Sie benötigen einen einfachen Z-Dioden-Tester? Hier finden Sie eine einfache Schaltung dafür. Doch zunächst soll es um die Funktion und um die Eigenschaften der Z-Diode gehen.
Sie kennen die Funktion herkömmlicher Dioden, den Strom in nur einer Richtung fließen zu lassen?
Genau das macht eine Z-Diode auch, aber sie hat eine Besonderheit:
Sie lässt den Strom auch in Sperrrichtung fließen, aber erst ab einer bestimmten Spannung. Lesen Sie in diesem Beitrag mehr über dieses unscheinbare, aber praktische Halbleiterbauteil.
Die Z-Diode, auch als Zener-Diode bekannt, spielt in vielen alltäglichen Geräten eine wichtige Rolle, vor allem im Bereich der Stromversorgung innerhalb von Netzteilen. Man setzt sie dazu ein, Spannungen zu stabilisieren und elektronische Schaltungen vor Schäden zu schützen.
In diesem Blogbeitrag lernen Sie, wie eine Z-Diode funktioniert, wo sie eingesetzt wird und welche Geschichte hinter ihrem Namen steckt. Erfahren Sie außerdem, wie Sie mit einer einfachen Schaltung einen Z-Dioden-Tester selbst bauen können.
Die Funktionsweise der Z-Diode
Die Z-Diode unterscheidet sich in einem wichtigen Punkt von einer gewöhnlichen Diode: Während eine normale Diode den Strom nur in einer Richtung durchlässt, kann die Z-Diode auch in Sperrrichtung leiten – allerdings erst ab einer bestimmten Spannung, der sogenannten Durchbruchspannung.
Sobald diese erreicht ist, fließt ein starker Strom, ohne dass die Spannung weiter ansteigt. Dieser Effekt, der auf dem sogenannten Zener-Effekt oder dem Lawinen-Effekt beruht, macht die Z-Diode besonders für die Spannungsstabilisierung geeignet.
Was ist der Zener-Effekt oder Lawinen-Effekt?
Bei Spannungen unter 5 Volt spricht man vom Zener-Effekt. Dieser wurde nach dem amerikanischen Physiker Clarence Melvin Zener benannt, der ihn entdeckte. Ab etwa 5 Volt bis 65 Volt tritt zusätzlich der Lawinen-Effekt auf, bei dem die Ladungsträger so stark beschleunigt werden, dass sie weitere Elektronen aus ihren Bindungen herausreißen – wie eine Lawine, die immer mehr Schnee mit sich reißt.
Die Z-Diode arbeitet einfach gesagt wie eine Art Sicherheitsventil für den Strom:
Sie lässt den Strom in Sperrrichtung erst ab einem bestimmten Spannungswert fließen und kann dadurch verhindern, dass empfindliche Bauteile durch Überspannung beschädigt werden.
Anwendung der Z-Diode – wo wird sie eingesetzt?
Z-Dioden finden sich in vielen Bereichen der Elektronik. Besonders bei der Spannungsstabilisierung und Spannungsbegrenzung sind sie äußerst nützliche Bauteile. Hier sind einige typische Anwendungen für die Z-Diode:
- Eines der wichtigsten Einsatzgebiete der Z-Diode ist die Spannungsstabilisierung. Z-Dioden halten die Spannung trotz wechselnder Stromstärken konstant. Das ist unter anderem in Netzteilen oder Ladegeräten wichtig, um eine möglichst konstante Ausgangsspannung zu erhalten, und das auch bei Schwankungen des Ausgangsstroms durch wechselnde Belastung der Spannungsquelle.
- Ein weiteres Gebiet ist die Spannungsbegrenzung. In Schaltungen, in denen Spannungen auf einen Maximalwert begrenzt werden müssen, kommen Z-Dioden ebenfalls zum Einsatz. Ein Beispiel ist der Schutz von Mikroprozessoren, die sehr empfindlich auf Spannungsschwankungen und Überspannungen reagieren.
- Auch in der Signalverarbeitung kommt die Z-Diode zum Einsatz. In der Mess- und Regeltechnik etwa werden Z-Dioden verwendet, um präzise Spannungen zu regeln oder um Bezugsspannungen im Bereich der Mess- und Regeltechnik zur Verfügung zu stellen.
