Zener diódák

Bevezetés

A diódák általában olyan eszközként ismertek, amely lehetővé teszi az áram áramlását egy irányba (előre torzítva), és ellenállást nyújt az áram áramlásának, ha fordított előfeszítéssel használják. A Zener dióda (C. Zener amerikai tudósról kapta a nevét, aki először elmagyarázta működési elveit) viszont nem csak lehetővé teszi az áram áramlását, ha előrehaladásban használják, hanem az áram áramlását is lehetővé teszik, ha a fordított előfeszítésben használják eddig az alkalmazott feszültség meghaladja a Zener megszakítási feszültség néven ismert megszakítási feszültséget. Vagy más szavakkal: A megszakítási feszültség az a feszültség, amelyen a Zener dióda fordított irányban kezd vezetni.

A Zener dióda működési elve:

Normál diódákban a meghibásodási feszültség nagyon magas, és a dióda teljesen megsérül, ha a megszakító dióda feletti feszültséget alkalmazzák, de a Zener diódákban a megszakítási feszültség nem olyan magas, és nem vezet a zener dióda maradandó károsodásához, ha a feszültséget alkalmazzák.

Amint a Zener diódára alkalmazott fordított feszültség a megadott megszakítási feszültség (Vz) felé növekszik, egy áram kezd átfolyni a diódán, és ezt az áramot Zener áramnak nevezzük, és ezt a folyamatot lavina bontásnak nevezzük. Az áram maximálisan megnő és stabilizálódik. Ez az áram az alkalmazott feszültség szélesebb tartományában állandó marad, és lehetővé teszi a Zener-dióda számára, hogy nagyobb feszültséggel ellenálljon, anélkül, hogy megsérülne. Ezt az áramot a soros ellenállás határozza meg.

Tekintsük az alábbi képeket egy normál dióda működéséről.

A zener dióda működésének bemutatásához vegye figyelembe az alábbi két kísérletet (A és B).

Az A kísérletben egy 12 V-os zener diódát fordított előfeszítéssel csatlakoztatunk, amint az a képen látható, és látható, hogy a zener dióda hatékonyan blokkolta a feszültséget, mert kisebb / egyenlő volt az adott zener dióda és így a lámpa megszakítási feszültségével távol maradt.

A B kísérletben egy használt 6v-os Zener-dióda fordított előfeszítéssel vezet (az izzó bekapcsol), mert az alkalmazott feszültség nagyobb, mint a megszakítási feszültsége, és ez azt mutatja, hogy a megszakítási régió a zener-dióda működési tartománya.

Az alábbiakban a Zener dióda áram-feszültség jelleggörbéjét mutatjuk be.

A grafikonból arra lehet következtetni, hogy a fordított előfeszítési módban működő zener-dióda meglehetősen állandó feszültségű lesz, függetlenül a leadott áram nagyságától.

A Zener dióda alkalmazásai:

A Zener diódákat három fő alkalmazásban használják az elektronikus áramkörökben;

1. Feszültségszabályozás

2. Waveform Clipper

3. Feszültségváltó

1. Zener dióda, mint feszültségszabályozó

Ez vitathatatlanul a zener diódák leggyakoribb alkalmazása.

A zener diódák ezen alkalmazása nagyban függ a zener diódák azon képességétől, hogy fenntartják-e az állandó feszültséget, függetlenül a táp vagy a terhelés áramának változásától. A feszültségszabályozó készülék általános feladata, hogy állandó kimeneti feszültséget biztosítson a vele párhuzamosan kapcsolt terheléshez, függetlenül a terhelés által felvett energia változásaitól (terhelési áram) vagy a tápfeszültség ingadozásaitól és instabilitásától.

A Zener dióda állandó feszültséget biztosít, feltéve, hogy az áram a maximális és a minimális fordított áram tartományában marad.

Az alábbi kapcsolási rajz mutatja a feszültségszabályozóként használt Zener diódát.

Az R1 ellenállást sorban kötjük össze a zener diódával, hogy korlátozzuk a diódán átáramló áram mennyiségét, és a Vin bemeneti feszültséget (amelynek nagyobbnak kell lennie, mint a zener feszültsége) összekapcsoljuk a képen látható módon, és a Vout kimeneti feszültséget, a zener diódán Vout = Vz (Zener feszültség) segítségével veszik át . Mivel a feszültség szabályozásához a zener dióda fordított előfeszítési jellemzői szükségesek, ez fordított előfeszítési módban van csatlakoztatva, a katódot az áramkör pozitív sínjéhez csatlakoztatva.

