Elektronik für Elektroniker im 1. Lehrjahr

Elektronikfür Elektroniker im1. LehrjahrvonAlexander WenkQuellen:Unterlagen von Urs-Peter QuittVogel Fachbücher Elektronik 1-3Elektronik Unterlagen HTL Brugg-Windischund weitere ☺© 2005, Alexander Wenk, 5079 Zeihen

InhaltsverzeichnisEinleitung _______________________________________________________________ 1Einführung zur Diode _____________________________________________________ 1Halbleitermaterialien ______________________________________________________ 3P-Dotierung_________________________________________________________________ 4N-Dotierung ________________________________________________________________ 5Die Halbleiterdiode________________________________________________________ 6Die Diode in Schaltungen______________________________________________________ 8Abschlussübungen zur Vertiefung _____________________________________________ 10Die Zenerdiode __________________________________________________________ 12Laborversuch: Kennlinie der Zenerdiode _______________________________________ 13Aufgabenstellung: ________________________________________________________________ 13Warum eine Stabilisierung? __________________________________________________ 14Spannungsstabilisierung mit Zenerdiode________________________________________ 15Beispiel zur Z-Dioden-Stabilisierung _________________________________________________ 16Weitere Übungen_________________________________________________________________ 17Differentieller Widerstand der Zenerdiode ______________________________________ 19

EinleitungBis jetzt habt ihr Elektrotechnik-Unterricht genossen. Unser neues Fach heisstnun Elektronik. Wie unterscheiden sich aber Elektrotechnik und Elektronik?Was haben sie gemeinsam?Beide Gebiete befassen sich mit Elektrizität. Soviel ist sicher. Und Elektronikkommt nicht ohne elektrotechnische Kenntnisse durch. Auch Elektronikbenötigt, Widerstände, Spannungsquellen etc.Durch was unterscheiden sie sich also? Elektrotechnik ist die Lehre derlinearen, passiven Bauteile, Elektronik hingegen von den nichtlinearen undvon den aktiven. Der Unterschied zwischen aktiven und passiven Bauteilen istleicht zu erklären: Passive Bauteile haben nebst ihren Hauptanschlüssen keineexterne Energiezufuhr, also keine eigene Stromversorgung. Aktive Bauteilehaben eine solche. Deshalb gelingt es mit solchen Elementen, Verstärker zubauen.Was ist nun aber der Unterschied zwischen linearen und nichtlinearenBauteilen? Diesen Unterschied will ich noch nicht verraten, sondern Euchgleich mit einem Versuch kennen lenen lassen:Einführung zur DiodeOhne im Moment viel Worte darüber zu verlieren, wie genau eine Diodefunktioniert, wollen wir gleich einmal eine solche ausmessen. Wir bedienenuns hierzu folgender Messchaltung:+Rv 100Ub 5V+IDAD1 1N1183+VUDVorgehen bei der Messung:• Beginne die Messung beiUb = 0 V. Dort fliesstlogischerweise noch kein Stromdurch die Diode.• Erhöhe nun die Spannung soweit, bis ein messbarer Strom fliesst (Achtung:Ub = Spannung der Quelle maximal auf 5 V hochdrehen) Bei welcherDiodenspannung DU ist dies der Fall?• Erstelle von dieser Spannung an eine Tabelle, in der Spannung und Stromgegenübergestellt werden. Der Strom darf dabei maximal 50 mA betragen!• Erstelle aus dieser Tabelle eine grafische Darstellung von Spannung undStrom. Zeichne die Spannung UD in der X-Achse und ID in die Y-Achse.• Was passiert, wenn wir die Diode umkehren? mit welcher Veränderung inder Schaltung könnten wir auch sehr kleine Ströme messbar machen?Elektronik Alexander Wenk Seite 1

Diode in VorwärtsbetriebSpannung U D Strom I D[mV] [mA]Diode in RückwärtsbetriebSpannung U Dr Strom I Dr[V][µA]IUElektronik Alexander Wenk Seite 2

