Wie die Z-Diode die Spannung hält
Eine Z-Diode wird in Sperrrichtung betrieben. Sobald die Spannung an ihr die Z-Spannung erreicht, leitet sie und hält die Spannung nahezu konstant. Damit das funktioniert, braucht sie einen Vorwiderstand, der die Differenz zwischen Eingangs- und Z-Spannung aufnimmt und den Strom begrenzt. Ohne ihn würde die Diode sofort durchbrennen.
Der Widerstand muss so bemessen sein, dass auch bei voller Last noch ein Mindeststrom durch die Z-Diode fließt. Unterhalb dieses Stroms verlässt die Diode den steilen Teil ihrer Kennlinie, und die Ausgangsspannung bricht ein. Der Rechner addiert deshalb Laststrom und Mindeststrom und teilt die Spannungsdifferenz durch diese Summe.
Weil es Widerstände nur in Normreihen gibt, wählt der Rechner den nächstkleineren Wert aus der E12-Reihe. Ein etwas kleinerer Widerstand lässt etwas mehr Strom fließen und sichert den Mindeststrom. Mit diesem Normwert berechnet er dann Strom, Verlustleistung im Widerstand und die Leistung, die die Diode im ungünstigsten Fall verkraften muss.
R = (U_e − U_Z) ÷ (I_Last + I_Z,min); P_R = (U_e − U_Z)² ÷ R; P_Z,max = U_Z × (U_e − U_Z) ÷ R
Leerlauf, Toleranzen und Grenzen
Der kritische Fall für die Z-Diode ist nicht die volle Last, sondern der Leerlauf. Wird der Verbraucher abgeklemmt, fließt der gesamte Strom durch die Diode. Ihre Verlustleistung ist dann Z-Spannung mal Strom durch den Widerstand. Liegt dieser Wert über der Nennleistung, wird die Diode zu heiß. Der Rechner markiert das deutlich.
Schwankt die Eingangsspannung, etwa bei einem ungeregelten Netzteil oder einer Batterie, rechnen Sie zweimal. Den Widerstand bestimmen Sie mit der kleinsten Eingangsspannung, damit der Mindeststrom immer erreicht wird. Die Leistungen prüfen Sie mit der größten Eingangsspannung, denn dann fließt der meiste Strom. Auch die Toleranz des Widerstands von meist fünf Prozent spielt eine Rolle.
Für den Widerstand empfiehlt sich mindestens die doppelte berechnete Leistung als Belastbarkeit. Er wird sonst sehr warm, was auf der Platine stört und die Lebensdauer verkürzt. Der Rechner nennt die nächste übliche Baugröße, die diese Reserve einhält. Prüfen Sie Mindeststrom und Nennleistung der Diode immer im Datenblatt des Herstellers.
Eine Z-Diode mit Vorwiderstand ist eine einfache Lösung für Referenzspannungen und kleine Ströme. Für größere Lasten ist sie ineffizient, weil ständig Strom im Widerstand verheizt wird. Dann sind Längsregler wie die 78xx-Reihe oder ein Schaltregler die bessere Wahl. Für Leuchtdioden hilft der LED-Vorwiderstand-Rechner, für Teilerschaltungen der Spannungsteiler-Rechner.
Tipps und typische Fehler
Z-Diode sicher auslegen.
- Leerlauf: Diodenleistung prüfen.
- Normwert: Nächstkleiner wählen.
- Widerstand: Doppelte Leistung.
- Datenblatt: Mindeststrom nachlesen.
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Häufige Fragen
Wie berechne ich den Vorwiderstand einer Z-Diode?
Spannungsdifferenz zwischen Eingang und Z-Spannung durch die Summe aus Laststrom und Mindeststrom der Diode teilen.
Warum ist der Leerlauf für die Z-Diode gefährlich?
Ohne Last fließt der ganze Strom durch die Diode, ihre Verlustleistung ist dann am größten.
Welchen Normwert soll ich nehmen?
Den nächstkleineren Wert der Normreihe, damit der Mindeststrom sicher erreicht wird.
Wie viel Strom braucht eine Z-Diode mindestens?
Meist einige Milliampere, typisch 5 bis 10 Prozent des zulässigen Höchststroms laut Datenblatt.
Kann ich mit einer Z-Diode einen Motor versorgen?
Nein, dafür ist sie zu ineffizient. Für größere Ströme eignen sich Längs- oder Schaltregler.
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