Zener-Stabilisierung

Eine Z-Diode mit Vorwiderstand ist die einfachste Art, eine Spannung festzuhalten: ein Widerstand, eine Diode, fertig. Für eine Referenzspannung, einen kleinen Sensor oder als Schutz eines Eingangs reicht das oft. Ob die Schaltung zuverlässig arbeitet, hängt aber am Vorwiderstand. Ist er zu groß, bricht die Spannung bei voller Last ein. Ist er zu klein, glüht die Z-Diode, sobald die Last wegfällt. Der Rechner bestimmt den passenden Normwert und prüft beide Grenzfälle. Wie die Z-Diode im Durchbruch arbeitet, erklärt der pn-Übergang, wo die Schaltung zwischen Linear- und Schaltregler steht, die Konstantspannungsquelle.

So rechnet der Rechner

Die Z-Diode liegt in Sperrrichtung parallel zur Last, die Kathode am Pluspotential. Durch den Vorwiderstand R_V fließt der Strom für beide. Die Z-Diode nimmt immer den Teil, den die Last gerade nicht braucht. Damit sie sicher im Durchbruch bleibt, braucht sie einen kleinsten Strom I_Z,min. Der ungünstigste Fall für die Regelung ist also: kleinste Eingangsspannung und größter Laststrom. Daraus folgt der Vorwiderstand:

• U_ein,min: die kleinste Eingangsspannung, die vorkommt
• U_Z: die Z-Spannung, etwa 5,1 V bei einer BZX79C5V1
• I_Z,min: der Strom, den die Z-Diode mindestens braucht; ohne Datenblatt sind 5 mA ein guter Wert
• I_L,max: der größte Laststrom

Der Rechner nimmt den nächstkleineren Wert aus der E-Reihe E12. So fließt eher etwas mehr Strom, und die Z-Diode regelt auch im ungünstigsten Fall. Mit diesem Normwert R_N prüft er das andere Extrem: größte Eingangsspannung und kleinste Last. Dann fließt der größte Strom durch den Widerstand, und fast alles davon geht durch die Z-Diode:

Im Leerlauf ist I_L,min = 0, die Z-Diode trägt den ganzen Strom. Am Widerstand fallen

an. Aus der Nennleistung P_tot der Z-Diode ergibt sich ihr größter Strom I_Z,max = P_tot / U_Z. Ist I_R,max größer, muss die Last immer mindestens die Differenz abnehmen. Diese kleinste zulässige Last zeigt der Rechner an, dazu den größten Laststrom, bei dem die Z-Diode noch I_Z,min bekommt.

So benutzt du ihn

• Eingangsspannung kleinste und größte: zum Beispiel „12 V“ und „14 V“ für ein Netzteil mit Schwankung. Lässt du die größte leer, rechnet der Rechner mit einer festen Spannung.
• Z-Spannung: den Wert aus der Typbezeichnung, „5,1“ für eine BZX79C5V1. Wie man ihn abliest, steht unter Kennzeichnung von Dioden.
• Laststrom kleinster und größter: etwa „0 mA“ und „20 mA“. Schreibweisen wie „20m“ oder „0,02“ gehen auch.
• Kleinster Z-Strom: aus dem Datenblatt, sonst 5 mA. Kleine Z-Dioden sind oft schon ab 1 mA stabil, die Spannung stimmt dann aber nicht mehr ganz mit dem Nennwert überein.
• Z-Diode: die Leistungsklasse, 300 mW im SOT-23, 500 mW im Glasgehäuse DO-35 oder 1,3 W im DO-41.

Die Grafik zeigt die Schaltung mit den Strömen bei kleinster Eingangsspannung und größter Last. Darunter siehst du, wie sich der Strom im besten und im schlechtesten Fall auf Z-Diode und Last aufteilt.

Beispiel

Voreingestellt sind 12 bis 14 V am Eingang, eine 5,1-V-Z-Diode mit 500 mW, eine Last zwischen 0 und 20 mA und ein kleinster Z-Strom von 5 mA.

Der Wirkungsgrad liegt bei Volllast nur bei rund 33 %. Zwei Drittel der Leistung aus der Quelle werden zu Wärme. Das ist der Preis für die einfache Schaltung.

Zur Kontrolle ein Lehrbuchfall: 12 V Eingang, 5 V Z-Spannung, 20 mA Last und 5 mA Z-Strom ergeben 7 V / 25 mA = 280 Ω. Der Rechner zeigt 280 Ω rechnerisch und 270 Ω als Normwert.

Praxis und typische Fehler

• Auf die Leerlauf-Leistung achten. Wird die Last abgezogen, muss die Z-Diode den ganzen Strom schlucken. Wer nur mit Volllast rechnet, merkt das erst, wenn die Diode verbrannt ist.
• Nennleistung nicht ausreizen. Die Angabe im Datenblatt gilt bei 25 °C Umgebung und oft für lange Anschlussbeine als Kühlfläche. In einem warmen Gehäuse sind zwei Drittel davon eine vernünftige Grenze. Der Rechner warnt ab 75 %. Mehr dazu unter Wärme und Kühlung.
• Große Schwankung am Eingang. Je weiter U_ein,min und U_ein,max auseinanderliegen, desto mehr Leistung verheizt die Z-Diode. Ab etwa 50 mA Laststrom oder großer Schwankung ist ein Linearregler fast immer die bessere Wahl, siehe LM317 und Linearregler und Kühlkörper.
• Z-Spannung ist kein Präzisionswert. Eine BZX79C5V1 darf zwischen etwa 4,8 und 5,4 V liegen, dazu kommen der differentielle Widerstand und der Temperaturgang. Unter etwa 5 V ist die Kennlinie zudem weich. Für eine genaue Referenz gibt es Bandgap-Referenzen wie den TL431.
• Verpolt eingebaut. In Flussrichtung leitet die Z-Diode wie jede Diode bei etwa 0,7 V. Liegt am Ausgang statt 5,1 V nur 0,7 V an, ist sie falsch herum eingelötet.

Der Vorwiderstand folgt demselben Prinzip wie bei einer LED, siehe Vorwiderstand und den LED-Vorwiderstand-Rechner. Den passenden Normwert in einer anderen Reihe findest du mit Normwert finden.

Häufige Fragen

• Warum rundet der Rechner hier ab und beim LED-Rechner auf? Bei der LED darf nie mehr Strom fließen als geplant. Bei der Z-Diode darf nie weniger fließen, sonst regelt sie nicht. Der kleinere Widerstand erhöht dafür die Leistung im Leerlauf, die der Rechner gleich mitprüft.
• Was heißt „leerlauffest“? Die Z-Diode übersteht auch den Fall ohne Last bei höchster Eingangsspannung. Dann darf die Last beliebig wegfallen.
• Kann ich zwei Z-Dioden parallel schalten? Besser nicht. Die mit der etwas kleineren Z-Spannung übernimmt fast den ganzen Strom. Nimm eine größere Leistungsklasse.
• Wie viel Strom darf ich entnehmen? Höchstens den Wert „Größter Laststrom“. Darüber bekommt die Z-Diode bei kleinster Eingangsspannung zu wenig Strom, und die Ausgangsspannung sinkt.