HalbleitermaterialienWie das Wort schon sagt, sind Halbleiter schlechtere Leiter als Metalle, aberbessere wie Isolatoren. Nun, dies ist ein sehr weitläufiger Begriff. Ein andererAnsatz ist es, das Ausgangsmaterial von Elektronischen Bauelementen alsHalbleiter zu bezeichnen.Für Halbleiterbauelemente wird heute meistens Silizium Si verwendet. Es istvierwertig und bildet in reinster, kristalliner Form je eine Paarbindung mitdem Nachbaratom. Dabei tauschen Nachbaratome ihre Elektronen gegenseitigaus wie das Bild zeigt:Wir sehen wie die Elektronen jeweils umdas mittlere und ein Eckatom kreisen. Esbilden sich ovale, aber stabile Bahnen, dieElektronen sind daher nicht wirklich frei,sondern an die Atome gebunden. ReineHalbleiter leiten also sehr schlecht.Bei Temperaturzunahmen beginnen reineHalbleiter jedoch besser zu leiten, weildurch thermische Bewegung einzelneElektronen freigesetzt werden.Das untere Bild zeigt ein Ausschnitt auseinem ganzen Si-Kristall. Anhand derroten Linien sehen wir die Bindung derElektronen an jeweils zwei Atome.Allerdings können sich Elektronen auchvon Atom zu Atom hangeln. Aufgrundhoher elektrostatischer Kräfte werden aberentstehende Lücken rasch wieder durcheingefangene Elektronen gefüllt.Interessant wird es, wenn wir Halbleiter dotieren. Dotieren heisst eigentlichimpfen resp. verunreinigen. Wir nehmen dazu natürlich bestimmte Elementeum einen gewünschten Effekt zu erzielen.Was für Elemente hierzu in Frage kommen, sehen wir in folgendem Auszugaus dem Periodensystem:Elektronik Alexander Wenk Seite 3

Wenn wir Silizium z.B mit dreiwertigemAluminium verunreinigen, wird das Gefügegestört. An einem Ort, wo Silizium sein sollte,ist nun ein Aluminiumatom, das nur 3Valenzelektronen besitzt. Es fehlt also einElektron im idealen Gefüge. Anders gesagt, esist ein Loch oder ein Platzhalter für ein Elektronim Gefüge vorhanden. Dies sieht wie folgtdargestellt aus:P-DotierungWir nennen diesen Vorgang eine P-DotierungDieses Loch hat das Bestreben, ein Elektronaufzunehmen. Dann wäre die Verbindung mitden benachbarten Si-Atomen wieder ideal.Allerdings wird durch das Hinzukommen einesElektrons das eigentlich elektrisch neutraleGefüge negativ, denn es ist ja jetzt ein Elektron zu viel da. Das Elektronkommt aber natürlich von irgendwo her, dort ist nun eines zuwenig, es ist dortpositiver Ladungsüberschuss übrig geblieben. Diese Vorgänge wollen wir aberbei dem Zustandekommen der Diode noch näher betrachten!Kann in einem p-dotierten Material ein Stromfliessen? Die Antwort ist Ja!Wie bereits gesagt: Ein Loch hat das Bestrebenein Elektron aufzunehmen. Kriegt es dieses ausder Nachbarschaft, so wird es dort fehlen, esgibt dort also jetzt eine Fehlstelle oder eben einLoch. So können die Löcher wandern, und zwarin die entgegengesetzte Richtung wie dieElektronen.Löcher wandern also von + zu -, wie es dertechnische Strom auch tut!Legen wir also eine Spannung an ein solches Material an, so wandern dieLöcher von + zu -. Tatsächlich bewegen tun sich aber eigentlich auch hier dieElektronen, die von Loch zu Loch hüpfen. Trotzdem sprechen wir vonLöcherwanderung, weil diese ja dafür verantwortlich sind, dass es überhauptfreie Ladungsträger gibt.Elektronik Alexander Wenk Seite 4

