Vezja Zenerjevih diod, značilnosti, izračuni

Zener diode - poimenovane po izumitelju dr. Carlu Zenerju, se v osnovi uporabljajo v elektronskih vezjih za ustvarjanje natančnih referenc napetosti. To so naprave, ki lahko ustvarijo praktično konstantno napetost na njih, ne glede na spremembe v vezju in napetosti.

Zunaj lahko najdete zenerjeve diode, ki so precej podobne standardnim diodam, kot je 1N4148. Zener diode delujejo tudi tako, da AC usmerjajo v pulzirajoči DC, podobno kot njihove tradicionalne alternative. Vendar pa so v nasprotju s standardnimi usmerniškimi diodami nastavljene cenerjeve diode s svojo katodo, ki je neposredno povezana s pozitivnim napajanjem, anoda pa z negativnim napajanjem.

Značilnosti

V svoji standardni konfiguraciji imajo Zenerjeve diode visoko odpornost pod določeno, kritično napetostjo (znano kot Zerierjeva napetost). Ko je ta specifična kritična napetost presežena, aktivni upor Zenerjeve diode pade na izredno nizko raven.

In pri tej nizki vrednosti upora se na Zenersih zadržuje efektivna konstantna napetost in pričakuje se, da se bo ta konstantna napetost ohranila ne glede na kakršno koli spremembo toka vira.

Z enostavnimi besedami, kadar dovod preko cenerjeve diode preseže nazivno cenerjevo vrednost, zenerjeva dioda izvede in utemelji presežno napetost. Zaradi tega napetost pade pod cenerjevo napetost, ki izklopi cener, dovod pa spet poskuša preseči cenerjevo napetost in še enkrat vklopi cener. Ta cikel se hitro ponovi, kar ima za posledico stabilizacijo izhoda točno na konstantno vrednost cenerjeve napetosti.

Ta značilnost je grafično poudarjena na spodnji sliki, ki kaže, da je nad „Zenerjevo napetostjo“ reverzna napetost še vedno skoraj konstantna tudi pri spremembah povratnega toka. Kot rezultat se Zenerjeve diode pogosto uporabljajo za doseganje konstantnega padca napetosti ali referenčne napetosti z njihovim notranjim uporom.

Zener diode so zasnovane v številnih močeh in z napetostjo od 2,7 do 200 voltov. (Vendar se večinoma le redko uporabljajo Zenerjeve diode z vrednostmi nad 30 voltov.)

Osnovno delovanje Zenerjeve diode

Standardno vezje regulatorja napetosti z enim uporom in Zenerjevo diodo je mogoče videti na naslednji sliki. Predpostavimo, da je vrednost Zenerjeve diode 4,7 V, napajalna napetost V in pa 8,0 V.

Osnovno delovanje cenerjeve diode lahko razložimo z naslednjimi točkami:

V odsotnosti obremenitve na izhodu cenerjeve diode je opaziti spust 4,7 voltov čez Zenerjevo diodo, medtem ko se na uporu R. razvije odrezana 2,4 volta.

Zdaj, če se spremeni vhodna napetost, si predstavljajmo, od 8,0 do 9,0 V, bo padec napetosti na Zenerju še vedno ohranil ocenjeno 4,7 V.

Vendar pa je bilo mogoče videti padec napetosti na uporu R z 2,4 V na 3,4 V.

Pričakovati je, da bo padec napetosti na idealnem Zenerju precej konstanten. Praktično lahko ugotovite, da se napetost na cenerju nekoliko poveča zaradi dinamičnega upora Zenerja.

Postopek, s pomočjo katerega se izračuna sprememba Zenerjeve napetosti, je množenje dinamičnega upora Zenerja s spremembo Zenerjevega toka.

Upor R1 v zgornji osnovni izvedbi regulatorja simbolizira prednostno obremenitev, ki je lahko povezana s cenerjem. R1 bo v zvezi s tem potegnil določeno količino toka, ki se je premikal skozi Zener.