Z-Dioden eignen sich besonders gut für Schaltungen, die eine relativ geringe, dafür aber konstante Stromaufnahme aufweisen. Wenn jedoch größere Stromschwankungen zu erwarten sind, sollten Sie besser auf Spannungsregler zurückgreifen.
Vor- und Nachteile der Z-Diode
Ein großer Vorteil der Z-Diode ist ihre einfache Anwendung und ihr günstiger Preis. Für Schaltungen, die eine konstante Spannung benötigen, sind Z-Dioden besonders gut geeignet.. Doch auch sie haben ihre Grenzen.
Vorteile:
Z-Dioden sind preiswert und zuverlässig, solange sie innerhalb ihrer Spezifikationen betrieben werden. Sie eignen sich besonders gut zur Spannungsstabilisierung in kleinen Schaltungen. Außerdem lassen sie sich mit nur wenigen zusätzlichen Bauteilen einfach einsetzen. Mehr dazu können Sie weiter unten lesen, wenn es um den Z-Dioden-Tester geht, den Sie mit einfachen Mitteln selbst aufbauen können.
Nachteile:
Bei der Verarbeitung von Signalen kann es zu Verfälschungen der Signale kommen, da die Dioden nichtlinear arbeiten. Nichtlinear bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Beziehung zwischen zwei Größen, wie Spannung und Strom, nicht in einem festen, gleichbleibenden Verhältnis steht. Und das wiederum bedeutet, dass eine Änderung der Spannung nicht zu einer proportionalen Änderung des Stroms führt. Deshalb sind sie für solche Einsatzzwecke nur bedingt geeignet. Außerdem reagieren sie auf Temperaturänderungen, was in Präzisionsanwendungen mitunter für Probleme sorgt.
Z-Dioden sind zwar gut geeignet für Schaltungen mit geringer und relativ konstanter Stromaufnahme. Bei größeren Stromschwankungen oder höheren Strömen arbeiten sie aber weniger effektiv und könnten bei zu starken Strömen beschädigt werden. Das gilt besonders dann, wenn die Z-Diode außerhalb ihrer Spezifikationen betrieben wird.
Unterschied zwischen Zener-Diode und Avalanche-Diode
Oft wird der Begriff Zener-Diode verwendet, auch wenn nicht der Zener-Effekt, sondern der Lawinen-Effekt dominiert. Das liegt daran, dass Zener- und Avalanche-Dioden in ihren Funktionsprinzipien und Anwendungen ähnlich sind. Der Unterschied liegt in der Höhe der Durchbruchspannung:
- Zener-Dioden wirken bis etwa 5 Volt und basieren auf dem Zener-Effekt.
- Avalanche-Dioden sind ab etwa 5 Volt aktiv und arbeiten mit dem Lawinen-Effekt.
Interessanterweise ist die Bezeichnung „Z-Diode“ jedoch nicht auf den Zener-Effekt zurückzuführen, sondern an der charakteristischen z-förmigen Kennlinie der Z-Dioden.
Die Geschichte der Z-Diode – ein Blick zurück
Die Z-Diode erhielt ihren Namen von Clarence Melvin Zener, einem amerikanischen Physiker, der in den 1930er Jahren den Zener-Effekt entdeckte. Dieser Effekt beschreibt das Phänomen, dass Elektronen unter bestimmten Bedingungen aus ihren Bindungen in einem Kristall gelöst werden, was die elektrische Leitfähigkeit erhöht. Clarence Melvin Zener war ein bedeutender Physiker seiner Zeit. Seine Entdeckungen fanden schnell Anwendung in der Entwicklung elektronischer Bauelemente.
Seit den 1970er Jahren hat sich der Begriff „Z-Diode“ durchgesetzt, da nicht nur der Zener-Effekt, sondern auch der Lawinen-Effekt eine Rolle spielt. Und trotz ihrer mittlerweile sehr langen Geschichte sind Z-Dioden auch heute noch in unzähligen modernen elektronischen Geräten eingesetzt.
Anwendung der Z-Diode in eigenen Schaltungen
Kommen wir nun wirklich interessanten Teil dieses Beitrags. Jetzt geht es um die praktische Anwendung der Z-Diode und dem Z-Dioden-Tester.