Óvatosan kell eljárni az R1 ellenállás értékének kiválasztásakor, mivel egy kis értékű ellenállás nagy diódaáramot eredményez a terhelés csatlakoztatásakor, és ez megnöveli a dióda energiaeloszlási igényét, amely magasabb lehet, mint a zener és károsíthatja azt.

Az alkalmazandó ellenállás értékét az alábbi képlettel lehet meghatározni.

R ₁ = (V _in - V _Z) / I _Z Hol; R1 a soros ellenállás értéke. Vin a bemeneti feszültség. Vz, amely megegyezik Vout-val, a Zener feszültség, Iz pedig a Zener áram.

Ennek a képletnek a használatával könnyen biztosítható, hogy a kiválasztott ellenállás értéke ne vezessen nagyobb áramhoz, mint amit a zener képes kezelni.

A zener dióda alapú szabályozó áramkörökkel kapcsolatban tapasztalt kis probléma az, hogy a Zener néha elektromos zajt generál a tápvezetéken, miközben megpróbálja szabályozni a bemeneti feszültséget. Bár ez nem jelent problémát a legtöbb alkalmazás számára, ez a probléma megoldható egy nagy értékű leválasztó kondenzátor hozzáadásával a diódán. Ez segít stabilizálni a zener kimenetét.

2. Zener dióda hullámforma vágóként

A normál diódák egyik felhasználása a nyíró és befogó áramkörök alkalmazása, amelyek olyan áramkörök, amelyeket bemenő váltakozó áramú hullámforma vagy jel alakítására vagy módosítására használnak , másképpen alakított kimeneti jelet állítva elő a nyíró vagy a befogó specifikációitól függően.

A nyíró áramkörök általában olyan áramkörök, amelyeket arra használnak, hogy megakadályozzák az áramkör kimeneti jelének túllépését egy előre meghatározott feszültségértéken anélkül, hogy megváltoztatnák a bemenő jel vagy a hullámforma bármely más részét.

Ezeket az áramköröket és a kapcsokat széles körben használják az analóg televízióban és az FM rádióadókban az interferencia (szorító áramkörök) eltávolítására és a zajcsúcsok magas csúcsok levágásával történő korlátozására.

Mivel a Zener diódák általában úgy viselkednek, mint a normál diódák, amikor az alkalmazott feszültség nem egyenlő a megszakítási feszültséggel, így ezeket a vágó áramkörökben is felhasználják.

A levágó áramkörök úgy alakíthatók ki, hogy a jelet pozitív, negatív vagy mindkét régióban klipeljék. Bár a dióda természetesen levágja a másik régiót 0,7 V feszültség mellett, függetlenül attól, hogy pozitív vagy negatív clipperként tervezték-e meg.

Vegyük például az alábbi áramkört.

A csipesz áramkört úgy tervezték, hogy a kimeneti jelet 6,2 V feszültségen rögzítse, ezért 6,2 V zener diódát használtak. A zener dióda megakadályozza, hogy a kimenő jel meghaladja a zener feszültségét, függetlenül a bemeneti hullámformától. Ebben a példában 20 V-os bemeneti feszültséget használtak, és a pozitív lengés kimeneti feszültsége 6,2 V volt, összhangban a zener-dióda feszültségével. A váltóáramú feszültség negatív ingadozása során azonban a zener dióda ugyanúgy viselkedik, mint a normál dióda, és a kimeneti feszültséget 0,7 V feszültségen rögzíti, összhangban a normál szilikon diódákkal.

A váltakozó áramú áramkör negatív lengésének, valamint a pozitív lengésnek a kivágó áramkörének megvalósításához oly módon, hogy a feszültség a pozitív és negatív lengés különböző szintjein csípődjön, kettős zener vágó áramkört alkalmaznak. Az alábbiakban bemutatjuk a kettős zener nyíró áramkör kapcsolási rajzát.

A fenti nyírási áramkörben a Vz2 feszültség az a váltakozó áramú negatív lengés feszültségét jelenti, amelynél a kimeneti jelet le akarják vágni, míg a Vz1 feszültség azt a váltakozó áramú forrás pozitív lengésének feszültségét jelenti, amelynél a kimeneti feszültség nyírni kívánt.