Aber woher kommen hier freie Elektronen? Eine andere Interpretation derFehlstelle ist, dass ein einzelnes Elektron zu viel im Si Atom ist, wenn dasLoch nicht gefüllt wird. In diesem Fall gibt das Si das Elektron lieber her umstabiler zu werden. Mit diesem Elektron könnte an anderer Stelle natürlich einLoch gefüllt werden. Je nach Löcherdichte ist das Material mehr oder wenigergut leitend.N-DotierungWir können den reinen Si-Kristall aber auch mit 5-Wertigem Phosphorverunreinigen. Damit realisieren wir eine N-Dotierung. Was geschieht jetzt?Wir haben im Gefüge eine andere Art Defekt: Wir benötigen für die Bindungmit den Nachbar-Si-Atomen insgesamt nur 4 Valenzelektronen, wir habenaber deren 5! Das 5. ist nun frei, und kann sich frei zwischen denKristallatomen bewegen, denn es ist nicht an einer Paarbindung im Kristallgebunden. Auch hier gilt: Je mehr Phosphor dotiert wird, desto besser leitetdas Halbleitermaterial, wie uns folgendes Bild zeigt:Der Stromfluss kommt hier gleich zustande wie in Metallen: Freie, im Kristallnicht gebundene Elektronen dienen als Ladungsträger. In Metallen haben wirsehr viele solche freien Valenzelektronen. Im Halbleiter können wir dieAnzahl freier Elektronen durch Dotierung selber bestimmen, womit wir sehrinteressante Effekte erzeugen können.In den folgenden Kapiteln werden wir sehen, wie wir aus N- und P-DotiertemMaterial elektronische Bauteile erzeugen können und wie diese funktionieren.Elektronik Alexander Wenk Seite 5

Die HalbleiterdiodeEine Diode entsteht durch das Verbinden von P- und N-Dotiertem Silizium.Früher wurden die beiden Materialien quasi einfach zusammengeschweisst.Heute können Dioden in Planartechnologie in hoher Packungsdichte erzeugtwerden: Dioden werden durch verschiedene Maskierungs-, Dotierungs undVerbindungsschritte direkt auf Siliziumscheiben realisiert.Was passiert jetzt aber, wenn wir eine P- und eine N-Schichtzusammenführen?An der Grenzschicht wandern einzelne der freien Elektronen in der N-Schichthinüber ins P-Material und füllen dort ein Loch. Wir nennen diesen EffektElektronendiffusion. Damit entsteht ein Gleichgewicht, denn das Loch konntegefüllt werden, und das überschüssige Elektron ist weg. Damit entsteht aberein elektrostatisches Ungleichgewicht. Die N-Schicht wird positiv, die PSchicht negativ. Da sich ungleichartige Ladungen anziehen, beschränkt sichdieser Austausch auf die unmittelbare Umgebung der Sperrschicht. Es entstehteine Raumladungszone.Elektronik Alexander Wenk Seite 6

Durch die Ladungen entsteht in der Raumladungszone ein elektrisches Feld,das weitere Ladungsträger daran hindert, in die andere Schicht zudiffundieren.Die Raumladungszone besitzt unter diesen+ +KN+ + +Bedingungen keine freien Ladungsträger mehr. Die freienElektronen sitzen ja nun in den Löchern, und weitere freieElektronen von weiter weg können nicht in dieRaumladungszone eindringen, weil sie das entstandeneelektrische Feld dort daran hindert. Das Prinzipdiagrammnebenan zeigt uns diesen Effekt schematisch.- - - - -PAEs fliesst also kein Strom. Nun, das ist nicht weitererstaunlich, wenn wir berücksichtigen, dass wir ja gar keineSpannungsquelle angeschlossen haben.Was passiert aber, wenn wir das tun? Lasst uns dies im Prinzipschemabetrachten:UKN+ + + + +- - - - -PAWenn wir an die Kathode der Diode, also andie N-Schicht eine positive Spannung anlegen.so ziehen wir dort weitere Elektronen ab. Daselektrische Feld in der Raumladungszoneverstärkt sich, und es können wegen dem Feldkeine freien Ladungsträger die Sperrschichtpassieren.Die Raumladungszonevergrössert sich, deswegen kannkein Strom fliessen.Wenn wir die Spannung umgekehrt anlegen sieht es anders aus:UKN+ + + + +- - - - -PDie P-Schicht wird nun gegenüber der N-Schicht positiv. Damit wird dieRaumladungszone abgebaut. Wir sehen diesdaran, dass die Felder der äusseren Spannungund das der Raumladungszone nunentgegengesetzt sind. Irgendwann ist dieRaumladungszone vollständig abgebaut.Es beginnt ein Strom zu fliessenAElektronen können nun von der Kathode her dieN-Schicht passieren, geraten in die P-Zone, füllen dort Löcher, und wandernElektronik Alexander Wenk Seite 7