Ker bo tok v Rs višji od toka, ki vstopa v obremenitev, bo skozi Zener še naprej tekla količina toka, kar omogoča popolnoma konstantno napetost na Zenerju in obremenitvi.

Označeni serijski upor Rs je treba določiti tako, da je najnižji tok, ki vstopa v Zener, vedno višji od najnižje ravni, ki je določena za stabilno regulacijo iz Zenerja. Ta raven se začne tik pod „kolenom“ krivulje povratne napetosti / povratnega toka, kot je razvidno iz prejšnjega grafičnega diagrama zgoraj.

Poleg tega se morate prepričati, da izbira R-jev zagotavlja, da tok, ki prehaja skozi Zener-diodo, nikoli ne preseže njene nazivne moči: kar je lahko enako Zenerjevi napetosti x Zener-ovemu toku. To je največja količina toka, ki lahko prehaja skozi Zenerjevo diodo brez obremenitve R1.

Kako izračunati Zener diode

Načrtovanje osnovnega Zenerjevega vezja je pravzaprav preprosto in ga je mogoče izvesti z naslednjimi navodili:

1. Določite največji in najmanjši obremenitveni tok (Li), na primer 10 mA in 0 mA.
2. Določite največjo napajalno napetost, ki se lahko razvije, na primer nivo 12 V, pri čemer zagotovite tudi, da je najmanjša napajalna napetost vedno = 1,5 V + Vz (nazivna vrednost zenerjeve napetosti).
3. Kot je navedeno v osnovni zasnovi regulatorja, zahtevana izhodna napetost, ki je enakovredna Zenerjevi napetosti Vz = 4,7 V, in izbrana najnižji Zenerjev tok je 100 mikroamperov . To pomeni, da je največji predvideni Zenerjev tok tukaj 100 mikroamperov plus 10 miliamperov, kar je 10,1 miliamperov.
4. Serijski upor Rs mora dopuščati najmanjšo količino toka 10,1 mA, tudi če je vhodna napetost najnižja določena raven, ki je za 1,5 V višja od izbrane cenerjeve vrednosti Vz, in se lahko izračuna po ohmskem zakonu kot: Rs = 1,5 / 10,1 x 10^-3= 148,5 ohmov. Zdi se, da je najbližja standardna vrednost 150 Ohm, zato so lahko Rs 150 ohmov.
5. Če se napajalna napetost dvigne na 12 V, bo padec napetosti na Rs Iz x Rs, kjer je Iz = tok skozi cener. Zato z uporabo Ohmovega zakona dobimo Iz = 12 - 4,7 / 150 = 48,66 mA
6. Zgoraj je največji tok, ki mu bo dovoljen prehod skozi cenerjevo diodo. Z drugimi besedami, največji tok, ki lahko teče med največjo izhodno obremenitvijo ali največjo določeno vhodno napetost. V teh pogojih bo zenerjeva dioda odvajala moč Iz x Vz = 48,66 x 4,7 = 228 mW. Najbližja vrednost standardne nazivne moči, ki jo je mogoče izpolniti, je 400 mW.

Vpliv temperature na Zenerjeve diode

Skupaj s parametri napetosti in obremenitve so tudi Zenerjeve diode precej odporne na temperaturne razlike okoli njih. Vendar lahko temperatura v določeni meri vpliva na napravo, kot je prikazano na spodnjem grafu:

Prikazuje krivuljo temperaturnega koeficienta zener diode. Čeprav se pri višjih napetostih krivulja koeficienta odziva na približno 0,1% na stopinjo Celzija, se pri 5 V premakne skozi ničlo in nato za nižje napetostne ravni postane negativna. Sčasoma pri približno 3,5 V. doseže -0,04% na stopinjo Celzija.

Uporaba Zener diode kot temperaturnega senzorja

Dobra uporaba občutljivosti Zenerjeve diode na temperaturno spremembo je uporaba naprave kot naprave s temperaturnim senzorjem, kot je prikazano na naslednjem diagramu

Diagram prikazuje omrežje mostov, zgrajeno z uporabo para uporov in para Zener diod z enakimi značilnostmi. Ena zener dioda deluje kot generator referenčne napetosti, druga zener dioda pa se uporablja za zaznavanje sprememb temperaturnih ravni.

