Zener dióda áramkörök, jellemzők, számítások

A feltalálója, Dr. Carl Zener nevét viselő Zener diódákat alapvetően elektronikus áramkörökben használják pontos feszültségreferenciák előállítására. Olyan eszközökről van szó, amelyek képesek gyakorlatilag állandó feszültséget létrehozni rajtuk, függetlenül az áramkör és a feszültség helyzetének változásától.

Külsőleg előfordulhat, hogy a zener diódák nagyon hasonlítanak a szokásos diódákhoz, például az 1N4148-hoz. A Zener diódák úgy is működnek, hogy a váltakozó áramot pulzáló egyenárammá alakítják, hasonlóan a hagyományos alternatíváikhoz. A normál egyenirányító diódákkal ellentétben azonban a zener diódák úgy vannak konfigurálva, hogy katódjuk közvetlenül kapcsolódik a táplálás pozitívjához, és az anód negatív tápellátásához.

Jellemzők

Normál konfigurációjában a Zener diódák nagy ellenállást mutatnak egy adott, kritikus feszültség alatt (Zerier feszültség néven). Ennek a kritikus feszültségnek a túllépésekor a Zener dióda aktív ellenállása rendkívül alacsony szintre csökken.

Ennél az alacsony ellenállási értéknél tényleges állandó feszültséget tartanak a Zenereken, és várható, hogy ez az állandó feszültség megmarad, függetlenül a forrás áramának változásától.

Egyszerű szavakkal, amikor a zener dióda tápellátása meghaladja a névleges zener értéket, a zener dióda vezeti és földeli a túlfeszültséget. Emiatt a feszültség a zener feszültség alá csökken, amely kikapcsolja a zenert, és az áramellátás ismét megpróbálja meghaladni a zener feszültségét, ismét bekapcsolva a zenert. Ez a ciklus gyorsan megismétlődik, amelynek eredményeként a kimenet pontosan stabil zener feszültség értékre stabilizálódik.

Ezt a jellemzőt grafikusan kiemeli az alábbi ábra, amely azt jelzi, hogy a „Zener feszültség” felett a fordított feszültség továbbra is szinte állandó, még a fordított áram változása esetén is. Ennek eredményeként a Zener diódákat gyakran használják állandó feszültségesés vagy referenciafeszültség elérésére a belső ellenállásukkal.

A Zener diódákat sokféle teljesítményre tervezték, feszültségük 2,7 V és 200 V között változik. (Azonban főleg a Zener diódákat, amelyek értéke jóval meghaladja a 30 V-ot, alig használják.)

Alapvető Zener dióda áramkör működése

Egy szabványos feszültségszabályozó áramkör, egyetlen ellenállás és egy Zener dióda felhasználásával, a következő képen látható. Tegyük fel, hogy itt a Zener dióda értéke 4,7 V, a V tápfeszültség pedig 8,0 V.

A zener dióda alapvető működése a következő pontokkal magyarázható:

Terhelés hiányában a zener dióda kimenetén 4,7 volt látható a Zener diódán, míg az R ellenálláson 2,4 voltos levágás alakul ki.

Most, ha a bemeneti feszültség megváltozik, képzeljük el, hogy 8,0 és 9,0 V között a Zener feszültségesése továbbra is fenntartja a névleges 4,7 V értéket.

Ugyanakkor látható volt, hogy az R ellenálláson a feszültségesés 2,4 V-ról 3,4 V-ra emelkedik.

A feszültségesés ideális Zener-en várhatóan meglehetősen állandó lesz. Gyakorlatilag előfordulhat, hogy a zener feszültsége kissé növekszik a Zener dinamikus ellenállása miatt.

A Zener feszültség változásának kiszámításakor a zener dinamikus ellenállását megszorozzuk a Zener áramának változásával.

Az R1 ellenállás a fenti alapszabályozó kialakításában az előnyös terhelést szimbolizálja, amely összekapcsolható a zenerrel. Az R1 ezzel kapcsolatban bizonyos mennyiségű áramot vesz fel, amely a Zeneren keresztül haladt.

Mivel az áramerősség R-ben nagyobb lesz, mint a terhelésbe kerülő áram, az árammennyiség továbbra is átmegy a Zeneren, ami tökéletesen állandó feszültséget tesz lehetővé a Zeneren és a terhelésen.

