Diody Zenera

Wprowadzenie

Diody są ogólnie znane jako urządzenia, które umożliwiają przepływ prądu w jednym kierunku (spolaryzowane do przodu) i zapewniają opór przepływowi prądu, gdy są używane w polaryzacji wstecznej. Dioda Zenera (nazwana na cześć amerykańskiego naukowca C.Zenera, który jako pierwszy wyjaśnił jej zasady działania) z drugiej strony, nie tylko umożliwia przepływ prądu, gdy jest używana w polaryzacji do przodu, ale także umożliwia przepływ prądu, gdy jest używana w odwróconym polaryzacji jak dotąd przyłożone napięcie jest wyższe od napięcia przebicia znanego jako napięcie przebicia Zenera. Innymi słowy, napięcie przebicia to napięcie, przy którym dioda Zenera zaczyna przewodzić w odwrotnym kierunku.

Zasada działania diody Zenera:

W normalnych diodach napięcie przebicia jest bardzo wysokie i dioda ulega całkowitemu zniszczeniu, jeśli przyłożone zostanie napięcie powyżej diody przebicia, ale w diodach Zenera napięcie przebicia nie jest tak wysokie i nie prowadzi do trwałego uszkodzenia diody Zenera, jeśli napięcie jest przyłożone.

Gdy napięcie wsteczne przyłożone do diody Zenera rośnie w kierunku określonego napięcia przebicia (Vz), przez diodę zaczyna płynąć prąd, który jest nazywany prądem Zenera, a proces ten jest znany jako awaria lawinowa . Prąd wzrasta do maksimum i stabilizuje się. Prąd ten pozostaje stały w szerszym zakresie przyłożonego napięcia i pozwala diodzie Zenera wytrzymać wyższe napięcie bez uszkodzenia. Ten prąd jest określany przez rezystor szeregowy.

Rozważ poniższe obrazy normalnej diody w akcji.

Aby pokazać działanie diody Zenera, rozważ dwa doświadczenia (A i B) poniżej.

W eksperymencie A dioda Zenera 12 V jest podłączona z odwróconym polaryzacją, jak pokazano na obrazku i widać, że dioda Zenera skutecznie blokowała napięcie, ponieważ było mniejsze / równe napięciu przebicia konkretnej diody Zenera, a zatem lampy został wyłączony.

W Eksperymencie B zastosowana dioda Zenera 6 V przewodzi (żarówka się zapala) z polaryzacją wsteczną, ponieważ przyłożone napięcie jest większe niż jej napięcie przebicia, co pokazuje, że obszar przebicia jest obszarem działania diody Zenera.

Poniżej przedstawiono krzywą charakterystyki prądowo-napięciowej diody Zenera.

Z wykresu można wywnioskować, że dioda Zenera pracująca w trybie odwrotnego polaryzacji będzie miała dość stałe napięcie niezależnie od ilości dostarczanego prądu.

Zastosowania diody Zenera:

Diody Zenera są używane w trzech głównych zastosowaniach w obwodach elektronicznych;

1. Regulacja napięcia

2. Obcinacz kształtu fali

3. Przesuwnik napięcia

1. Dioda Zenera jako regulator napięcia

Jest to prawdopodobnie najczęstsze zastosowanie diod Zenera.

To zastosowanie diod Zenera w dużej mierze zależy od zdolności diod Zenera do utrzymywania stałego napięcia niezależnie od zmian prądu zasilania lub obciążenia. Ogólną funkcją regulatora napięcia jest zapewnienie stałego napięcia wyjściowego do obciążenia podłączonego równolegle do niego, niezależnie od zmian energii pobieranej przez obciążenie (prąd obciążenia) lub zmian i niestabilności napięcia zasilania.

Dioda Zenera zapewni stałe napięcie pod warunkiem, że prąd pozostanie w zakresie maksymalnego i minimalnego prądu wstecznego.

Schemat obwodu przedstawiający diodę Zenera używaną jako regulator napięcia pokazano poniżej.

Rezystor R1 jest połączony szeregowo z diodą Zenera, aby ograniczyć ilość prądu przepływającego przez diodę, a napięcie wejściowe Vin (które musi być większe niż napięcie Zenera) jest połączone w poprzek, jak pokazano na rysunku, a napięcie wyjściowe Vout, przechodzi przez diodę Zenera z Vout = Vz (napięcie Zenera). Ponieważ charakterystyka odwrotnego polaryzacji diody Zenera jest potrzebna do regulacji napięcia, jest ona podłączona w trybie odwróconego polaryzacji, z katodą podłączoną do dodatniej szyny obwodu.