Standardni 10-kratni Zener ima lahko temperaturni koeficient + 0,07% / ° C, kar lahko ustreza temperaturnim nihanjem 7 mV / ° C. To bo ustvarilo približno 7 mV neravnovesja med obema krakoma mostu za vsako stopinjo Celzija glede na spremembo temperature. Za prikaz ustreznih temperaturnih odčitkov lahko v navedenem položaju uporabite 50 mV polni merilnik FSD.

Prilagajanje vrednosti Zener diode

Za nekatere aplikacije vezja bo morda treba imeti natančno določeno vrednost cenerja, ki je lahko nestandardna vrednost ali vrednost, ki ni na voljo.

V takih primerih je mogoče ustvariti vrsto Zener diod, ki jih lahko nato uporabimo za pridobitev želene prilagojene vrednosti Zener diode, kot je prikazano spodaj:

V tem primeru je bilo mogoče po različnih terminalih pridobiti številne prilagojene nestandardne vrednosti cenerjev, kot je opisano na naslednjem seznamu:

Na označenih položajih lahko uporabite druge vrednosti, da dobite številne druge prilagojene sklope izhoda zener diode

Zener diode z napajalnikom

Diode Zeners se običajno uporabljajo z napajalniki z enosmernim tokom, vendar so te naprave lahko zasnovane tudi za delo z napajalniki z izmeničnim tokom. Nekaj ​​AC aplikacij zener diod vključuje avdio, RF vezja in druge oblike AC regulacijskih sistemov.

Kot je prikazano v spodnjem primeru, ko se napaja izmenični tok s cenerjevo diodo, bo zener takoj sprožil, takoj ko AC signal preide z ničle na negativno polovico svojega cikla. Ker je signal negativen, bo AC izmenično prek anode na katodo zenerja, zaradi česar bo na izhodu 0 V.

Ko se napajalnik AC premakne čez pozitivno polovico cikla, cener ne deluje, dokler se AC ne povzpne na raven napetosti cenerja. Ko AC signal prečka cenerjevo napetost, zener izvede in stabilizira izhod na nivo 4,7 V, dokler AC cikel ne pade nazaj na nič.

Ne pozabite, da pri uporabi zenerja z AC vhodom poskrbite, da se Rs izračuna glede na najvišjo izmenično napetost.

V zgornjem primeru izhod ni simetričen, temveč pulzirajoč 4,7 V DC. Da bi dobili simetrični 4,7 V AC na izhodu, je mogoče povezati dva hrbtna zenera, kot je prikazano na spodnjem diagramu

Zatiranje hrupa Zener diode

Čeprav zener diode omogočajo hiter in enostaven način za ustvarjanje stabiliziranih izhodov s fiksno napetostjo, ima ena pomanjkljivost, ki lahko vpliva na občutljiva zvočna vezja, kot so ojačevalniki moči.

Zenerjeve diode med delovanjem ustvarjajo šum zaradi učinka stika plazov med preklapljanjem, in sicer od 10 uV do 1 mV. To lahko zatrete z dodajanjem kondenzatorja vzporedno s cenerjevo diodo, kot je prikazano spodaj:

Vrednost kondenzatorja je lahko med 0,01uF in 0,1uF, kar bo omogočilo dušenje šuma s faktorjem 10 in ohranilo najboljšo možno stabilizacijo napetosti.

Naslednji graf prikazuje učinek kondenzatorja na zmanjšanje šuma zener diode.

Uporaba Zenerja za filtriranje valovite napetosti

Zener diode lahko uporabimo tudi kot učinkovite valovite napetostne filtre, tako kot se uporabljajo za stabilizacijo izmenične napetosti.

Zaradi izjemno nizke dinamične impedance lahko zener diode delujejo kot valovit filter na enak način kot filtrirni kondenzator.