Zenerdioden bzw. Z-Dioden sind eine sehr praktische Sache, wenn es darum geht, eine elektrische Spannung mit einfachen Mitteln zu stabilisieren.
Es gibt diese Dioden mit sehr vielen verschiedenen Spannungswerten. Leider sind sie oft so klein auf die Bauteile aufgedruckt, dass man die aufgedruckten Spannungswerte fast gar nicht erkennen kann.
Außerdem möchte man ja vor deren Einsatz wissen, ob die Zenerdiode überhaupt noch funktioniert. Besonders gilt dies dann, wenn man das Bauteil aus einer alten Platine ausgelötet hat.
Sie benötigen einen einfachen Z-Dioden-Tester? Hier finden Sie eine einfache Schaltung dafür.
Zenerdioden bzw. Z-Dioden sind eine sehr praktische Sache, wenn es darum geht, eine elektrische Spannung mit einfachen Mitteln zu stabilisieren. Es gibt diese Dioden mit sehr vielen verschiedenen Spannungswerten. Leider sind sie oft so klein, dass man die aufgedruckten Spannungswerte fast gar nicht erkennen kann. Außerdem möchte man ja vor deren Einsatz wissen, ob die Zenerdiode überhaupt noch funktioniert. Besonders gilt dies dann, wenn man das Bauteil aus einer alten Platine ausgelötet hat.
Hier ist eine einfache Schaltung zur Spannungsstabilisierung mithilfe einer Z-Diode.
Mit einer solchen Schaltung lassen sich nur Spannungen mit geringen Ausgangsströmen stabilisieren. Der Widerstand ist erforderlich, um die Z-Diode nicht zu überlasten, indem die entsprechende Stromstärke durch das Bauteil begrenzt wird.
Berechnung des Vorwiderstandes für die Z-Diode
Der Widerstandswert hängt unter anderem von der Höhe der Eingangsspannung und dem Spannungswert der Z-Diode ab.
Nehmen wir an, die in der Schaltung verwendete Z-Diode D1 hat eine Spannung von 5,1 Volt. Der maximale Strom durch die Diode soll nicht höher sein als 50 Milliampere (mA). Verändert sich die Eingangsspannung in einem Bereich zwischen etwa 6 und 10 Volt, bleibt die Spannung am Ausgang der Schaltung trotzdem konstant bei 5,1 Volt.
Und so funktioniert es:
Die Eingangsspannung liegt an einer Reihenschaltung an, die aus dem Widerstand R1 und der Z-Diode D1 besteht. Solange die Eingangsspannung unter der Spannung der Z-Diode liegt, entspricht die Spannung am Ausgang dieser Eingangsspannung, solange der Ausgang unbelastet ist und keine Spannung am Widerstand abfällt.
Erreicht nun aber die Eingangsspannung die Z-Diodenspannung, so wird diese leitend. Am Widerstand fällt nun eine Spannung ab, die sich aus dem Widerstandswert von R1 und dem Strom durch den Widerstand ergibt. Es ergibt sich also eine Spannungsteilung aus dem Spannungswert der Z-Diode und der am Widerstand abfallenden Spannung, welche die Differenz zwischen Eingangsspannung und Z-Diodenspannung bildet.
Wichtig dabei ist aber, dass der maximale Strom durch die Diode (hier in unserem Beispiel 50 mA) nicht überschritten wird. Um das zu verhindern, muss der Widerstandswert korrekt berechnet werden. Der Widerstandswert ergibt sich aus der Differenz zwischen Eingangsspannung und Z-Diodenspannung (= Spannung am Widerstand). Bei einer Eingangsspannung von 12 Volt wären das 6,9 Volt (12 Volt – 5,1 Volt). Diese Spannung muss nun durch die Stromstärke in Ampere geteilt werden, also durch 0,05 (50 mA = 0,05 A). Das ergibt einen Widerstandswert von 138 Ohm.
Mit dem folgenden Rechner lässt sich der Widerstand ganz einfach berechnen.
