Obwody diody Zenera, charakterystyka, obliczenia

Diody Zenera - nazwane na cześć ich wynalazcy, dr. Carla Zenera, są zasadniczo stosowane w obwodach elektronicznych do generowania precyzyjnych odniesień napięcia. Są to urządzenia, które są w stanie wytworzyć na nich praktycznie stałe napięcie, niezależnie od zmian w obwodzie i sytuacjach napięciowych.

Zewnętrznie możesz znaleźć diody Zenera bardzo podobne do standardowych diod, takich jak 1N4148. Diody Zenera działają również poprzez prostowanie prądu przemiennego na pulsujący prąd stały, podobnie jak ich tradycyjne alternatywy. Jednak w przeciwieństwie do standardowych diod prostowniczych, diody Zenera są skonfigurowane tak, że ich katoda jest bezpośrednio połączona z plusem zasilania, a anoda z ujemnym zasilaniem.

Charakterystyka

W swojej standardowej konfiguracji diody Zenera wykazują wysoką rezystancję poniżej określonego, krytycznego napięcia (znanego jako napięcie Zeriera). Kiedy to określone krytyczne napięcie zostanie przekroczone, czynna rezystancja diody Zenera spada do bardzo niskiego poziomu.

Przy tej niskiej wartości rezystancji efektywne stałe napięcie jest utrzymywane na Zenerach i można oczekiwać, że to stałe napięcie będzie utrzymywać się niezależnie od jakiejkolwiek zmiany prądu źródła.

Mówiąc prościej, ilekroć napięcie na diodzie Zenera przekracza znamionową wartość Zenera, dioda Zenera przewodzi i uziemia nadmiar napięcia. Z tego powodu napięcie spada poniżej napięcia Zenera, co wyłącza Zenera, a zasilanie ponownie próbuje przekroczyć napięcie Zenera, ponownie włączając Zenera. Cykl ten szybko się powtarza, co ostatecznie powoduje ustabilizowanie wyjścia dokładnie do stałej wartości napięcia Zenera.

Ta cecha jest graficznie podkreślona na poniższym rysunku, który wskazuje, że powyżej „napięcia Zenera” napięcie wsteczne pozostaje prawie stałe, nawet przy wahaniach prądu wstecznego. W rezultacie diody Zenera są często używane do uzyskiwania stałego spadku napięcia lub napięcia odniesienia wraz z ich wewnętrzną rezystancją.

Diody Zenera są zaprojektowane na wiele mocy znamionowych i napięcie znamionowe w zakresie od 2,7 V do 200 V. (Jednak najczęściej diody Zenera o wartościach znacznie powyżej 30 woltów są rzadko używane.)

Podstawowy obwód diody Zenera działa

Na poniższej ilustracji można zobaczyć standardowy obwód regulatora napięcia, wykorzystujący pojedynczy rezystor i diodę Zenera. Tutaj załóżmy, że wartość diody Zenera wynosi 4,7 V, a napięcie zasilania V in wynosi 8,0 V.

Podstawową pracę diody Zenera można wyjaśnić następującymi punktami:

W przypadku braku obciążenia na wyjściu diody Zenera, można zobaczyć 4,7 V spadające na diodę Zenera, podczas gdy odcięcie 2,4 V jest wytwarzane na rezystorze R.

Teraz, w przypadku zmiany napięcia wejściowego, wyobraźmy sobie, że z 8,0 na 9,0 V spowoduje spadek napięcia na Zenerie, aby nadal utrzymywać znamionowe 4,7 V.

Jednak spadek napięcia na rezystorze R można było zaobserwować zwiększony z 2,4 V do 3,4 V.

Można oczekiwać, że spadek napięcia na idealnym Zenerie będzie dość stały. Praktycznie może się okazać, że napięcie na Zenera nieznacznie wzrośnie z powodu dynamicznej rezystancji Zenera.

Procedura, według której obliczana jest zmiana napięcia Zenera, polega na pomnożeniu rezystancji dynamicznej Zenera przez zmianę prądu Zenera.

Rezystor R1, w powyższej podstawowej konstrukcji regulatora, symbolizuje preferowane obciążenie, które może być połączone z Zenerem. R1 w tym połączeniu będzie pobierać pewną ilość prądu, który przepływał przez Zenera.

