Z-Dioden-Kennlinien

Die Durchlasskennlinie eine Z-Diode im Mikroamperebereich wird gerne außer Acht gelassen, aber diese ist wichtig für viele Anwendungen!

Jugend forscht⚓

Der Stromverbrauch von Z-Dioden fällt bei Querreglern erheblich ins Gewicht und kann bedeutend größer sein als die Ruhestromaufnahme eines parallel geschalteten Mikrocontrollers! Mehr als 10 µA sollten diese bei akzeptabler Betriebsspannung nicht um den Mikrocontroller vorbeileiten. Um damit einen Elko zu laden, wären mindestens 3,5 V nicht schlecht. Der Telefon-Schleifenstrom beträgt 40 mA, auch gängige Kondensatornetzteile liefern in etwa diesen Strom. Deshalb habe ich ungefähr bis zu diesem Wert einige Exemplare durchgemessen. Der gewählte Strommessbereich des Universalmultimeters hat dabei einen kleinen aber sichtbaren Einfluss auf das Messergebnis (Zickzacklinie im Diagramm).

Messergebnisse bei stromrichtiger Messung
Messbereich	Strom	4T 2V	LED 2V	BZX85C3V9	BZX85C4V7	DZ4V7	C5V1PH	SMD 5,1V	P5V6PH	BZX55C5V6	SZX19/5,6	SZX21/6,2	SZX19/6,2	Vergleich ATtiny45 @ 5 V
20 µA	30 nA	-	-	0,43 V	0,82 V	1,1 V	1,5 V	1,7 V	2,56 V	3,85 V	1,05 V	2,64 V	3,45 V
	100 nA	-	-	0,56 V	0,95 V	1,4 V	1,7 V	2,0 V	2,87 V	4,58 V	1,85 V	2,95 V	3,74 V	Selbstentladung CR2032
	300 nA	-	-	0,7 V	1,10 V	1,58 V	1,9 V	2,25 V	3,15 V	4,98 V	2,8 V	3,31 V	4,13 V
	1 µA	-	-	0,85 V	1,28 V	1,85 V	2,12 V	2,5 V	3,5 V	5,4 V	3,5 V	3,7 V	4,57 V	PowerDown: 500 nA
	3 µA	1,25 V	1,78 V	1,1 V	1,5 V	2,1 V	2,4 V	2,8 V	3,8 V	5,6 V	4,1 V	4,15 V	4,98 V
	10 µA	1,81 V	2,07 V	1,26 V	1,84 V	2,52 V	2,7 V	3,33 V	4,3 V	5,7 V	4,7 V	4,7 V	5,48 V	Watchdog: 6 µA
200 µA	30 µA	1,81 V	2,04 V	1,35 V	2,0 V	2,81 V	3,2 V	3,6 V	-	5,6 V	-	5,0 V	5,70 V	BrownOut-Detektor: 20 µA
200 µA	100 µA	1,96 V	2,16 V	1,6 V	2,37 V	3,27 V	3,4 V	4,06 V	-	5,67 V	-	5,5 V	6,0 V	Mindeststrom TLV431: 80 µA, B589: 50 µA
2 mA	300 µA	-	2,13 V	-	2,65 V	3,66 V	3,7 V	4,4 V	-	-	-	5,63 V	6,05 V	A/D-Wandler: 150 µA
2 mA	1 mA	1,98 V	2,21 V	-	3,17 V	4,21 V	4,3 V	4,8 V	-	5,6 V	-	5,85 V	6,15 V	CPU mit 1 MHz
20 mA	3 mA	2,08 V	2,2 V	-	3,53 V	4,55 V	4,5 V	5,0 V	-	5,67 V	-	5,85 V	6,14 V
20 mA	10 mA	2,23 V	2,33 V	-	4,06 V	5,0 V	4,9 V	5,19 V	-	5,85 V	-	5,9 V	6,19 V
200 mA	30 mA	2,23 V	2,31 V	3,44 V	4,32 V	5,17 V	5,0 V	5,19 V	5,67 V	5,9 V	5,7 V	5,96 V	6,24 V

Wie man sieht nützen auch moderne integrierte Referenzelemente wie TLV431 nichts. Daraus ergeben sich folgende Konsequenzen:

Z-Dioden unter 5,6 V sind indiskutabel. 💣 Ein Zuviel an Spannung baut man besser mit einer Seriendiode zum Mikrocontroller ab, aber so lässt sich leider der Gesamtspannungsabfall bei der Reihenschaltung nicht vermindern. Der Unterschied zwischen 5,1 V und 5,6 V ist geradezu riesig, wenn man auf die Zeile mit 10 µA schaut! Auch uralte Z-Dioden aus DDR-Zeiten (SZX…) schneiden im Vergleich kaum schlechter ab. Anscheinend hat sich die Technologie nicht mehr geändert.
Z-Dioden mit kleineren Leistungen sind zu bevorzugen.
Ein Glück dass es 5-V-Mikrocontroller gibt, die bis 7 V vertragen. Der ATtiny45 allerdings nur 6 V. Ein batterietauglicher Überspannungsschutz für 3,3-V-Controller ist schlichtweg nicht so realisierbar.
Noch interessanter wird es mit NanoWatt-PICs: Diese sind um den Faktor 3..10 stromsparender als AVRs. Da kenne ich mich aber nicht so gut aus.
Der Widerstandswert für den Betrieb an Fritzboxen mit ca. 48 V Leerlaufspannung beträgt 43 V / 10 µA = 4,3 MΩ. Wow! Mit 470 kΩ hat man bereits knapp 100 µA.
Eine „Z-Diode“ 4T 2V aus 4 Transistoren und 1 Widerstand 120 kΩ bringt akzeptable Ergebnisse für 1,8 V. Der Temperaturkoeffizient stört hierbei nicht. Im Kollektorzweig des letzten Transistors dürfen sich LEDs befinden. Eine Verpolschutzdiode übernimmt die Rückwärtsleitfähigkeit der emulierten Z-Diode.
Noch besser erscheint der Einsatz einer grünen LED als Referenzelement (Spalte LED 2V). Dazu ein Widerstand von 62 kΩ und ein Transistor, fertig ist eine ziemlich gute Spannungsbegrenzung mit weitem Strombereich. Echte Referenzelemente statt der LED allein dafür fressen zu viel Strom und sind kostspielig. Die LED sieht man nicht leuchten, da der Transistor mit seiner Stromverstärkung überschüssigen Strom an der LED vorbei leitet. Entsprechend nimmt man mehrere LEDs für höhere Spannungen. Im Kollektorzweig des Transistors dürfen sich weitere LEDs befinden, die dann sichtbar leuchten. Ob der Aufbau mit npn- oder pnp-Transistor erfolgt hängt von der Schaltungsumgebung ab. Bei Mehrfachverwendung einer Referenzspannungsquelle wie B589, TLV431 oder ICL8069 mit U_AREF des Mikrocontrollers kommt nur pnp infrage. Eine Verpolschutzdiode übernimmt die Rückwärtsleitfähigkeit der emulierten Z-Diode.