Z-Dioden-Tester: einfache Schaltung
Hier ist eine einfach aufzubauende Schaltung zu sehen, mit deren Hilfe sich Z-Dioden recht einfach überprüfen lassen. Dabei kann man quasi zwei Fliegen mit einer Klappe schlagen:
Die Z-Diode kann auf ihre Funktion getestet werden. Außerdem ist deren Spannungswert mithilfe eines einfachen Spannungsmessers feststellbar. Dieser wird einfach am Ausgang der Schaltung zusammen mit dem Bauteil angeschlossen, wie es auch im Schaltbild zu sehen ist.
Die Bauteileliste
- Integrierte Schaltung: NE555
- Widerstände: 56 kΩ, 1 kΩ, 100 kΩ (2x)
- Kondensatoren: 100 nF (3x), Elko mit 10 µF
- Dioden: 1N4148, Z-Diode (zu testende Komponente)
- Transistor: TIP41C oder ähnlicher NPN-Leistungstransistor
- Spule: 100 Wicklungen auf einem Ferritkern
- Spannungsversorgung: 9-Volt-Blockbatterie oder Netzteil
- Messgerät: Voltmeter zur Messung der Z-Dioden-Durchbruchspannung
Zur Funktion dieser Schaltung
Diese Schaltung arbeitet mit einer Spule (isolierter Kupferdraht, etwa 0,3mm, auf Eisen-. oder Ferritkern), die hier als eine Art magnetischer Energiespeicher dient. Sie wird in schneller Folge mit einer Spannung „aufgeladen“.
Beim Wegfall der Spannung an der Spule (hier wird sie durch die Taktung des NE555 und den Transistor T1 geschaltet) erzeugt diese eine sogenannte Selbstinduktionsspannung, die viel höher ist als die ursprüngliche Ladespannung, die durch den Transistor geschaltet wird.
Diese Induktionsspannung fließt durch die Diode D1 und lädt den Elektrolytkondensator C2 nach und nach bis zu einer relativ hohen Spannung von mehr als 50 Volt auf. Dieser sollte natürlich solche hohen Spannungen auch vertragen.
Wegen der Diode D1 kann der Strom nicht mehr zurückfließen. Der Transistor wird angesteuert durch das Timer-IC NE555, dass mit einer geringen Außenbeschaltung als astabile Kippstufe arbeitet.
Wird nun eine Z-Diode mit dem Ausgang dieses einfachen Spannungswandlers verbunden, regelt diese die Spannung auf den eigenen Spannungswert herunter. Überlastet werden kann die Z-Diode nicht, da die Stromstärke am Ausgang der Schaltung äußerst niedrig ist. Die Schaltung ist im Prinzip nichts anderes als ein Spannungswandler.
Wichtig:
Die Z-Diode muss vor dem Einschalten der Betriebsspannung angeschlossen werden, da der bis über 50 Volt aufgeladene Elektrolytkondensator sonst die Z-Diode beschädigen kann. Außerdem sind Spannungen in dieser Höhe nicht ungefährlich.
Der zum Kondensator parallelgeschaltete Widerstand R3 dient übrigens dazu, den Kondensator nach dem Ausschalten der Eingangsspannung wieder langsam zu entladen, sollte die Schaltung doch einmal ohne Z-Diode betrieben werden.
Die maximale Höhe der Ausgangsspannung hängt im Wesentlichen von der verwendeten Spule ab. Ich habe eine selbstgewickelte Spule mit etwa 100 Windungen auf einem Ferritkern verwendet. Es können auch andere NPN-Leistungstransistoren eingesetzt werden.
Die maximale Ausgangsspannung von diesem Z-Dioden-Tester ohne angeschlossene Z-Diode liegt weit über 50 Volt. Die Ausgänge sollten besser nicht berührt werden.
Die mit der Schaltung verbundene Z-Diode regelt die Ausgangsspannung auf den Spannungswert des Bauteils herunter. Sie muss übrigens in Sperrichtung betrieben werden, wie dies bei Z-Dioden üblich ist. Es können Z-Dioden bis zu einem Spannungswert von etwa 50 Volt getestet werden.
Hier finden Sie weitere Schaltungen und mehr Informationen über den NE555. Eine Schaltung zum Betreiben einer Leuchtstofflampe aus einer Energiesparlampe an 12 Volt finden Sie in diesem Beitrag.