schlussendlich zur Anode. Die Löcherwanderung geht natürlich inumgekehrter Richtung.Was für Gesetze gelten, damit ein Strom fliessen kann:• Die angelegte Spannung muss richtig gepolt sein.• Die Spannung muss genügend gross sein.In Durchlassrichtung leitet die Diode gut, sie besitzt je nach Dotierung sehrkleine Innenwiderstände. Nicht zu vergessen ist die erforderlicheSchleusenspannung: Bei der normalen Si-Diode beträgt sie ca. 0.7 V.Die Diode in SchaltungenWenn wir Schaltungen mit Diode analysieren wollen, können wir natürlichnicht immer die Halbleitertheorie zur Interpretation heranziehen. Wir setzenzum besseren Verständnis der Diode im praktischen Einsatz 1 Schaltzeichenein, und vereinfachen die Diodenkennlinie soweit, dass wir eine Diode mit unsbekannten Bauelementen nachbauen können.AD1Das Schaltzeichen der Diode ist einfach zu interpretieren: Sie zeigtan, dass der Strom nur in eine Richtung durch sie fliessen kann.KWie vereinfachen wir nun die Diodenkennlinie? Eine ideale Diode würdepositive Ströme ohneDiodenkennlinieSpannungsverlust durchlassen60und negative abblocken.ID [mA]50403020100-1000 -800 -600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000-10UD [mV]ID [mA]Dies entspricht leider nichtunseren realen Bauteilen.Als einfachste Näherungkönnen wir aber sagen, dieDiode habe eineSchleusenspannung von 0.7 V.Dies stimmt aber auch nicht, denn dann müsste die Kennlinie dort ganz steilnach oben führen.Eine bessere Näherung ist, die Diode mit der Schleusenspannung und einemInnenwiderstand zu modellieren.Elektronik Alexander Wenk Seite 8

Dies ergibt dann die Ersatzschaltung für eine reale Diode, gebildet ausidealisierten Bauelementen:ArfDie Einzelelemente haben folgendeAufgaben:KD Real+DUs• Das Diodenzeichen zeigt an, dass nurein Strom in die angegebeneRichtung möglich ist.• Die Spannung Us stellt dieSchleusenspannung dar, von der anein Strom fliessen kann.• Der Widerstand r f sagt aus, wie starkdie Diodenspannung in Funktionvom Strom zunimmt.Vorerst einmal soviel zur Theorie. Was wir jetzt brauchen ist Übung.Wir beginnen mit Übungen aus dem Westermann:S. 168/169 Nr. 1 – 4, 7, 9 - 13Wenn Du die Übungen gelöst hast, erstelle ein Schema mit mehreren Diodenund ev. Widerständen. Lasse Deine Kreativität walten! Denke Dir DeineSchaltung an positiver wie auch an negativer Spannung und berechne darinalle Potentiale. Nehme dazu an, dass die Schleusenspannung Us = 0.7 V ist.Gebe Deine Schaltung dem Nachbar und prüfe, ob er zum gleichen Schlusswie Du kommt.Viel Spass!Elektronik Alexander Wenk Seite 9

Abschlussübungen zur VertiefungElektronik Alexander Wenk Seite 10

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Die ZenerdiodeBetrachtet man die Kennlinie einer Z-Diode, so erscheint sie auf den erstenBlick identisch mit der Kennlinie einer normalen Diode, wie uns Abbildung 1zeigt.Abbildung 1Im Durchlassbereich verhalten sich Zenerdioden wie normale Si-Dioden.Im Sperrbereich fließt zunächst der sehr kleine Sperrstrom. Bei Erreicheneiner bestimmten Sperrspannung wird die Z-Diode sehr schnell leitend(scharfer Knick in der Kennlinie), d.h., der pn-Übergang wird in Sperrrichtungniederohmig.Wie wir aus der Kennlinie sehen, wächst bei steigendem Zenerstrom dieSpannung U Z nur unwesentlich an. Zenerdioden können wir deshalb zurSpannungsstabilisierung brauchen, und dies ist genau der interessanteEinsatzbereich dieser Bauelemente.Die Z-Diode wird immer in Sperrichtung betrieben.Die Spannung, bei der in Sperrichtung der Strom zu fliessen beginnt, wird alsZ-Spannung U Z bezeichnet. Je dünner der pn-Ubergang der Z-Diode ist, destoniedriger ist die Z¬Spannung.Durch den Grad der Dotierung, kann der Hersteller die Dicke des pn-Überganges und damit die Z-Spannung bestimmen.Man erhält Z-Dioden von ca. 1 V bis ca. 500 V.Das Produkt aus Z-Spannung U Z und Z-Strom I Z ergibt die Verlustleistung P V .Elektronik Alexander Wenk Seite 12

