Krugovi zener diode, karakteristike, proračuni

Zener diode - nazvane po izumitelju dr. Carlu Zeneru, u osnovi se koriste u elektroničkim sklopovima za generiranje preciznih referenci napona. To su uređaji koji mogu stvoriti praktički konstantan napon na njima, bez obzira na varijacije u krugovima i naponskim situacijama.

Izvana možete pronaći zener diode slične standardnim diodama kao što je 1N4148. Zener diode također djeluju ispravljanjem izmjeničnog napona u pulsirajući istosmjerni tok, baš kao i njihove tradicionalne alternative. Međutim, suprotno standardnim ispravljačkim diodama, zener diode su konfigurirane sa svojom katodom koja je izravno povezana s pozitivnim napajanjem, a anoda s negativnim napajanjem.

Karakteristike

U svojoj standardnoj konfiguraciji, Zener diode pokazuju visok otpor ispod određenog, kritičnog napona (poznatog kao Zerier napon). Kada se premaši ovaj specifični kritični napon, aktivni otpor Zener diode pada na izuzetno nisku razinu.

I kod ove male vrijednosti otpora, efektivni konstantni napon se održava preko Zeners-a i može se očekivati ​​da će taj konstantni napon zadržati bez obzira na bilo kakvu promjenu struje izvora.

Jednostavnim riječima, kad god opskrba cijener diode premaši nazivnu cijener vrijednost, zener dioda provodi i uzemljuje višak napona. Zbog toga napon pada ispod napona zenera koji isključuje zener, a napajanje ponovno pokušava premašiti zenerov napon, ponovno uključivši zener. Ovaj se ciklus brzo ponavlja, što u konačnici rezultira stabilizacijom izlaza na točno pri konstantnoj vrijednosti cener-napona.

Ova je karakteristika grafički istaknuta na donjoj slici koja pokazuje da je iznad 'Zener-ovog napona' reverzni napon i dalje gotovo konstantan čak i s varijacijama reverzne struje. Kao rezultat toga, Zener diode se često koriste za dobivanje konstantnog pada napona ili referentnog napona, sa svojim unutarnjim otporom.

Zener diode su dizajnirane u mnogim snagama snage i naponom koji se kreće od 2,7 V do 200 V. (Međutim, uglavnom se Zener diode čija je vrijednost daleko veća od 30 V gotovo nikada ne koriste.)

Osnovni rad kruga diode Zener

Standardni krug regulatora napona, koji koristi jedan otpornik i Zener diodu, može se vidjeti na sljedećoj slici. Evo, pretpostavimo da je vrijednost Zener diode 4,7 V, a napon napajanja V in 8,0 V.

Osnovni rad zener diode može se objasniti sljedećim točkama:

U nedostatku opterećenja na izlazu zener diode, može se primijetiti pad od 4,7 V preko Zener diode, dok se na otporniku R razvija odsječenih 2,4 Volta.

Sada, u slučaju da se promijeni ulazni napon, zamislimo, s 8,0 na 9,0 V, uzrokovat će pad napona na Zeneru kako bi i dalje održavao nazivnu 4,7 V.

Međutim, pad napona na otporniku R mogao se vidjeti povišen, s 2,4 V na 3,4 V.

Može se očekivati ​​da će pad napona na idealnom Zeneru biti prilično konstantan. Praktično, možda ćete primijetiti da se napon na cijeneru lagano povećava zbog dinamičkog otpora Zenera.

Postupak kroz koji se izračunava promjena zenerovog napona pomnožava se zenerov dinamički otpor s promjenom zenerove struje.

Otpor R1, u gore navedenom osnovnom dizajnu regulatora, simbolizira poželjno opterećenje koje može biti povezano sa zenerom. R1 će u vezi s tim povući određenu količinu struje koja se kretala kroz Zener.

Budući da će struja u Rs biti veća od struje koja ulazi u teret, količina struje će i dalje prolaziti kroz Zener omogućujući savršeno konstantan napon na Zeneru i opterećenju.

Navedeni serijski otpornik Rs treba odrediti na takav način da je najmanja struja koja ulazi u Zener uvijek veća od minimalne razine koja je određena za stabilnu regulaciju zenera. Ova razina započinje tik ispod 'koljena' krivulje obrnutog napona / reverzne struje kako smo saznali iz prethodnog grafičkog dijagrama gore.

Morate dodatno osigurati da odabir R osigurava da struja koja prolazi kroz Zener diodu nikad ne prelazi njezinu snagu: što može biti ekvivalent Zener naponu x Zener struji. To je najveća količina struje koja može proći kroz Zener diodu u nedostatku opterećenja R1.

