägt der Kathodenstrich einen kurzen abgewinkelten Haken. In amerikanischen Plänen ist der Strich an beiden Enden abgeknickt und erinnert an ein Z. Am Bauteil markiert ein Ring die Kathode, wie bei jeder Diode (siehe Kennzeichnung von Dioden).

Kennlinie und Kennwerte

In der Kennlinie siehst du rechts den gewohnten Durchlassbereich. Links bleibt der Strom zunächst winzig, bis die Spannung den Wert U_Z erreicht. Dann knickt die Kurve ab und fällt fast senkrecht. In diesem steilen Stück, dem Arbeitsbereich zwischen I_Zmin und I_Zmax, betreibst du die Diode.

Wie steil der Abschnitt ist, beschreibt der differentielle Widerstand r_Z = ΔU_Z / ΔI_Z. Je kleiner er ist, desto besser stabilisiert die Diode. Die wichtigsten Datenblattwerte am Beispiel der verbreiteten Reihe BZX79 (Glasgehäuse, bis 500 mW):

Zwei Dinge fallen auf. Erstens ist der Knick bei kleinen Z-Spannungen weich: Eine 5,1-V-Diode hat bei 5 mA einen fast siebenmal so großen r_Z wie eine 6,2-V-Diode. Am besten stabilisieren Typen um 6 bis 8 V. Zweitens wechselt der Temperaturkoeffizient das Vorzeichen: Der Zener-Effekt hat einen negativen, der Lawineneffekt einen positiven TK. Um 5,1 bis 5,6 V heben sich beide fast auf; darüber wächst der TK mit der Spannung (12 V: etwa +8 mV/K). Warum Halbleiter überhaupt so temperaturempfindlich sind, erklärt Temperaturverhalten von Halbleitern.

Den höchsten Dauerstrom bestimmt die Verlustleistung: I_Zmax = P_tot / U_Z. Für eine 5,1-V-Diode mit 400 mW sind das etwa 78 mA. Wie viel davon wirklich zulässig ist, hängt davon ab, wie gut die Wärme über die Anschlüsse abfließt (siehe Wärme und Kühlung).

Bauformen

Klassisch ist das kleine Glasgehäuse DO-35 mit 400–500 mW (Reihen BZX79, BZX55, 1N52xx). Für rund 1 W gibt es das Kunststoffgehäuse DO-41 (Reihe 1N47xx). Auf SMD-Platinen findest du Z-Dioden in SOD-123 und SOD-323 (z. B. BZT52, MMSZ52xx, BZX384) sowie im dreibeinigen SOT-23 (BZX84, rund 250–300 mW). Im SOT-23 ist ein Anschluss oft unbenutzt; welcher Pin Anode und welcher Kathode ist, steht im Datenblatt. Die Spannungen folgen meist der E24-Reihe: 4,7 – 5,1 – 5,6 – 6,2 – 6,8 V und so weiter. Wie der Typcode die Spannung verrät (C5V1 = 5,1 V, Klasse C), steht unter Kennzeichnung von Z-Dioden.

Spannungsstabilisierung mit Vorwiderstand

Die Grundschaltung besteht aus einem Vorwiderstand R_V und der Z-Diode parallel zur Last. Der Vorwiderstand nimmt die Differenz zwischen Eingangs- und Z-Spannung auf, genau wie ein Vorwiderstand vor einer LED. Der Strom durch ihn teilt sich: Was die Last nicht braucht, fließt durch die Diode. Steigt die Eingangsspannung, nimmt die Diode mehr Strom auf; zieht die Last mehr, nimmt die Diode weniger auf. Die Ausgangsspannung bleibt dabei nahe U_Z.

Den Vorwiderstand legst du für den ungünstigsten Fall aus: kleinste Eingangsspannung und größter Laststrom. Dann muss noch der Mindeststrom I_Zmin durch die Diode fließen:

Rechne deine eigenen Werte mit dem Rechner nach:

Weitere Anwendungen

• Referenz für einen Transistorregler: Die Z-Diode liefert nur die Sollspannung, ein Transistor als Emitterfolger übernimmt den Laststrom. So bleibt der Strom durch die Diode klein und konstant.
• Spannungsbegrenzung: Eine Z-Diode hinter einem Widerstand kappt Spitzen an einem Eingang, etwa an einem Signal aus einem 24-V-System, das in eine 5-V-Logik führt.
• Temperaturkompensierte Referenz: Eine Z-Diode um 6,2 V (TK etwa +2 mV/K) in Reihe mit einer normalen Siliziumdiode in Durchlassrichtung (etwa −2 mV/K) ergibt rund 6,9 V mit sehr kleinem Temperaturgang.

Für genaue Referenzen gibt es heute eigene ICs wie den TL431, siehe Spannungsreferenz. Gegen energiereiche Überspannungsimpulse, etwa auf Versorgungsleitungen, ist die TVS-Diode gebaut, die bei gleicher Größe ein Vielfaches an Impulsleistung verträgt.

Auswahl und Praxistipps

Wähle die Z-Spannung so, dass sie mit ihrer Toleranz (Klasse C: rund ±5 %) zur Schaltung passt, prüfe dann Verlustleistung und Temperaturverhalten. Brauchst du mehr als etwa 20–30 mA Laststrom oder gute Genauigkeit, ist ein Spannungsregler meist die bessere Wahl – die Z-Diode verheizt im Leerlauf ständig den vollen Strom.

Häufige Fehler:

• Falsch herum eingebaut: In Durchlassrichtung liegen statt 5,1 V nur etwa 0,7 V an. Ring zur positiven Seite!
• Kein Vorwiderstand: Direkt an einer Spannungsquelle über U_Z fließt ein Strom, den nichts begrenzt.
• Zu kleiner Strom: Unterhalb von I_Zmin sitzt die Diode im weichen Knick, die Spannung liegt spürbar unter dem Nennwert. Bei Schaltungen mit wenigen Mikroampere stabilisiert eine Z-Diode kaum.
• Leckstrom an Messeingängen: Niedrige Z-Dioden (3,3 V, 4,7 V) leiten schon deutlich unter U_Z einige Mikroampere. Als Schutz an einem hochohmigen ADC-Eingang verfälscht das den Messwert.
• Leistung nur im Normalbetrieb gerechnet: Leerlauf und höchste Eingangsspannung ergeben die größte Last für die Diode.

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