Da P V in Wärme umgesetzt wird, darf der Z-Strom I Z einen bestimmten Wertnicht überschreiten. Zur Strombegrenzung schaltet man in der Praxis einenWiderstand R V in Reihe zur Z-Diode.Laborversuch: Kennlinie der ZenerdiodeIn diesem Versuch wollen wir die Kennlinie einer Zenerdiode ausmessen.Das Ergebnis dieses Versuches soll in einem Laborbericht festgehaltenwerden, in dem die Ausgangslage, die Überlegungen, der Lösungsansatz unddie Lösung klar ersichtlich ist.Grundsatz für den Bericht ist die Verständlichkeit für einen fachkundigenBerufskollegen. Wir werden mit der gemessenen Kurve weitere Erkenntnisseerarbeiten und verifizieren. Schreibe deshalb auch auf, welche Platine Du fürden Versuch verwendet hast.Aufgabenstellung:Wir nehmen an, die Zenerdiode vertrage eine Verlustleistung von 0.5 W.• Vorüberlegungen: Wir messen eine 5.1 V Zenerdiode aus. Wie gross darfder Strom maximal werden? Wie gross ist die maximale Verlustleistungam Vorwiderstand R V = 100 Ω? Verträgt der Widerstand imExperimentierboard diese Verlustleistung?• Baue den Versuch gemäss Schema auf.+UE 10VVariabelZ1 BZX85C5V1 Rv 100+AIz+VUz• Nehme die Kennlinie auf, indem Du zunächst eine Wertetabelle(Gegenüberstellung von Strom und Spannung) erstellst, und nachher dieKennlinie grafisch darstellst. Stelle dabei den Sperr- undDurchlassbereich dar.• Entwerfe eine Schaltung, mit der die Kennlinie der Z-Diode direkt mitdem KO dargestellt werden kann, und probiere sie aus.Viel Spass!Elektronik Alexander Wenk Seite 13

Warum eine Stabilisierung?Wir können bereits mit einem Spannungsteiler eine kleinere Spannung wie dieVersorgungsspannung erzeugen. Weshalb sollen wir dann überhaupt eine Z-Diode einsetzen? Ein Beispiel zeigt uns die Vorteile.1. a) Berechne R 2 in der Schaltung nach Abbildung 2 so, dass U 2 = 5.6 V wird(ohne Belastung)R1 = 330b) Auf welchen Wert sinkt U 2bei Belastung mit R L ?+UB = 9VR2pot = 1kSW1U2RL = 1kc) Wie lässt sich der Effekt vonAufg. b verringern?Abbildung 22. Die Zenerdiode in Abbildung 3 hat eine Zenerspannung von 5.6 V undeinen Innenwiderstand r Z = 10 Ω.Wie gross ist in Abbildung 3 die SpannungU 2 ohne und mit Belastung R L ?Rv = 330+Ue = 9VSW1Z1 BZX79F5V6RL = 1kAbbildung 3Elektronik Alexander Wenk Seite 14