Kako izračunati Zener diode

Dizajn osnovnog kruga Zenera zapravo je jednostavan i može se provesti kroz sljedeće upute:

1. Odredite maksimalnu i minimalnu struju opterećenja (Li), na primjer 10 mA i 0 mA.
2. Odredite maksimalni napon napajanja koji se može razviti, na primjer razina od 12 V, također osiguravajući da minimalni napon napajanja uvijek bude = 1,5 V + Vz (nazivna vrijednost zener napona).
3. Kao što je naznačeno u osnovnoj izvedbi regulatora, potreban izlazni napon koji je ekvivalent Zener-ovog napona Vz = 4,7 V, a odabrani najniža Zener struja je 100 mikroampera . To implicira da je ovdje maksimalna predviđena Zener-ova struja 100 mikroampera plus 10 miliampera, što je 10,1 miliampera.
4. Serijski otpornik Rs mora dopustiti minimalnu količinu struje od 10,1 mA, čak i kada je ulazno napajanje najniža navedena razina, koja je za 1,5 V veća od odabrane cijenerne vrijednosti Vz, a može se izračunati koristeći Ohmov zakon kao: Rs = 1,5 / 10,1 x 10^-3= 148,5 Oma. Čini se da je najbliža standardna vrijednost 150 Ohma, tako da Rs mogu biti 150 ohma.
5. Ako se napon napajanja povisi na 12 V, pad napona na Rs bit će Iz x Rs, gdje je Iz = struja kroz cener. Prema tome, primjenjujući Ohmov zakon, dobivamo Iz = 12 - 4,7 / 150 = 48,66 mA
6. Iznad je navedena maksimalna struja koja će biti dopuštena da prolazi kroz cener diodu. Drugim riječima, maksimalna struja koja može teći tijekom maksimalnog izlaznog opterećenja ili maksimalno specificiranog ulaznog napona napajanja. Pod tim uvjetima, cener dioda će raspršiti snagu Iz x Vz = 48,66 x 4,7 = 228 mW. Najbliža vrijednost standardne nazivne snage kojoj se to može ispuniti je 400 mW.

Učinak temperature na Zener diode

Zajedno s parametrima napona i opterećenja, Zener diode su također prilično otporne na temperaturne promjene oko sebe. Međutim, iznad određenog stupnja temperatura može utjecati na uređaj kako je prikazano na donjem grafikonu:

Prikazuje krivulju koeficijenta temperature zener diode. Iako pri višim naponima krivulja koeficijenta reagira na oko 0,1% po Celzijevom stupnju, ona se kreće kroz nulu na 5 V, a zatim postaje negativna za niže razine napona. Na kraju doseže -0,04% po Celzijevom stupnju na oko 3,5 V.

Korištenje Zener diode kao temperaturnog senzora

Jedna dobra upotreba osjetljivosti Zener diode na promjenu temperature je primjena uređaja kao uređaja osjetnika temperature, kao što je prikazano na sljedećem dijagramu

Dijagram prikazuje mrežu mostova izgrađenu pomoću para otpornika i para Zener dioda koje imaju identične karakteristike. Jedna od Zener dioda djeluje poput generatora referentnog napona, dok se druga Zener dioda koristi za otkrivanje promjena u temperaturnim razinama.

Standardni Zener od 10 V može imati temperaturni koeficijent od + 0,07% / ° C što može odgovarati promjeni temperature od 7 mV / ° C. To će stvoriti neravnotežu između oko 7 mV između dva kraka mosta za svaku Celzijusovu promjenu stupnja temperature. Mjerač punog FSD od 50 mV može se koristiti u naznačenom položaju za prikaz odgovarajućih očitanja temperature.

Prilagođavanje vrijednosti Zener diode

Za neke primjene sklopova možda će biti potrebno imati preciznu cijenjevu vrijednost koja može biti nestandardna vrijednost ili vrijednost koja nije lako dostupna.

Za takve se slučajeve može stvoriti niz zner dioda koje se potom mogu koristiti za dobivanje željene prilagođene vrijednosti zener diode, kao što je prikazano dolje:

U ovom primjeru, mnoge prilagođene, nestandardne cjenovne vrijednosti mogu se dobiti preko različitih terminala, kako je opisano na sljedećem popisu:

Možete koristiti druge vrijednosti na naznačenim položajima da biste dobili mnoge druge prilagođene skupove izlaza zener diode

Zener diode s opskrbom izmjeničnom strujom

Zeners diode se obično koriste s istosmjernim opskrbama, no ti uređaji također mogu biti dizajnirani za rad s opskrbnim napajanjem. Nekoliko AC primjena zener dioda uključuje audio, RF krugove i druge oblike AC sustava upravljanja.

Kao što je prikazano u donjem primjeru, kada se napaja izmjeničnim naponom sa zener diodom, zener će odmah provesti čim AC signal prijeđe s nule na negativnu polovicu svog ciklusa. Jer, signal je negativan, pa će izmjenični napon preko anode biti kratko spojen na katodu zenera, zbog čega će se na izlazu pojaviti 0 V.