3. Zener dióda, mint feszültség váltó

A feszültségváltó a zener dióda egyik legegyszerűbb, de érdekes alkalmazása. Ha volt tapasztalata különösen a 3,3 V-os érzékelő 5 V-os MCU-hoz való csatlakoztatásáról, és első kézből látta a leolvasási hibákat stb., Amelyek ezekhez vezethetnek, akkor értékelni fogja a feszültségváltók fontosságát. A feszültségváltók segítenek a jel egyik feszültségről a másikra történő átalakításában, és mivel a zener dióda képes fenntartani az állandó kimeneti feszültséget a meghibásodási régióban, ideális komponenssé teszi őket a működéshez.

A zener-dióda alapú feszültség-váltóban az áramkör csökkenti a kimeneti feszültséget, egy értékkel, amely megegyezik az adott zener-dióda megszakítási feszültségével. Az alábbiakban a feszültségváltó kapcsolási rajzát szemléltetjük.

Tekintsük az alábbi kísérletet,

Az áramkör egy 3,3 V-os zener dióda alapú feszültség-váltót ír le. Az áramkör kimeneti feszültségét (3,72 V) a zener dióda megszakítási feszültségének (3,3 V) levonásával adjuk meg a bemeneti feszültségből (7 V).

Vout = Vin –Vz

Vout = 7 - 3,3 = 3,7v

A korábban ismertetett feszültségváltónak számos alkalmazása van a modern elektronikus áramkörök tervezésében, mivel a tervező mérnöknek a tervezési folyamat során időnként legfeljebb három különböző feszültségszinttel kell dolgoznia.

A Zener diódák típusai:

A Zener diódákat típusokba sorolják, számos paraméter alapján:

1. Névleges feszültség
2. Teljesítménydisszipáció
3. Előre hajtás áram
4. Előre feszültség
5. Csomagolás típusa
6. Maximális fordított áram

Névleges feszültség

A zener dióda névleges működési feszültsége a zener dióda megszakítási feszültségeként is ismert, attól függően, hogy melyik alkalmazást kívánja használni a dióda, ez gyakran a Zener dióda kiválasztásának legfontosabb kritériuma.

Teljesítménydisszipáció

Ez azt a maximális energiát jelöli, amelyet a zener áram képes elvezetni. Ennek a névleges teljesítménynek a túllépése a zener dióda hőmérsékletének túlzott emelkedéséhez vezet, ami károsíthatja azt, és az áramkörben csatlakoztatott dolgok meghibásodásához vezethet. Ezért ezt a tényezőt figyelembe kell venni a dióda használatának szem előtt tartásával.

Maximális Zener áram

Ez az a maximális áram, amelyet a zener diódán át lehet vezetni a zener feszültségén, anélkül, hogy az eszközt károsítanánk.

Minimális Zener áram

Ez arra a minimális áramra vonatkozik, amely szükséges a zener dióda működéséhez a bontási régióban.

A dióda specifikációjaként szolgáló egyéb paramétereket is teljes mértékben figyelembe kell venni, mielőtt döntést hoznánk arról a típusról, hogy milyen típusú zener-dióda szükséges a sajátos kialakításhoz.

Következtetés:

Íme 5 pont, amelyet soha nem szabad megfeledkeznie a zener diódáról.

1. A zener dióda csak olyan, mint egy közönséges dióda, mivel adalékolták, hogy éles megszakítási feszültsége legyen.
2. A Zener dióda stabil kimeneti feszültséget tart fenn, függetlenül a bemeneti feszültségtől, feltéve, hogy a maximális zener áramot nem lépik túl.
3. Ha előre irányban csatlakozik, a zener dióda pontosan úgy viselkedik, mint a normál szilikon dióda. Ugyanazon 0,7 V feszültségeséssel vezet, amely a normál dióda használatával jár.
4. A zener dióda alapértelmezett működési állapota a bontási tartományban van (fordított torzítva). Ez azt jelenti, hogy akkor kezd működni, amikor az alkalmazott feszültség fordított előfeszítéssel magasabb, mint a Zener feszültség.
5. A zener diódát leginkább olyan alkalmazásokban használják, mint a feszültségszabályozás, a nyíró áramkörök és a feszültségváltók.