Spannungsstabilisierung mit ZenerdiodeDie Grundschaltung einer einfachen Spannungsstabilisierung mit Zenerdiodeist in Abb. 1 dargestellt.+UeRvZ1RLU E = nicht stabilisierteEingangsspannungU A = stabilisierteAusgangsspannungU RV = Spannung am VorwiderstandR VR L = LastwiderstandR V = Vorwiderstand= mittlerer LaststromDamit überhaupt eine Stabilisierung erfolgen kann, muss dieEingangsspannung U E immer größer sein als U Z .In der Praxis macht man die Spannung U E zwei- bis dreimal so gross wie U Z .Soll die stabile Ausgangsspannung U A = 10 V betragen, so hat dieEingangsspannung U E einen Wert von ca. 20 V bis 30 V.Da die Differenzspannung von U E minus U A am Vorwiderstand RV abfällt,muss R V umso größer werden, je größer U E .I LI Z= mittlerer Z-StromI ges = Strom über RV(I ges = I Z + I L )Der Vorwiderstand R V muss so bemessen sein, dass bei kleinstmöglicher U Eund maximalem I L der kleinstzulässige Z-Strom I Z min nicht unterschrittenwird, da sonst keine Stabilisierung mehr möglich ist. Bei größtmöglicher U Eund minimalem I L darf der maximal zulässige Z-Strom I Z max nichtüberschritten werden, da sonst die Diode zerstört werden könnte.Aus diesem Zusammenhang zwischen U E , I L und I Z kann der kleinst- undgrößtmögliche Wert von R V berechnet werden. Der Widerstandswert desbenötigten Vorwiderstandes muss dann innerhalb des errechneten Bereichesliegen.RVURVE Z= = Wenn U E und R L konstant bleibenIgesUIL−U+ IZRV maxU=IE minL max−U+ IZZ minRV minU=IE maxL min−U+ IZZ maxElektronik Alexander Wenk Seite 15

Beispiel zur Z-Dioden-StabilisierungIn einer Stabilisierungsschaltung wird die Diode BZX 83 C 10 verwendet.Folgende Angaben zur Schaltung sind bekannt:Maximale Verlustleistung der Diode: P tot = 500 mW bei T U = 25° C. DieEingangsspannung beträgt 28 V ± 10 %. Der Laststrom schwankt zwischen12 mA und 18 mA bei 10 V.Zu berechnen ist der notwendige Vorwiderstand R V !Lösungsweg:I. Der maximale Z-Strom I Z max kann mit Hilfe von P tot und U Z errechnetwerden.II. In der Regel wird der minimale Z-Strom I Z min mit 1/10 von I z maxeingesetzt, um den Knickbruch der Z-Diodenkennlinie zu vermeiden.III. Die Eingangsspannung beträgt 28 V ± 10 %, also schwankt zwischenU E min = 25,2 V und U E max = 30,8 V. Die beiden Grenzwerte von R Vkönnen nun errechnet werden, da I L min und I L max bekannt sind.IV. Aus der Normenreihe E 12 könnten somit folgende Werte eingesetztwerden:Zur Stabilisierung wählt man den größten möglichen Wert, da hierbei dieLeistung an der Z-Diode am kleinsten ist.Elektronik Alexander Wenk Seite 16

Weitere Übungen1. Wie groß ist in der dargestellten Schaltung die Ausgangsspannung U 2 ?Wie gross ist der Gesamtstrom I?2. Die Z-Diode in der untenstehenden Stabilisierungsschaltung hat die Z-Spannung Uz = 6,2 V und die Verlustleistung P tot = 2 W.a) Berechne den kleinsten zulässigen Vorwiderstand.b) Wie viele Lampen (6V/0,3W) können an die Schaltung angeschaltetwerden, wenn alle Lampen ihre Nennspannung erhalten sollen?Elektronik Alexander Wenk Seite 17

3. Mit der Z-Diode BZD 23/C12 mitP tot =2,5 W wird eineVersuchsschaltung zurSpannungsstabilisierung aufgebaut.Prüfe durch Rechnung nach, ob dieBauteile überlastet sind.a) bei Leerlauf (R L1 = ∞ Ω),b) bei Kurzschluss derAusgangsklemmen (R L2 = 0 Ω),c) bei dem LastwiderstandR L3 = 75 Ω.4. Dimensioniere den Vorwiderstand R V einer Stabilisierungsschaltung fürfolgende Angaben:12 V ≤ U E ≤ 13.5 V U Z = 5.1 V0 mA≤ I L ≤ 50 mA I Zmax = 80 mAElektronik Alexander Wenk Seite 18

