11.7 : Modellierung der Sperreigenschaften von Dioden

In elektronischen Schaltkreisen sind in Sperrrichtung vorgespannte Diodenkonfigurationen entscheidend für die Regulierung von Spannungspegeln. Zenerdioden nutzen das Phänomen des Sperrdurchbruchs und weisen bei einer bestimmten Zenerspannung (V_Z) einen kontrollierten Durchbruch auf. Sie sind so ausgelegt, dass sie eine konstante Spannung über ihren Anschlüssen aufrechterhalten, und werden häufig zur Spannungsregulierung in Schaltkreisen verwendet.

Wenn eine an eine Zenerdiode angelegte Sperrspannung ihre Durchbruchspannung überschreitet, gelangt die Diode in den Durchbruchbereich. An diesem Punkt ist die Strom-Spannungs-Kennlinie (I-V) der Diode für Ströme über einem bestimmten Schwellenwert, der als Kniestrom (I_Z) bezeichnet wird, effektiv vertikal.

Das Kirchhoffsche Spannungsgesetz erleichtert die Bereitstellung einer mathematischen Beziehung zwischen der Quellenspannung, dem Diodenspannungsabfall und dem Diodenstrom, die grafisch durch die Lastlinie dargestellt wird und alle möglichen Gleichgewichtspunkte für die Diode im Schaltkreis anzeigt. Der Schnittpunkt der Lastlinie mit der Kennlinie der Diode bezeichnet den stationären Betriebspunkt Q.

Bei Strömen über dem Knie bleibt die Spannung der Zenerdiode stabil und ändert sich bei weiterer Stromerhöhung kaum. Diese Stabilität ist eine Folge des inkrementellen Widerstands der Diode, der als Kehrwert der Kurvensteigung am Betriebspunkt definiert ist. Somit ist die Spannungsschwankung über der Diode proportional zum inkrementellen Widerstand und dem Strom, der den Kniestrom überschreitet. Die Fähigkeit der Zenerdiode, eine konstante Spannung über einen Strombereich aufrechtzuerhalten, macht sie unschätzbar wertvoll für die Erzeugung stabiler Referenzspannungen und den Schutz von Schaltkreisen vor Überspannungsbedingungen.

Hersteller geben die Sperrdurchbruchspannung, den Kniestrom, den inkrementellen Widerstand und die Nennleistung für Zenerdioden an. Die Nennleistung ermöglicht es, den maximal möglichen Strom abzuschätzen, der durch die Zenerdiode fließen kann, ohne sie zu beschädigen.