A jelzett Rs ellenállást úgy kell meghatározni, hogy a Zenerbe belépő legkisebb áram mindig magasabb legyen, mint a zener stabil szabályozásához előírt minimális szint. Ez a szint közvetlenül a fordított feszültség / fordított áram görbe „térde” alatt kezdődik, amint az a fenti grafikus ábrán megtanultuk.

Ezenkívül meg kell győződnie arról, hogy az R-ek kiválasztása biztosítja, hogy a Zener-diódán áthaladó áram soha ne lépje túl a névleges teljesítményt: ami egyenértékű lehet a Zener-feszültség x Zener-árammal. Ez az a legnagyobb árammennyiség, amely az R1 terhelés hiányában áthaladhat a Zener diódán.

Hogyan számoljuk ki a Zener diódákat

Az alapvető zener áramkör megtervezése valójában egyszerű, és a következő utasításokkal valósítható meg:

1. Határozza meg a maximális és a minimális terhelési áramot (Li), például 10 mA és 0 mA.
2. Határozza meg a kialakuló maximális tápfeszültséget, például 12 V-os szintet, biztosítva azt is, hogy a minimális tápfeszültség mindig = 1,5 V + Vz (a zener feszültség névleges értéke).
3. Amint azt az alapszabályozó tervezése jelzi, a szükséges kimeneti feszültség, amely ekvivalens Zener feszültség Vz = 4,7 V, és a kiválasztott a legalacsonyabb Zener áram 100 mikroamp . Ez azt jelenti, hogy a maximális tervezett Zener áram itt 100 mikroampusz plusz 10 milliamper, ami 10,1 milliamper.
4. Az Rs soros ellenállásoknak akkor is lehetővé kell tenniük a 10,1 mA minimális árammennyiséget, ha a bemeneti tápellátás a legalacsonyabb meghatározott szint, amely 1,5 V-mal magasabb, mint a kiválasztott Vz zener értéke, és Ohm-törvény alapján kiszámítható: Rs = 1,5 / 10,1 x 10^-3= 148,5 Ohm. Úgy tűnik, hogy a legközelebbi standard érték 150 Ohm, tehát Rs 150 Ohm lehet.
5. Ha a tápfeszültség 12 V-ra emelkedik, akkor az Rs feszültségesése Iz x Rs lesz, ahol Iz = áram a zeneren keresztül. Ezért Ohm törvényét alkalmazva Iz = 12 - 4,7 / 150 = 48,66 mA-t kapunk
6. A fenti a maximális áram, amely átengedhető a zener diódán. Más szavakkal, a maximális áram, amely a maximális kimeneti terhelés vagy a maximálisan megadott tápfeszültség bemenet során áramolhat. Ilyen körülmények között a zener dióda eloszlatja Iz x Vz = 48,66 x 4,7 = 228 mW teljesítményt. Ennek eléréséhez a legközelebbi normál teljesítményérték 400 mW.

A hőmérséklet hatása a Zener diódákra

A feszültség és a terhelés paraméterei mellett a Zener diódák is elég ellenállóak a körülöttük lévő hőmérséklet-változásokkal szemben. Azonban a hőmérséklet bizonyos mértékig befolyásolhatja az eszközt, amint az az alábbi grafikonon látható:

Megmutatja a zener dióda hőmérsékleti együttható görbéjét. Bár magasabb feszültség mellett az együtthatógörbe 0,1% körüli Celsius-fokon reagál, 5 V-nál nulla felett mozog, majd az alacsonyabb feszültségszinteknél negatívvá válik. Végül 3,5 V körüli fokon eléri a -0,04% -ot Celsius-fokonként.

Zener dióda használata hőmérséklet-érzékelőként

A Zener dióda hőmérséklet-változásra való érzékenységének egyik jó felhasználása az eszköz hőmérséklet-érzékelő eszközként történő alkalmazása, az alábbi ábra szerint

A diagram egy hídhálózatot mutat, amely egy pár ellenállás és egy pár azonos tulajdonságú Zener dióda felhasználásával készült. Az egyik zener dióda úgy működik, mint egy referenciafeszültség generátor, míg a másik zener dióda a hőmérsékleti szintek változásának érzékelésére szolgál.