Ponieważ prąd w Rs będzie wyższy niż prąd wpływający do obciążenia, ilość prądu będzie nadal przepływać przez Zenera, umożliwiając idealnie stałe napięcie na Zenera i obciążeniu.

Wskazany rezystor szeregowy Rs należy wyznaczyć w taki sposób, aby najniższy prąd wchodzący do Zenera był zawsze wyższy niż minimalny poziom określony dla stabilnej regulacji z Zenera. Poziom ten zaczyna się tuż pod „kolanem” krzywej napięcie wsteczne / prąd wsteczny, jak wyuczono z poprzedniego wykresu graficznego powyżej.

Musisz dodatkowo upewnić się, że dobór Rs zapewnia, że ​​prąd przepływający przez diodę Zenera nigdy nie przekroczy jej mocy znamionowej: co może być równoważne napięciu Zenera x prądowi Zenera. Jest to największa ilość prądu, jaka może przepłynąć przez diodę Zenera przy braku obciążenia R1.

Jak obliczyć diody Zenera

Projektowanie podstawowego obwodu Zenera jest w rzeczywistości proste i można je wdrożyć za pomocą następujących instrukcji:

1. Określić maksymalny i minimalny prąd obciążenia (Li), na przykład 10 mA i 0 mA.
2. Określić maksymalne napięcie zasilania, które może się rozwinąć, na przykład poziom 12 V, upewniając się również, że minimalne napięcie zasilania wynosi zawsze = 1,5 V + Vz (napięcie znamionowe Zenera).
3. Jak wskazano w podstawowej konstrukcji regulatora, wymagane napięcie wyjściowe, które jest równoważnym napięciem Zenera Vz = 4,7 V, a wybrane Najniższy prąd Zenera to 100 mikroamperów . Oznacza to, że maksymalny zamierzony prąd Zenera wynosi tutaj 100 mikroamperów plus 10 miliamperów, co daje 10,1 miliamperów.
4. Rezystor szeregowy Rs musi pozwalać na minimalną ilość prądu 10,1 mA, nawet gdy napięcie wejściowe ma najniższy określony poziom, który jest o 1,5 V wyższy niż wybrana wartość Zenera Vz, i można go obliczyć przy użyciu prawa Ohma jako: Rs = 1,5 / 10,1 x 10^-3= 148,5 omów. Najbliższa standardowa wartość wydaje się wynosić 150 omów, więc R może wynosić 150 omów.
5. Jeśli napięcie zasilania wzrośnie do 12 V, spadek napięcia na Rs wyniesie Iz x Rs, gdzie Iz = prąd płynący przez Zenera. Dlatego stosując prawo Ohma otrzymujemy Iz = 12 - 4,7 / 150 = 48,66 mA
6. Powyższe to maksymalny prąd, który będzie mógł przepływać przez diodę Zenera. Innymi słowy, maksymalny prąd, który może płynąć podczas maksymalnego obciążenia wyjściowego lub maksymalnego określonego napięcia wejściowego. W tych warunkach dioda Zenera rozproszy moc Iz x Vz = 48,66 x 4,7 = 228 mW. Najbliższa standardowa wartość znamionowa mocy, która to spełnia, to 400 mW.

Wpływ temperatury na diody Zenera

Oprócz parametrów napięcia i obciążenia diody Zenera są również dość odporne na zmiany temperatury wokół nich. Jednak powyżej pewnego stopnia temperatura może mieć pewien wpływ na urządzenie, jak pokazano na poniższym wykresie:

Przedstawia krzywą współczynnika temperaturowego diody Zenera. Chociaż przy wyższych napięciach krzywa współczynnika reaguje przy około 0,1% na stopień Celsjusza, przy 5 V przechodzi przez zero, a następnie zmienia wartość na ujemną dla niższych poziomów napięcia. Ostatecznie osiąga -0,04% na stopień Celsjusza przy około 3,5 V.