Należy zachować ostrożność przy doborze wartości rezystora R1, ponieważ rezystor o małej wartości spowoduje duży prąd diody po podłączeniu obciążenia, co zwiększy zapotrzebowanie diody na rozpraszanie mocy, które może być wyższe niż maksymalna moc znamionowa Zenera i może go uszkodzić.

Wartość używanego rezystora można określić za pomocą poniższego wzoru.

R ₁ = (V _in - V _Z) / I _Z Gdzie; R1 jest wartością rezystancji szeregowej. Vin to napięcie wejściowe. Vz, które jest takie samo jak Vout, jest napięciem Zenera, a Iz jest prądem Zenera.

Stosując ten wzór, łatwo jest upewnić się, że wartość wybranego rezystora nie doprowadzi do przepływu prądu większego niż ten, który może obsłużyć Zener.

Jeden mały problem występujący w obwodach regulatorów opartych na diodzie Zenera polega na tym, że Zener czasami generuje szum elektryczny na szynie zasilającej, próbując regulować napięcie wejściowe. Chociaż może to nie stanowić problemu w większości zastosowań, problem ten można rozwiązać przez dodanie kondensatora odsprzęgającego o dużej wartości na diodzie. Pomaga to ustabilizować wydajność Zenera.

2. Dioda Zenera jako obcinacz kształtu fali

Jednym z zastosowań normalnych diod jest zastosowanie obwodów obcinających i zaciskowych, które są obwodami używanymi do kształtowania lub modyfikowania przebiegu lub sygnału wejściowego prądu przemiennego, wytwarzających różnie ukształtowany sygnał wyjściowy w zależności od specyfikacji zacisku lub zacisku.

Obwody clippersów są generalnie obwodami, które są używane do zapobiegania przekroczeniu przez sygnał wyjściowy obwodu z góry określonej wartości napięcia bez zmiany jakiejkolwiek innej części sygnału wejściowego lub kształtu fali.

Obwody te wraz z zaciskami są szeroko stosowane w nadajnikach telewizji analogowej i radiu FM do usuwania zakłóceń (obwody zaciskowe) i ograniczania szczytów szumów poprzez obcinanie wysokich szczytów.

Ponieważ diody Zenera ogólnie zachowują się jak normalne diody, gdy przyłożone napięcie nie jest równe napięciu przebicia, są one również używane w obwodach obcinania.

Obwody obcinania mogą być zaprojektowane tak, aby obcinać sygnał w regionach dodatnich, ujemnych lub obu. Chociaż dioda naturalnie odetnie inny obszar przy napięciu 0,7 V, niezależnie od tego, czy została zaprojektowana jako obcinarka dodatnia czy ujemna.

Na przykład rozważ poniższy obwód.

Obwód obcinacza jest przeznaczony do odcinania sygnału wyjściowego przy 6,2 V, więc zastosowano diodę Zenera 6,2 V. Dioda Zenera zapobiega przekroczeniu napięcia Zenera przez sygnał wyjściowy niezależnie od przebiegu wejściowego. W tym konkretnym przykładzie zastosowano napięcie wejściowe 20 V, a napięcie wyjściowe na dodatnim swing było równe 6,2 V zgodnie z napięciem diody Zenera. Jednak podczas ujemnego wahania napięcia prądu przemiennego dioda Zenera zachowuje się jak normalna dioda i obcina napięcie wyjściowe przy 0,7 V, zgodnie ze zwykłymi diodami silikonowymi.

Aby zaimplementować obwód obcinania dla wychylenia ujemnego obwodu prądu przemiennego, jak również huśtawki dodatniej w taki sposób, że napięcie jest obcinane na różnych poziomach na huśtawce dodatniej i ujemnej, stosuje się podwójny obwód obcinania Zenera. Schemat obwodu podwójnego obwodu przesterowania Zenera pokazano poniżej.

W powyższym obwodzie obcinającym napięcie Vz2 reprezentuje napięcie na ujemnym wahaniu źródła prądu przemiennego, przy którym sygnał wyjściowy ma być obcinany, podczas gdy napięcie Vz1 reprezentuje napięcie na dodatnim wahaniu źródła prądu przemiennego, przy którym napięcie wyjściowe ma być przycięty.