A szokásos 10 V-os Zener hőmérséklet-együtthatója + 0,07% / ° C lehet, ami megfelel 7 mV / ° C hőmérséklet-változásnak. Ez körülbelül 7 mV egyensúlyhiányt hoz létre a híd két karja között a hőmérséklet minden egyes Celsius-fokos változása esetén. Egy 50 mV-os FSD-mérő használható a jelzett helyzetben a megfelelő hőmérsékleti értékek megjelenítésére.

A Zener diódaérték testreszabása

Egyes áramköri alkalmazásoknál szükség lehet pontos zener értékre, amely lehet nem szabványos érték, vagy olyan érték, amely nem áll rendelkezésre.

Ilyen esetekben egy zener dióda tömb hozható létre, amely felhasználható a kívánt testreszabott zener dióda érték megszerzésére, az alábbiak szerint:

Ebben a példában számos testreszabott, nem szabványos zener értéket lehet megszerezni a különböző terminálokon, az alábbi listában leírtak szerint:

A jelzett pozíciókban más értékeket is felhasználhat, hogy sok más testreszabott zener dióda kimenetet kapjon

Zener diódák váltakozó áramú tápellátással

A Zeners diódákat általában egyenáramú tápegységekkel használják, azonban ezeket az eszközöket úgy is megtervezhetik, hogy váltakozó áramú tápegységekkel működjenek. A zener diódák néhány váltakozó alkalmazása audio, RF áramköröket és az AC vezérlő rendszerek egyéb formáit tartalmazza.

Amint az alábbi példában látható, amikor váltakozó áramú tápegységet használnak egy zener diódához, a zener azonnal vezetni fog, amint az AC jel nulláról a ciklus negatív fele felé halad. Mivel a jel negatív, ezért az AC az anódon keresztül rövidzárlatos lesz a zener katódjához, aminek következtében 0 V jelenik meg a kimeneten.

Amikor a váltóáramú tápellátás a ciklus pozitív felén mozog, a zener addig nem vezet, amíg az AC fel nem mászik a zener feszültségszintjére. Amikor az AC jel keresztezi a zener feszültségét, a zener vezeti és stabilizálja a kimenetet 4,7 V szintre, amíg az AC ciklus visszaesik nullára.

Ne felejtse el, hogy a zener váltakozó áramú bemenettel történő használata közben győződjön meg arról, hogy az Rs-t az AC csúcsfeszültségének megfelelően számítják.

A fenti példában a kimenet nem szimmetrikus, inkább egy pulzáló 4,7 V DC. A kimeneten egy szimmetrikus 4,7 V AC váltakozásához két, egymásnak ellentétes zeneköt lehet csatlakoztatni, az alábbi ábra szerint

A Zener dióda zajának elnyomása

Bár a zener diódák gyors és egyszerű módot kínálnak stabilizált rögzített feszültség kimenetek létrehozására, van egy hátránya, amely hatással lehet az érzékeny audio áramkörökre, például a teljesítményerősítőkre.

A Zener diódák működés közben zajt generálnak, kapcsolás közbeni lavinahatásuk miatt, 10 uV és 1 mV között. Ez elnyomható egy kondenzátor párhuzamos hozzáadásával a zener diódával, az alábbiak szerint:

A kondenzátor értéke 0,01uF és 0,1uF között lehet, ami 10-szeres mértékben lehetővé teszi a zaj elnyomását, és fenntartja a lehető legjobb feszültségstabilizációt.

Az alábbi grafikon bemutatja a kondenzátor hatását a zener dióda zajának csökkentésére.

A Zener használata a hullámfeszültség szűrésére

A Zener diódák hatékony hullámfeszültség-szűrőként is alkalmazhatók, ugyanúgy, mint az AC feszültség stabilizálására.

Rendkívül alacsony dinamikus impedanciája miatt a zener diódák ugyanúgy képesek működni, mint a hullámos szűrő, mint a szűrő kondenzátor.

Nagyon lenyűgöző hullámos szűrés érhető el, ha a terhelésen keresztül egy Zener diódát csatlakoztatunk bármilyen egyenáramú forráshoz. Itt a feszültségnek meg kell egyeznie a hullámvályú szintjével.