Zastosowanie diody Zenera jako czujnika temperatury

Jednym z dobrych zastosowań czułości diody Zenera na zmianę temperatury jest zastosowanie urządzenia jako czujnika temperatury, jak pokazano na poniższym schemacie

Schemat przedstawia sieć mostkową zbudowaną z pary rezystorów i pary diod Zenera o identycznej charakterystyce. Jedna z diod Zenera działa jak generator napięcia odniesienia, podczas gdy druga dioda Zenera służy do wykrywania zmian poziomów temperatury.

Standardowy 10 V Zener może mieć współczynnik temperaturowy + 0,07% / ° C, co może odpowiadać wahaniom temperatury 7 mV / ° C. Spowoduje to nierównowagę około 7 mV między dwoma ramionami mostu dla każdego stopnia zmiany temperatury w stopniach Celsjusza. Miernik 50 mV z pełnym FSD może być użyty we wskazanym położeniu do wyświetlania odpowiednich odczytów temperatury.

Dostosowywanie wartości diody Zenera

W przypadku niektórych aplikacji obwodu może być konieczne podanie dokładnej wartości Zenera, która może być wartością niestandardową lub niedostępną łatwo.

W takich przypadkach można utworzyć tablicę diod Zenera, które można następnie wykorzystać do uzyskania pożądanej niestandardowej wartości diody Zenera, jak pokazano poniżej:

W tym przykładzie wiele niestandardowych, niestandardowych wartości Zenera można pobrać z różnych terminali, jak opisano na poniższej liście:

Możesz użyć innych wartości we wskazanych pozycjach, aby uzyskać wiele innych niestandardowych zestawów wyjść diody Zenera

Diody Zenera z zasilaniem AC

Diody Zeners są zwykle używane z zasilaczami prądu stałego, jednak te urządzenia mogą być również zaprojektowane do współpracy z zasilaczami prądu przemiennego. Kilka zastosowań diod Zenera AC obejmuje audio, obwody RF i inne formy systemów sterowania AC.

Jak pokazano w poniższym przykładzie, gdy zasilacz AC jest używany z diodą Zenera, Zener natychmiast przewodzi, gdy tylko sygnał AC przejdzie od zera do ujemnej połowy cyklu. Ponieważ sygnał jest ujemny, AC zostanie zwarty przez anodę do katody Zenera, powodując pojawienie się napięcia 0 V.

Kiedy zasilanie AC przesuwa się przez dodatnią połowę cyklu, Zener nie przewodzi, dopóki AC nie osiągnie poziomu napięcia Zenera. Kiedy sygnał AC przekroczy napięcie Zenera, Zener przewodzi i stabilizuje wyjście do poziomu 4,7 V, aż cykl AC spadnie z powrotem do zera.

Pamiętaj, używając Zenera z wejściem AC, upewnij się, że Rs jest obliczane zgodnie z napięciem szczytowym AC.

W powyższym przykładzie wyjście nie jest symetryczne, a raczej pulsujące 4,7 V DC. Aby uzyskać symetryczne 4,7 V AC na wyjściu, można podłączyć dwa zenery ustawione tyłem do siebie, jak pokazano na poniższym schemacie

Tłumienie szumów diody Zenera

Chociaż diody Zenera zapewniają szybki i łatwy sposób tworzenia ustabilizowanych stałych wyjść napięciowych, mają one jedną wadę, która może wpływać na czułe obwody audio, takie jak wzmacniacze mocy.

Diody Zenera podczas pracy generują szumy ze względu na efekt lawinowy ich złącza podczas przełączania, w zakresie od 10 uV do 1 mV. Można to stłumić, dodając kondensator równolegle z diodą Zenera, jak pokazano poniżej:

Wartość kondensatora może wynosić od 0,01 uF do 0,1 uF, co pozwoli na 10-krotne tłumienie szumów i zapewni najlepszą możliwą stabilizację napięcia.

Poniższy wykres przedstawia wpływ kondensatora na redukcję szumów diody Zenera.

Używanie Zenera do filtrowania napięcia tętnienia

Diody Zenera mogą być również stosowane jako skuteczne filtry napięcia tętnienia, podobnie jak są używane do stabilizacji napięcia AC.

Ze względu na wyjątkowo niską impedancję dynamiczną, diody Zenera mogą działać jak filtr tętnienia w taki sam sposób, jak kondensator filtrujący.