Kada se opskrba izmjeničnim naponom pomiče kroz pozitivnu polovicu ciklusa, zener ne provodi dok se AC ne popne do razine naponskog napona. Kada izmjenični signal pređe zenerov napon, zener provodi i stabilizira izlaz na razinu od 4,7 V, sve dok se izmjenični ciklus ne spusti na nulu.

Zapamtite, dok koristite zener s izmjeničnim ulazom, osigurajte da se Rs izračuna prema vršnom naponu izmjenične struje.

U gornjem primjeru izlaz nije simetričan, nego pulsirajući DC od 4,7 V. Da bi se na izlazu dobio simetrični izmjenični tok od 4,7 V, mogla bi se spojiti dva stražnja zenera kao što je prikazano na donjem dijagramu

Suzbijanje buke Zener diode

Iako zener diode pružaju brz i jednostavan način za stvaranje stabiliziranih izlaza s fiksnim naponom, ima jedan nedostatak koji može utjecati na osjetljive audiosklopke poput pojačala snage.

Zener diode stvaraju buku tijekom rada zbog svog efekta spoja lavine tijekom prebacivanja, u rasponu od 10 uV do 1 mV. To se može suzbiti dodavanjem kondenzatora paralelno sa zener diodom, kao što je prikazano dolje:

Vrijednost kondenzatora može biti između 0,01uF i 0,1uF, što će omogućiti suzbijanje buke za faktor 10 i održavat će najbolju moguću stabilizaciju napona.

Sljedeći graf prikazuje učinak kondenzatora na smanjenje šuma zener diode.

Korištenje Zener-a za filtriranje talasastog napona

Zener diode se također mogu primijeniti kao učinkoviti filtri za mreškanje napona, baš kao što se koriste za stabilizaciju izmjeničnog napona.

Zbog svoje izuzetno niske dinamičke impedancije, zener diode mogu raditi poput valovitog filtra na jednak način kao i filtrirni kondenzator.

Vrlo impresivno valovito filtriranje može se dobiti povezivanjem Zener diode preko tereta, s bilo kojim istosmjernim izvorom. Ovdje napon mora biti jednak razini razine mreškanja.

U većini aplikacija u krugovima ovo može djelovati jednako učinkovito kao i tipični zaglađujući kondenzator kapaciteta nekoliko tisuća mikrofarada, što rezultira značajnim smanjenjem razine napona mreškanja koji je postavljen na istosmjerni izlaz.

Kako povećati kapacitet rukovanja s Zener diodom

Jednostavan način da se poveća kapacitet upravljanja napajanjem zener diode je vjerojatno paralelno povezivanje, kao što je prikazano dolje:

Međutim, ovo praktički možda nije tako jednostavno kako izgleda i možda neće raditi kako je zamišljeno. To je zato što, kao i bilo koji drugi poluvodički uređaj, zeneri također nikad nemaju potpuno identične karakteristike, stoga jedan od zenera može voditi prije nego što drugi provlači kroz sebe cijelu struju, da bi na kraju bio uništen.

Brzi način za suočavanje s tim problemom može biti dodavanje serijskih otpornika niskih vrijednosti sa svakom Zener diodama, kao što je prikazano u nastavku, što će omogućiti da svaka Zener dioda ravnomjerno dijeli struju kroz kompenzacijske padove napona koje generiraju otpornici R1 i R2:

Iako se kapacitet upravljanja energijom može povećati paralelnim povezivanjem Zener dioda, mnogo poboljšani pristup može biti dodavanje šanta BJT zajedno sa Zener diodom konfiguriranom kao referentni izvor. Molimo pogledajte sljedeći shematski primjer istog.

Dodavanjem ranžirnog tranzistora ne samo da se faktor povećanja kapaciteta upravljanja zenerom povećava za 10 puta, već se poboljšava razina regulacije napona na izlazu, koja može biti visoka kao specificirano strujno pojačanje tranzistora.

Ovaj tip regulatora zener-tranzistora s pretvaračem može se koristiti u eksperimentalne svrhe jer sklop ima 100% zaštitu od kratkog spoja. Ipak, dizajn je prilično neučinkovit jer tranzistor može rasipati značajnu količinu struje u nedostatku opterećenja.

Za još bolje rezultate, a serijski prolazni tranzistor Tip regulatora kao što je prikazano dolje izgleda bolja opcija i poželjnija.

U ovom krugu Zener dioda stvara referentni napon za serijski prolazni tranzistor, koji u osnovi radi poput sljedbenik emitera . Kao rezultat, napon emitera održava se između nekoliko desetina volta osnovnog napona tranzistora, stvorenog Zener diodom. Prema tome, tranzistor radi kao serijska komponenta i omogućava učinkovitu kontrolu promjena napona napajanja.