Differentieller Widerstand der ZenerdiodeAus den gemessenen Kennlinien sehen wir, dass die Zenerspannung je nachStromstärke ändert. Wie können wir die Kurve mit uns bekannten Elementenam einfachsten nachbilden?Wir könnten auf die Idee kommen, die Zenerdiode durch einen Widerstanddarzustellen und diesen mit der Formel R = U z /I z zu berechnen. Wenn wir aberdiese Berechnung mit einem kleinen und einem grossen Zenerstromdurchführen, werden wir bald feststellen, dass wir sehr unterschiedliche Wertefür den Ersatzwiderstand erhalten. Dieses Modell ist folglich für uns nichtbrauchbar.Ein besseres Resultat liefert folgendes Vorgehen:Wir legen die Tangente an die Zenerkurve undbestimmen die Steigung dieser Kurve.Mit dem Bestimmen der Steigungermitteln wir den differentiellenWiderstand der Kennlinie.Differentielle Widerständekennzeichnen wir mitKleinbuchstaben.r z = ∆U Z /∆I ZSchauen wir uns dies einmal inder gezeigten Kennlinie an, und wenden das Vorgehen auf die individuellenMesskurven an: Wie gross ist der differentielle Widerstand eurer gemessenenZenerdiode?Was sagt der Schnittpunkt der Tangente mit der x-Achse (derSpannungsachse) aus?Dies ist die (theoretische) Zenerspannung U Z0 beimStrom I z = 0.Wir können die Zenerdiode durch unsereÜberlegungen mit folgender Ersatzschaltung(= Modell) ersetzen.Z1Rz D1Diode D1 verdeutlicht nur, dass dieSchaltung nur Strom aufnehmen kann.+UzoDiese Ersatzschaltung gilt nur, wenn die Z-Diode in Sperrrichtung betrieben wird.Elektronik Alexander Wenk Seite 19

Weitere Diodentypen: GruppenarbeitEs gibt noch viele andere Diodentypen, die für ganz unterschiedlicheAufgabengebiete eingesetzt werden. Einige von ihnen werden wir nun in einerGruppenarbeit kennen lernen.Aufgabe: Arbeitet Euch in Gruppen in die entsprechende Diode ein understellt ein Arbeitsblatt, mit dessen Hilfe die Diode erklärt werden kann.Bereitet auch einen kurzen Vortrag vor, wo Ihr Eure Erkenntnisse den anderennäher bringt.Als Informationsmaterial dient das Vogel Fachbuch Grundlagen derElektronik.Das Zeitbudget für die Vorbereitung beträgt 45 Minuten.PSN Leistungsdioden (S. 54 – 55)Z-Dioden: Zener- und Lawineneffekt,Temperaturkoeffizienten,differentieller Widerstand (S. 56 –59)Kapazitätsdiode (S. 78 – 79)Shottky-Dioden (S. 84 – 86)LED (S. 290 – 293)David IvanLukas Jonas RaphaelDominique Timmi NinoFabio FabriceAaron Flavio DanielViel Spass bei der Recherche!Elektronik Alexander Wenk Seite 20

Laborübung ZenerdiodenWir wollen die bereits ausgemessene Zenerdiode in einerStabilisierungsschaltung einsetzen. Dazu sind folgende Parameter gegeben.• Zenerdiode 5.1 V resp. 5.6 V• U E = 10 V• R V = 1 kΩ• R L = 0 .. 2 kΩ variabelMessung:Nehme die Ausgangsspannung U L sowie die Ströme I ges , I Z und I L derStabilisierungsschaltung in Funktion vom Lastwiderstand R L auf.Halte die Schaltung, deren Funktionskurven und Deine Erkenntnisse in einemLaborbericht fest. Berechne die Kurve U Z in Funktion vom Widerstand auchtheoretisch, d.h. mit Deinem Fachwissen und der Diodenkurve.Weitere Messungen:Falls Du noch Zeit hast, kannst Du noch andere Stabilisierungseckdaten derZenerdiodenschaltung ausfindig machen:• Lasse den Lastwiderstand R L weg und variiere dafür dieEingangsspannung U E im Bereich von 5 .. 15 V. Nehme die Kennlinie U Z= f(U E ) auf.• Hänge einen Lastwiderstand RL = 1 kΩ an. Nehme wie oben dieKennlinieU Z = f(U E ) auf und vergleiche mit obiger Übung.Elektronik Alexander Wenk Seite 21

Übung ZenerdiodenschaltungenBei den abgebildeten Schaltungen wird eine 5 V Zenerdiode eingesetzt.Skizziere für die Schaltungen jeweils U 2 .tttttttttElektronik Alexander Wenk Seite 22