3. Dioda Zenera jako przesuwnik napięcia

Przesuwnik napięcia to jedno z najprostszych, ale ciekawych zastosowań diody Zenera. Jeśli miałeś doświadczenie zwłaszcza w podłączaniu czujnika 3,3 V do MCU 5 V i na własne oczy widziałeś błędy w odczytach itp., Które mogą do nich prowadzić, docenisz znaczenie przesuwników napięcia. Przesuwacze napięcia pomagają konwertować sygnał z jednego napięcia na drugie, a dzięki zdolności diody Zenera do utrzymywania stałego napięcia wyjściowego w obszarze przebicia, czyni je idealnym elementem do pracy.

W przesuwniku napięcia opartym na diodzie Zenera, obwód obniża napięcie wyjściowe o wartość równą napięciu przebicia konkretnej używanej diody Zenera. Schemat obwodu przesuwnika napięcia przedstawiono poniżej.

Rozważ poniższy eksperyment,

Obwód opisuje przesuwnik napięcia oparty na diodzie Zenera 3,3 V. Napięcie wyjściowe (3,72 V) obwodu uzyskuje się przez odjęcie napięcia przebicia (3,3 V) diody Zenera od napięcia wejściowego (7 V).

Vout = Vin –Vz

Vout = 7-3,3 = 3,7 V.

Przesuwnik napięcia, jak opisano wcześniej, ma kilka zastosowań we współczesnym projektowaniu obwodów elektronicznych, ponieważ projektant może być zmuszony do pracy z maksymalnie trzema różnymi poziomami napięcia w czasie procesu projektowania.

Rodzaje diod Zenera:

Diody Zenera są podzielone na typy na podstawie kilku parametrów, które obejmują;

1. Napięcie nominalne
2. Rozpraszanie mocy
3. Prąd jazdy do przodu
4. Napięcie przewodzenia
5. Rodzaj opakowania
6. Maksymalny prąd wsteczny

Napięcie nominalne

Nominalne napięcie pracy diody Zenera jest również znane jako napięcie przebicia diody Zenera, w zależności od zastosowania, w którym dioda ma być używana, jest to często najważniejsze kryterium wyboru diody Zenera.

Rozpraszanie mocy

Stanowi to maksymalną ilość mocy, jaką prąd Zenera może rozproszyć. Przekroczenie tej mocy znamionowej prowadzi do nadmiernego wzrostu temperatury diody Zenera, co mogłoby ją uszkodzić i doprowadzić do awarii elementów do niej podłączonych w obwodzie. Dlatego należy wziąć pod uwagę ten czynnik przy doborze diody pod kątem zastosowania.

Maksymalny prąd Zenera

Jest to maksymalny prąd, jaki może przepłynąć przez diodę Zenera przy napięciu Zenera bez uszkodzenia urządzenia.

Minimalny prąd Zenera

Odnosi się to do minimalnego prądu wymaganego do rozpoczęcia pracy diody Zenera w regionie awarii.

Wszystkie inne parametry, które służą jako specyfikacja diody, muszą być w pełni rozważone przed podjęciem decyzji o rodzaju diody Zenera potrzebnej do tego szczególnego projektu.

Wniosek:

Oto 5 punktów, których nigdy nie należy zapominać o diodzie Zenera.

1. Dioda Zenera jest jak zwykła dioda tylko dlatego, że została domieszkowana, aby uzyskać ostre napięcie przebicia.
2. Dioda Zenera utrzymuje stabilne napięcie wyjściowe niezależnie od napięcia wejściowego pod warunkiem, że nie zostanie przekroczony maksymalny prąd Zenera.
3. Po podłączeniu w kierunku przewodzenia dioda Zenera zachowuje się dokładnie tak, jak normalna dioda silikonowa. Przewodzi z takim samym spadkiem napięcia 0,7 V, jaki towarzyszy normalnej diodzie.
4. Domyślny stan operacyjny diody Zenera to obszar awarii (polaryzacja odwrócona). Oznacza to, że faktycznie zaczyna działać, gdy przyłożone napięcie jest wyższe niż napięcie Zenera w odwrotnym polaryzacji.
5. Dioda Zenera jest najczęściej używana w zastosowaniach obejmujących regulację napięcia, obwody przesterowania i przesuwniki napięcia.