Cjelokupna struja opterećenja sada prolazi preko ovog serijskog tranzistora. Kapacitet upravljanja energijom ove vrste konfiguracije utvrđuje se u potpunosti vrijednošću i specifikacijama tranzistora, a također ovisi o učinkovitosti i kvaliteti korištenog hladnjaka.

Izvrsna regulacija mogla bi se postići gornjim dizajnom pomoću otpornika serije 1k. Regulacija bi se mogla povećati s faktorom 10 zamjenom normalnog zenera posebnom nisko dinamičnom cener diodom kao što je 1N1589).

U slučaju da želite da gornji krug daje izlaz s reguliranim naponom s promjenjivim naponom, to bi se lako moglo postići korištenjem 1K potenciometra na Zener diodi. To omogućuje podešavanje promjenjivog referentnog napona na dnu serijskog tranzistora.

Međutim, ova preinaka može rezultirati nižom učinkovitošću regulacije zbog nekog manevarskog učinka stvorenog potenciometrom.

Krug stalne struje Zener diode

Jednostavna Zener-regulirana opskrba konstantnom strujom može se projektirati kroz jedan tranzistor kao otpornik promjenjive serije. Na slici dolje prikazan je osnovni shematski spoj.

Ovdje možete vidjeti parove prolaza kruga, jedan preko zener diode povezan u seriju s otpornikom za odstupanje, dok je drugi put kroz otpore R1, R2 i serijski tranzistor.

U slučaju da struja odstupa od svog izvornog raspona, to stvara proporcionalnu promjenu razine pristranosti R3, što zauzvrat uzrokuje proporcionalno povećanje ili smanjenje otpora serijskog tranzistora.

Ova prilagodba otpora tranzistora rezultira automatskom korekcijom izlazne struje na željenu razinu. Točnost regulacije struje u ovom dizajnu bit će oko +/- 10% kao odgovor na izlazne uvjete koji se mogu kretati između kratkog spoja i opterećenja do 400 Ohm.

Preklopni krug sekvencijalnog releja pomoću Zener diode

Ako imate aplikaciju u kojoj je potrebno da se niz releja redno preklapaju jedan za drugim na prekidaču za napajanje, umjesto da se svi zajedno aktiviraju, tada se sljedeći dizajn može pokazati vrlo korisnim.

Ovdje se uzastopno povećavajuće zener diode instaliraju u seriju s grupom releja zajedno s pojedinačnim otpornicima serije male vrijednosti. Kad se napajanje uključi, zene diode provode se jedna za drugom u nizu u sve većem redoslijedu njihovih zenerovih vrijednosti. To rezultira rednim uključivanjem releja prema želji aplikacije. Vrijednosti otpornika mogu biti 10 ohma ili 20 ohma, ovisno o vrijednosti otpora zavojnice releja.

Krug zener diode za zaštitu od prenapona

Zbog njihovih karakteristika osjetljivih na napon, moguće je kombinirati Zener diode sa strujom osjetljivom na struju osigurača kako bi se zaštitile ključne komponente kruga od visokonaponskih prenapona, a dodatno eliminiralo gnjavažu osigurača od čestog puhanja, što se može dogoditi pogotovo kada naziv osigurača je vrlo blizu specifikacijama radne struje kruga.

Spajanjem ispravno ocijenjene Zener diode preko tereta, može se upotrijebiti osigurač koji je prikladan za rad s predviđenom strujom opterećenja tijekom duljih razdoblja. U ovoj situaciji, pretpostavimo da se ulazni napon poveća u mjeri koja premašuje Zener-ov napon proboja - prisilit će Zener-diodu da provodi. To će uzrokovati nagli porast struje koja pregovara osigurač gotovo trenutno.

Prednost ovog kruga je u tome što sprječava često i nepredvidivo puhanje osigurača zbog svoje bliske vrijednosti osigurača na struju opterećenja. Umjesto toga, osigurač pregori samo kada napon i struja istinski porastu iznad određene nesigurne razine.

Krug za zaštitu od podnapona pomoću Zener diode

Relej i odgovarajuće odabrana zener dioda dovoljni su za stvaranje točnog zaštitnog kruga niskog napona ili prekida napona za bilo koju željenu primjenu. Dijagram sklopa predstavljen je u nastavku:

Operacija je zapravo vrlo jednostavna, opskrba Vin koja se dobiva iz mreže mostova transformatora proporcionalno varira ovisno o ulaznim varijacijama izmjenične struje. To implicira, ako pretpostavimo da 220 V odgovara 12 V od transformatora, tada bi 180 V trebalo odgovarati 9,81 V i tako dalje. Stoga, ako se pretpostavlja da je prag prekida niskog napona 180 V, odabir zene diode kao 10 V uređaja prekinut će rad releja kad god ulazni izmjenični napon padne ispod 180 V.