Bardzo imponujące filtrowanie tętnień można uzyskać, podłączając diodę Zenera do obciążenia, z dowolnym źródłem prądu stałego. Tutaj napięcie musi być takie samo, jak poziom minimalnego tętnienia.

W większości zastosowań obwodów może to działać równie skutecznie, jak typowy kondensator wygładzający o pojemności kilku tysięcy mikrofaradów, co powoduje znaczne zmniejszenie poziomu napięcia tętnienia nałożonego na wyjście DC.

Jak zwiększyć wydajność obsługi diody Zenera

Łatwym sposobem na zwiększenie zdolności obsługi diod Zenera jest prawdopodobnie po prostu połączenie ich równolegle, jak pokazano poniżej:

Jednak w praktyce może to nie być tak proste, jak się wydaje i może nie działać zgodnie z przeznaczeniem. Dzieje się tak, ponieważ tak jak każde inne urządzenie półprzewodnikowe, zenery również nigdy nie mają dokładnie identycznych właściwości, dlatego jeden z zenerów może przewodzić, zanim drugi pobierze cały prąd przez siebie, ostatecznie ulegając zniszczeniu.

Szybkim sposobem przeciwdziałania temu problemowi może być dodanie rezystorów szeregowych o niskich wartościach do każdej diody Zenera, jak pokazano poniżej, co pozwoli każdej diodzie Zenera na równomierne dzielenie prądu poprzez kompensowanie spadków napięcia generowanych przez rezystory R1 i R2:

Chociaż zdolność obsługi mocy można zwiększyć poprzez równoległe połączenie diod Zenera, znacznie ulepszonym podejściem może być dodanie bocznika BJT w połączeniu z diodą Zenera skonfigurowaną jako źródło odniesienia. Zobacz poniższy przykładowy schemat tego samego.

Dodanie tranzystora bocznikowego nie tylko zwiększa zdolność obsługi mocy Zenera 10-krotnie, ale dodatkowo poprawia poziom regulacji napięcia na wyjściu, który może być tak duży, jak określone wzmocnienie prądowe tranzystora.

Ten typ regulatora Zenera z tranzystorem bocznikowym może być używany do celów eksperymentalnych, ponieważ obwód jest w 100% odporny na zwarcia. To powiedziawszy, konstrukcja jest raczej nieefektywna, ponieważ tranzystor może rozpraszać znaczną ilość prądu przy braku obciążenia.

Aby uzyskać jeszcze lepsze wyniki, a tranzystor szeregowy typ regulatora, jak pokazano poniżej, wygląda na lepszą opcję i preferowany.

W tym obwodzie dioda Zenera wytwarza napięcie odniesienia dla tranzystora szeregowego, który zasadniczo działa jak zwolennik emitera . W rezultacie napięcie emitera jest utrzymywane na poziomie kilku dziesiątych wolta napięcia bazowego tranzystora wytwarzanego przez diodę Zenera. W konsekwencji tranzystor działa jak element szeregowy i umożliwia skuteczną kontrolę zmian napięcia zasilania.

Cały prąd obciążenia przepływa teraz przez ten tranzystor szeregowy. Zdolność obsługi mocy w tego typu konfiguracji jest określana całkowicie przez wartość i specyfikację tranzystorów, a także zależy od wydajności i jakości zastosowanego radiatora.

Doskonałą regulację można uzyskać dzięki powyższej konstrukcji za pomocą rezystora szeregowego 1k. Regulacja mogłaby zostać zwiększona 10-krotnie przez zastąpienie normalnego Zenera specjalną diodą Zenera o niskiej dynamice, taką jak 1N1589).

Jeśli chcesz, aby powyższy obwód zapewniał wyjście regulowane zmiennym napięciem, można to łatwo osiągnąć za pomocą potencjometru 1K na diodzie Zenera. Pozwala to na regulację zmiennego napięcia odniesienia u podstawy tranzystora szeregowego.

Jednak modyfikacja ta może skutkować niższą skutecznością regulacji ze względu na pewien efekt bocznikowy wytwarzany przez potencjometr.

Obwód diody Zenera o stałym prądzie

Prosty zasilacz prądu stałego regulowany przez Zenera może być zaprojektowany przez pojedynczy tranzystor jako zmienny rezystor szeregowy. Poniższy rysunek przedstawia podstawowy schemat połączeń.