A legtöbb áramköri alkalmazásban ez ugyanolyan hatékonyan működhet, mint egy tipikus simító kondenzátor, amelynek több ezer mikrofarád kapacitása van, ami az egyenáramú kimeneten elhelyezett hullámfeszültség szintjének jelentős csökkenését eredményezi.

Hogyan növelhető a Zener dióda teljesítmény-kezelési kapacitása

A zener-dióda teljesítmény-kezelési kapacitásának növelésének egyszerű módja valószínűleg az, ha párhuzamosan csatlakoztatja őket az alábbiak szerint:

Ez azonban gyakorlatilag nem biztos, hogy olyan egyszerű, mint amilyennek látszik, és nem biztos, hogy a kívánt módon működik. Ugyanúgy, mint bármely más félvezető eszközhöz, a zenerekhez is soha nem tartoznak pontosan azonos jellemzők, ezért az egyik zenér vezethet, mielőtt a másik az egész áramot önmagán keresztül lehúzná, végül megsemmisülne.

Gyors módja ennek a problémának a leküzdése lehet az, ha alacsony értékű soros ellenállást adunk az egyes zener diódákhoz, az alábbiak szerint, amely lehetővé teszi, hogy minden zener dióda egyenletesen ossza meg az áramot az R1 és R2 ellenállások által generált kompenzáló feszültségesések révén:

Bár az energiakezelési kapacitás növelhető a Zener diódák párhuzamos csatlakoztatásával, sokkal jobb megoldás lehet egy sönt BJT hozzáadása egy referencia forrásként konfigurált zener diódával együtt. Kérjük, olvassa el a következő sematikus példát.

A sönttranzisztor hozzáadása nemcsak 10-szeresére növeli a zener teljesítmény-kezelési kapacitását, hanem tovább javítja a kimenet feszültségszabályozási szintjét, amely olyan magas lehet, mint a tranzisztor meghatározott áramerősítése.

Ez a típusú sönttranzisztoros zener-szabályozó kísérleti célokra használható, mivel az áramkör 100% -osan rövidzárlatbiztos berendezéssel rendelkezik. Ez azt jelenti, hogy a tervezés meglehetősen nem hatékony, mert a tranzisztor jelentős mennyiségű áramot oszthat el terhelés nélkül.

A még jobb eredmények érdekében a sorozatú tranzisztor Az alábbiakban bemutatott típusú szabályozó jobb megoldásnak és előnyösebbnek tűnik.

Ebben az áramkörben a Zener dióda referenciafeszültséget hoz létre a soros átmenő tranzisztorhoz, amely lényegében úgy működik, mint egy kibocsátó követő . Ennek eredményeként az emitter feszültsége a tranzisztor alapfeszültségének néhány tizede között van, amelyet a Zener dióda hoz létre. Következésképpen a tranzisztor úgy működik, mint egy soros komponens, és lehetővé teszi a tápfeszültség-változások hatékony vezérlését.

A teljes terhelési áram most ezen a tranzisztoron keresztül fut. Az ilyen típusú konfiguráció teljesítmény-kezelési kapacitását teljes egészében a tranzisztorok értéke és specifikációja határozza meg, és függ az alkalmazott hűtőborda hatékonyságától és minőségétől is.

Kiváló szabályozást lehet elérni a fenti kialakításból 1k sorozatú ellenállás alkalmazásával. A szabályozást 10-es tényezővel meg lehetne növelni, ha a normál zenert kicseréljük egy speciális alacsony dinamikus zener diódára, például 1N1589-re.

Abban az esetben, ha azt szeretné, hogy a fenti áramkör változó feszültségű szabályozott kimenetet biztosítson, ezt könnyen elérheti egy 1K-os potenciométer használatával a Zener diódán. Ez lehetővé teszi a változó referenciafeszültség beállítását a soros tranzisztor tövénél.

Ez a módosítás azonban alacsonyabb szabályozási hatékonyságot eredményezhet a potenciométer által keltett némi tolatási hatás miatt.

