Zenerove diódy

Úvod

Diódy sú všeobecne známe ako zariadenie, ktoré umožňuje tok prúdu v jednom smere (predpätie) a ponúka odpor voči toku prúdu, ak sa používa v opačnom smere. Zenerova dióda (pomenovaná po americkom vedcovi C. Zenerovi, ktorý ako prvý vysvetlil jej operačné princípy) na druhej strane nielenže umožňuje tok prúdu, ak sa používa v predpätí, ale umožňuje tiež tok prúdu, ak sa používa v opačnom smere. zatiaľ je aplikované napätie vyššie ako prierazné napätie známe ako Zenerovo prierazné napätie. Alebo inými slovami, prierazné napätie je napätie, pri ktorom Zenerova dióda začne viesť v opačnom smere.

Princíp činnosti Zenerovej diódy:

V normálnych diódach je prierazné napätie veľmi vysoké a dióda sa úplne poškodí, ak je na ňu pripojené napätie vyššie ako priraďovacia dióda, ale v prípade Zenerových diód nie je priraďovacie napätie také vysoké a nevedie k trvalému poškodeniu zenerovej diódy, ak je aplikované napätie.

Keď sa reverzné napätie privedené na Zenerovu diódu zvýši smerom k stanovenému poruchovému napätiu (Vz), diódou začne prúdiť prúd a tento prúd sa nazýva Zenerov prúd a tento proces sa označuje ako lavínové zlyhanie . Prúd sa zvyšuje na maximum a stabilizuje sa. Tento prúd zostáva konštantný v širšom rozsahu aplikovaného napätia a umožňuje Zenerovej dióde odolávať vyššiemu napätiu bez poškodenia. Tento prúd je určený sériovým rezistorom.

Zvážte obrázky nižšie normálnej diódy v akcii.

Ak chcete ukázať operácie zenerovej diódy, zvážte dva experimenty (A a B) uvedené nižšie.

V experimente A je zenerova dióda s napätím 12 V pripojená v opačnom predpätí, ako je to znázornené na obrázku, a je vidieť, že zenerova dióda účinne blokovala napätie, pretože bolo menšie / rovné prieraznému napätiu konkrétnej zenerovej diódy a žiarovky. zostal mimo.

V experimente B použitá 6V zenerova dióda vedie (žiarovka sa rozsvieti) v opačnom predpätí, pretože privedené napätie je väčšie ako jeho prierazné napätie, a teda ukazuje, že prierazná oblasť je oblasťou činnosti zenerovej diódy.

Prúd-napätie charakteristika Zenerove diódy je uvedený nižšie.

Z grafu možno vyvodiť, že zenerova dióda pracujúca v režime spätného skreslenia bude mať pomerne konštantné napätie bez ohľadu na množstvo dodávaného prúdu.

Aplikácie Zenerovej diódy:

Zenerove diódy sa používajú v troch hlavných aplikáciách v elektronických obvodoch;

1. Regulácia napätia

2. Zastrihovač kriviek

3. Posuvník napätia

1. Zenerova dióda ako regulátor napätia

Toto je nepochybne najbežnejšia aplikácia zenerových diód.

Táto aplikácia zenerových diód veľmi závisí od schopnosti zenerových diód udržiavať konštantné napätie bez ohľadu na zmeny napájacieho alebo záťažového prúdu. Všeobecnou funkciou zariadenia na reguláciu napätia je dodávať konštantné výstupné napätie záťaži, ktorá je k nemu pripojená paralelne, bez ohľadu na zmeny energie odoberanej záťažou (záťažový prúd) alebo zmeny a nestabilita napájacieho napätia.

Zenerova dióda bude poskytovať konštantné napätie za predpokladu, že prúd zostane v rozmedzí maximálneho a minimálneho spätného prúdu.

Schéma zapojenia znázorňujúca použitie Zenerovej diódy ako regulátora napätia je uvedená nižšie.