Widać tu parę przejść obwodu, jeden przez diodę Zenera połączoną szeregowo z rezystorem polaryzującym, a drugi przez rezystory R1, R2 i szeregowy tranzystor.

W przypadku, gdy prąd odbiega od pierwotnego zakresu, powoduje proporcjonalną zmianę poziomu polaryzacji R3, co z kolei powoduje proporcjonalny wzrost lub spadek rezystancji tranzystora szeregowego.

Ta regulacja rezystancji tranzystora powoduje automatyczną korektę prądu wyjściowego do pożądanego poziomu. Dokładność regulacji prądu w tej konstrukcji będzie wynosić około +/- 10% w odpowiedzi na warunki wyjściowe, które mogą wahać się między zwarciem a obciążeniem do 400 omów.

Sekwencyjny obwód przełączający przekaźnika za pomocą diody Zenera

Jeśli masz aplikację, w której zestaw przekaźników ma być przełączany sekwencyjnie jeden po drugim na wyłączniku zasilania, zamiast wszystkich aktywować się razem, poniższy projekt może okazać się całkiem przydatny.

Tutaj sekwencyjnie narastające diody Zenera są instalowane szeregowo z grupą przekaźników wraz z pojedynczymi rezystorami szeregowymi małej wartości. Po włączeniu zasilania diody Zenera przewodzą jedna po drugiej w kolejności rosnącej wartości Zenera. Powoduje to sekwencyjne załączanie przekaźnika zgodnie z wymaganiami aplikacji. Wartości rezystorów mogą wynosić 10 omów lub 20 omów w zależności od wartości rezystancji cewki przekaźnika.

Obwód diody Zenera do ochrony przed przepięciami

Ze względu na ich charakterystykę wrażliwą na napięcie możliwe jest połączenie diod Zenera z charakterystyką wrażliwą na prąd bezpieczników w celu zabezpieczenia kluczowych elementów obwodu przed przepięciami wysokiego napięcia, a dodatkowo wyeliminowanie kłopotów z częstym przepalaniem się bezpiecznika, co może się zdarzyć zwłaszcza w przypadku wartości znamionowej bezpiecznika. jest bardzo zbliżona do specyfikacji prądu roboczego obwodu.

Łącząc prawidłowo znamionową diodę Zenera na obciążeniu, można zastosować bezpiecznik o odpowiedniej wartości znamionowej do obsługi zamierzonego prądu obciążenia przez dłuższy czas. W tej sytuacji załóżmy, że napięcie wejściowe wzrośnie w stopniu, który przekracza napięcie przebicia Zenera - zmusi diodę Zenera do przewodzenia. Spowoduje to nagły wzrost prądu niemal natychmiastowo przepalając bezpiecznik.

Zaletą tego obwodu jest to, że zapobiega częstemu i nieprzewidywalnemu przepalaniu się bezpiecznika ze względu na jego bliską wartość bezpiecznika względem prądu obciążenia. Zamiast tego bezpiecznik przepala się tylko wtedy, gdy napięcie i prąd rzeczywiście przekroczą określony niebezpieczny poziom.

Obwód ochrony podnapięciowej wykorzystujący diodę Zenera

Przekaźnik i odpowiednio dobrana dioda Zenera wystarczą do stworzenia dokładnego obwodu zabezpieczającego przed niskim lub zbyt niskim napięciem dla dowolnej aplikacji. Schemat obwodu przedstawiono poniżej:

Operacja jest w rzeczywistości bardzo prosta, zasilanie Vin, które jest pobierane z sieci mostka transformatorowego, zmienia się proporcjonalnie w zależności od zmian napięcia wejściowego AC. Oznacza to, że jeśli załóżmy, że 220 V odpowiada 12 V z transformatora, to 180 V powinno odpowiadać 9,81 V i tak dalej. Dlatego, jeśli przyjmie się 180 V jako próg odcięcia niskiego napięcia, to wybranie diody Zenera jako urządzenia 10 V spowoduje odcięcie działania przekaźnika, gdy napięcie wejściowe AC spadnie poniżej 180 V.