Állandó áramú Zener dióda áramkör

Egy egyszerű, Zener által szabályozott állandó áramellátást egyetlen tranzisztoron keresztül lehet kialakítani, változó soros ellenállásként. Az alábbi ábra az alapvető kapcsolási rajzot szemlélteti.

Itt láthat egy pár áramköri átjárót, az egyiket az előfeszítő ellenállással sorba kapcsolt zener diódán keresztül, míg a másik út az R1, R2 és a soros tranzisztorokon keresztül vezet.

Abban az esetben, ha az áram eltér az eredeti tartományától, arányos változást hoz létre az R3 előfeszítési szintjén, ami viszont a soros tranzisztoros ellenállás arányos növekedését vagy csökkenését okozza.

A tranzisztor ellenállásának ez a beállítása a kimeneti áram automatikus korrekcióját eredményezi a kívánt szintre. Az áramszabályozás pontossága ebben a kivitelben +/- 10% körüli lesz, válaszul a kimeneti körülményekre, amelyek rövidzárlat és legfeljebb 400 Ohm terhelés között változhatnak.

Szekvenciális relékapcsoló áramkör Zener diódával

Ha van olyan alkalmazása, ahol egy relékészletet egymás után kell kapcsolni a főkapcsolón, ahelyett, hogy minden együtt aktiválódna, akkor a következő kialakítás nagyon hasznos lehet.

Itt egymás után növekvő zener diódákat sorozatosan telepítenek egy relécsoporttal, az egyes kis értékű soros ellenállásokkal együtt. Az áramellátás bekapcsolásakor a zener diódák egymás után, zener értékük növekvő sorrendjében vezetnek. Ennek eredményeként a relé az alkalmazás által kívánt sorrendben kapcsol be. Az ellenállások értéke a relé tekercsének ellenállási értékétől függően 10 ohm vagy 20 ohm lehet.

Zener dióda áramkör a túlfeszültség elleni védelemhez

Feszültségérzékeny jellemzőiknek köszönhetően kombinálni lehet a Zener diódákat a biztosítékok áramérzékeny jellemzőjével, hogy megvédjék a fő áramköri alkatrészeket a nagyfeszültségű túlfeszültségektől, és ezenkívül kiküszöbölhetik a biztosíték gyakori fújásának problémáját, ami különösen akkor fordulhat elő, ha biztosítékérték van nagyon közel van az áramkör üzemi áramértékéhez.

Ha egy megfelelő besorolású Zener diódát a terhelésen keresztül kapcsolunk össze, akkor olyan biztosítékot lehet használni, amely alkalmas arra, hogy hosszabb ideig kezelje a tervezett terhelési áramot. Tegyük fel, hogy ebben a helyzetben a bemeneti feszültség olyan mértékben növekszik, amely meghaladja a Zener meghibásodási feszültségét - arra kényszeríti a Zener diódát a vezetésre. Ez hirtelen megnöveli a biztosítékot szinte azonnal kifúvó áramot.

Ennek az áramkörnek az az előnye, hogy megakadályozza, hogy a biztosíték gyakran és kiszámíthatatlanul fújjon, mivel a terhelési áramhoz közeli olvadó értéke miatt. Ehelyett a biztosíték csak akkor működik, ha a feszültség és az áram valóban meghaladja a megadott nem biztonságos szintet.

Alulfeszültség-védelmi áramkör Zener-diódával

Egy relé és egy megfelelően megválasztott zener dióda elegendő ahhoz, hogy pontos kisfeszültségű vagy feszültség alatt levágott védelmi áramkört hozzon létre bármely kívánt alkalmazáshoz. A kapcsolási rajz az alábbiakban látható:

A művelet valójában nagyon egyszerű, a transzformátor hídhálózatából nyert Vin tápegység arányosan változik a bemeneti váltakozó áram változásaitól függően. Ez azt jelenti, ha feltételezzük, hogy a 220 V megfelel a transzformátor 12 V-jának, akkor a 180 V-nak 9,81 V-nak kell lennie, és így tovább. Ezért, ha feltételezzük, hogy 180 V az alacsony feszültségű lekapcsolási küszöb, akkor a zener dióda 10 V-os eszközként való kiválasztása megszakítja a relé működését, amikor a váltóáramú bemenet 180 V alá csökken.