Rezistor R1 je zapojený do série so zenerovou diódou na obmedzenie množstva prúdu pretekajúceho diódou a vstupné napätie Vin (ktoré musí byť väčšie ako zenerove napätie) je pripojené naprieč, ako je to znázornené na obrázku, a výstupné napätie Vout., je vedené cez zenerovu diódu s Vout = Vz (Zenerovo napätie). Pretože na reguláciu napätia sú potrebné charakteristiky reverzného predpätia zenerovej diódy, je pripojená v režime reverzného predpätia, pričom katóda je pripojená k kladnej lište obvodu.

Pri výbere hodnoty rezistora R1 je potrebné postupovať opatrne, pretože rezistor s malou hodnotou bude mať po pripojení záťaže za následok veľký prúd diódy, čo zvýši požiadavku na stratu výkonu diódy, ktorá by mohla byť vyššia ako maximálna hodnota výkonu zener a mohol by ho poškodiť.

Hodnotu použitého odporu je možné určiť pomocou nižšie uvedeného vzorca.

R ₁ = (V _v - V _Z) / I _Z, v ktorých; R1 je hodnota sériového odporu. Vin je vstupné napätie. Vz, ktoré je rovnaké ako Vout, je Zenerovo napätie A Iz je zenerov prúd.

Použitím tohto vzorca je ľahké zaistiť, aby hodnota zvoleného rezistora neviedla k vyššiemu toku prúdu, ako dokáže Zener.

Jeden malý problém, ktorý sa vyskytuje u obvodov regulátora založených na zenerovej dióde, je ten, že Zener niekedy generuje elektrický šum na napájacej lište a zároveň sa pokúša regulovať vstupné napätie. Aj keď to nemusí byť pre väčšinu aplikácií problém, dá sa tento problém vyriešiť pridaním oddeľovacieho kondenzátora veľkej hodnoty cez diódu. To pomáha stabilizovať výstup zenerovej látky.

2. Zenerova dióda ako Clipper vlnovej formy

Jedným z použití normálnych diód je použitie orezávacích a upínacích obvodov, čo sú obvody, ktoré sa používajú na tvarovanie alebo úpravu vstupných kriviek alebo signálov striedavého prúdu a produkovanie výstupného signálu s rôznym tvarom v závislosti od špecifikácií klieští alebo svoriek.

Zastrihovače obvodov sú všeobecne obvody, ktoré sa používajú na zabránenie tomu, aby výstupný signál obvodu prekročil vopred stanovenú hodnotu napätia bez zmeny akejkoľvek inej časti vstupného signálu alebo tvaru vlny.

Tieto obvody spolu so svorkami sa široko používajú v analógových televíznych a rozhlasových vysielačoch FM na odstránenie rušenia (upínacie obvody) a na obmedzenie špičiek šumu orezávaním vysokých špičiek.

Pretože Zenerove diódy sa všeobecne správajú ako normálne diódy, keď sa použité napätie nerovná prieraznému napätiu, používajú sa tiež v orezávacích obvodoch.

Orezávacie obvody by mohli byť navrhnuté na orezanie signálu buď v pozitívnej, negatívnej alebo v oboch oblastiach. Aj keď dióda bude prirodzene oddeľovať druhú oblasť pri 0,7 V bez ohľadu na to, či bola navrhnutá ako pozitívny alebo negatívny clipper.

Zvážte napríklad obvod uvedený nižšie.

Obvod strihača je navrhnutý na orezávanie výstupného signálu pri 6,2 V, preto bola použitá 6,2 V zenerova dióda. Zenerova dióda zabraňuje výstupnému signálu prekročiť zenerove napätie bez ohľadu na vstupný priebeh. Pre tento konkrétny príklad sa použilo vstupné napätie 20 V a výstupné napätie na kladnom výkyve bolo 6,2 V v súlade s napätím zenerovej diódy. Počas záporného výkyvu striedavého napätia sa však zenerova dióda správa rovnako ako normálna dióda a spína výstupné napätie na 0,7 V, v súlade s normálnymi silikónovými diódami.