Zelo impresivno valovito filtriranje je mogoče doseči s priključitvijo Zener diode čez obremenitev s katerim koli virom enosmernega toka. Tu mora biti napetost enaka ravni valovitega korita.

V večini aplikacij vezja lahko to deluje tako učinkovito kot tipičen glajevalni kondenzator z zmogljivostjo več tisoč mikrofaradov, kar povzroči znatno zmanjšanje ravni valovite napetosti, nameščene na enosmernem izhodu.

Kako povečati zmogljivost ravnanja z močjo Zener diode

Enostaven način za povečanje zmogljivosti ravnanja z močjo zener diode je verjetno, da jih vzporedno povežete, kot je prikazano spodaj:

Vendar to v resnici morda ni tako preprosto, kot je videti, in morda ne bo delovalo, kot je bilo predvideno. To je tako, ker tako kot katera koli druga polprevodniška naprava tudi zeneri nikoli nimajo popolnoma enakih lastnosti, zato lahko eden od zenerov vodi pred drugim, ki skozi sebe vleče celoten tok in se sčasoma uniči.

Hiter način za odpravo te težave je lahko dodajanje serijskih uporov nizkih vrednosti z vsako zener diodo, kot je prikazano spodaj, kar bo vsaki Zener diodi omogočilo, da enakomerno deli tok skozi kompenzacijske padce napetosti, ki jih ustvarjajo upori R1 in R2:

Čeprav se zmogljivost upravljanja moči lahko poveča z vzporednim priklopom Zenerjevih diod, je lahko veliko boljši pristop dodajanje ranžirnega BJT v povezavi z zenerjevo diodo, konfigurirano kot referenčni vir. Prosimo, glejte naslednji primer sheme za isto.

Dodajanje ranžirnega tranzistorja ne samo, da poveča zmogljivost krmiljenja cenerjeve moči s faktorjem 10, še izboljša stopnjo regulacije napetosti na izhodu, ki je lahko tako visoka kot določeni trenutni dobiček tranzistorja.

Ta tip regulatorja pretvornika tranzistorja z zenerjem se lahko uporablja za eksperimentalne namene, ker ima vezje 100-odstotno zaščito pred kratkim stikom. Kljub temu je zasnova precej neučinkovita, ker lahko tranzistor razprši znatno količino toka, če ni obremenitve.

Za še boljše rezultate a serijski prehodni tranzistor vrsta regulatorja, kot je prikazano spodaj, je boljša možnost in zaželena.

V tem vezju Zenerjeva dioda ustvari referenčno napetost za serijski prehodni tranzistor, ki v bistvu deluje kot zasledovalec oddajnika . Posledično se napetost oddajnika vzdržuje med nekaj desetinami volta osnovne napetosti tranzistorja, kot jo ustvari Zenerjeva dioda. Posledično tranzistor deluje kot serijska komponenta in omogoča učinkovit nadzor sprememb napajalne napetosti.

Preko tega serijskega tranzistorja zdaj teče celoten obremenitveni tok. Kapaciteta napajanja pri tej vrsti konfiguracije je v celoti določena z vrednostjo in specifikacijami tranzistorjev, odvisna pa je tudi od učinkovitosti in kakovosti uporabljenega hladilnika.

Iz zgornje zasnove bi lahko dosegli odlično regulacijo z uporom serije 1k. Regulacijo bi lahko povečali s faktorjem 10 z zamenjavo običajnega cenerja s posebno nizko dinamično cenerjevo diodo, kot je 1N1589).

Če želite, da zgornje vezje zagotavlja spremenljivo izhodno regulirano napetost, bi to lahko enostavno dosegli z uporabo 1K potenciometra na Zenerjevi diodi. To omogoča nastavitev spremenljive referenčne napetosti na dnu serijskega tranzistorja.

Vendar pa lahko ta sprememba povzroči manjšo učinkovitost regulacije zaradi nekega ranžirnega učinka, ki ga ustvari potenciometer.

Krog stalne tokovne diode

Preprost Zener-reguliran dovod konstantnega toka je mogoče zasnovati z enim tranzistorjem kot upor spremenljive serije. Spodnja slika prikazuje osnovni diagram vezja.

Tukaj lahko vidite pare prehodov vezja, enega preko cenerjeve diode, ki je zaporedno povezana z upogibnim uporom, druga pot pa je skozi upore R1, R2 in serijski tranzistor.

V primeru, da tok odstopa od prvotnega območja, ustvari sorazmerno spremembo stopnje odklona R3, kar posledično povzroči, da se upor serijskega tranzistorja sorazmerno poveča ali zmanjša.

Ta prilagoditev upora tranzistorja povzroči samodejno korekcijo izhodnega toka na želeno raven. Natančnost tokovne regulacije pri tej zasnovi bo približno +/- 10% kot odziv na izhodne pogoje, ki se lahko gibljejo med kratkim stikom in obremenitvijo do 400 Ohm.

Sekvenčno relejsko stikalno vezje z uporabo Zener diode

Če imate aplikacijo, pri kateri je treba niz relejev zaporedno preklapljati enega za drugim na stikalu za vklop, namesto da bi se vsi skupaj aktivirali, potem se lahko izkaže naslednja zasnova zelo priročna.

Tu so zaporedno priraščajoče cenerjeve diode nameščene zaporedno s skupino relejev skupaj s posameznimi nizkorezijskimi upori. Ko je napajanje vklopljeno, cenerjeve diode zaporedoma vodijo ena za drugo v naraščajočem vrstnem redu svojih cenerjev. Rezultat tega je, da se rele vklopi v zaporedju, kot želi aplikacija. Vrednosti uporov so lahko 10 ohmov ali 20 ohmov, odvisno od vrednosti upora relejske tuljave.

Vezje Zenerjeve diode za zaščito pred prenapetostjo

Zaradi njihovih napetostno občutljivih karakteristik je mogoče Zenerjeve diode kombinirati s trenutno občutljivimi značilnostmi varovalk za zaščito ključnih komponent vezja pred visokonapetostnimi prenapetostmi in dodatno odpraviti težave s pogostim vžiganjem varovalk, kar se lahko zgodi zlasti pri oceni varovalke je zelo blizu specifikaciji delovnega toka vezja.

S priključitvijo pravilno ocenjene Zener diode na breme lahko uporabimo varovalko, ki je primerno ocenjena tako, da dalj časa obvladuje predvideni obremenitveni tok. V tem primeru predpostavimo, da se vhodna napetost poveča do mere, ki presega napetost Zenerjeve razgradnje - bo Zenerjeva dioda prisilila k delovanju. To bo povzročilo nenadno povečanje toka, ki vžge varovalko, skoraj v trenutku.

Prednost tega vezja je v tem, da varovalki preprečuje, da bi pogosto in nepredvidljivo pregorela zaradi svoje tesne vrednosti toka na obremenitveni tok. Namesto tega varovalka pregori šele, ko napetost in tok resnično narasteta čez določeno nevarno raven.

Zaščitni tokokrog pod napetostjo z uporabo Zener diode

Rele in ustrezno izbrana cenerjeva dioda zadoščata za izdelavo natančnega nizkonapetostnega ali podnapetostnega zaščitnega kroga za katero koli želeno aplikacijo. Shema vezij je predstavljena spodaj:

Delovanje je pravzaprav zelo preprosto, napajanje Vin, ki se pridobi iz omrežja transformatorskih mostov, se sorazmerno razlikuje glede na vhodne variacije izmeničnega toka. To pomeni, da če domnevamo, da 220 V ustreza 12 V transformatorja, potem mora 180 V ustrezati 9,81 V itd. Če se torej domneva, da je 180 V prag prekinitve nizke napetosti, bo izbira cenerjeve diode kot 10 V naprave prekinila delovanje releja, kadar koli vhodni AC pade pod 180 V.