Na implementáciu orezávacieho obvodu pre negatívny výkyv striedavého obvodu, ako aj pre pozitívny výkyv takým spôsobom, že napätie je prerušované na rôznych úrovniach kladného a záporného výkyvu, sa používa dvojitý zenerovský orezávací obvod. Schéma zapojenia zapojovacieho obvodu dvojitého zenera je uvedená nižšie.

Vo vyššie uvedenom orezávacom obvode predstavuje napätie Vz2 napätie na zápornom výkyve zdroja striedavého prúdu, pri ktorom sa požaduje orezanie výstupného signálu, zatiaľ čo napätie Vz1 predstavuje napätie na kladnom výkyve zdroja striedavého prúdu, pri ktorom je výstupné napätie je žiaduce orezať.

3. Zenerova dióda ako posúvač napätia

Menič napätia je jednou z najjednoduchších, ale zaujímavých aplikácií zenerovej diódy. Ak ste mali skúsenosti najmä s pripojením snímača 3,3 V na 5V MCU a videli ste na vlastnej koži chyby v údajoch, atď., Ktoré by k nim mohli viesť, oceníte dôležitosť radičov napätia. Meniče napätia pomáhajú prevádzať signál z jedného napätia na druhé a vďaka schopnosti zenerovej diódy udržiavať stabilné výstupné napätie v oblasti poruchy ich robí ideálnym komponentom pre prevádzku.

V posúvači napätia na báze zenerovej diódy obvod znižuje výstupné napätie o hodnotu rovnajúcu sa prieraznému napätiu konkrétnej použitej zenerovej diódy. Schéma zapojenia posúvača napätia je znázornená nižšie.

Zvážte experiment uvedený nižšie,

Obvod popisuje radič napätia na báze zenerovej diódy 3,3 V. Výstupné napätie (3,72 V) obvodu je dané odpočítaním prierazného napätia (3,3 V) zenerovej diódy od vstupného napätia (7V).

Vout = Vin –Vz

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

Menič napätia, ktorý je opísaný vyššie, má v modernom dizajne elektronických obvodov niekoľko aplikácií, pretože dizajnér možno bude musieť počas procesu návrhu pracovať s až tromi rôznymi úrovňami napätia.

Typy zenerových diód:

Zenerove diódy sú kategorizované do typov na základe niekoľkých parametrov, ktoré zahŕňajú;

1. Menovité napätie
2. Strata výkonu
3. Prúd budiaceho prúdu
4. Prúdové napätie
5. Typ balenia
6. Maximálny spätný prúd

Menovité napätie

Menovité prevádzkové napätie zenerovej diódy je tiež známe ako prierazné napätie zenerovej diódy, čo je v závislosti od použitia, na ktoré sa má dióda použiť, často najdôležitejším kritériom pre výber zenerovej diódy.

Strata výkonu

To predstavuje maximálne množstvo energie, ktoré môže Zenerov prúd rozptýliť. Prekročenie tohto menovitého výkonu vedie k nadmernému zvýšeniu teploty zenerovej diódy, ktoré by ju mohlo poškodiť a viesť k poruche vecí, ktoré sú k nej pripojené v obvode. Preto by sa tento faktor mal brať do úvahy pri výbere diódy s ohľadom na dané použitie.

Maximálny Zenerov prúd

Toto je maximálny prúd, ktorý môže prechádzať zenerovou diódou pri zenerovom napätí bez poškodenia zariadenia.

Minimálny Zenerov prúd

Týka sa to minimálneho prúdu potrebného na to, aby zenerova dióda začala pracovať v oblasti poruchy.

Pred rozhodnutím o druhu zenerovej diódy potrebnej pre tento zvláštny dizajn je potrebné plne zohľadniť ďalšie parametre, ktoré slúžia ako špecifikácia diódy.

Záver:

Tu je 5 bodov, na ktoré by ste nikdy nemali zabudnúť na zenerovu diódu.

1. Zenerova dióda je ako obyčajná dióda iba vtedy, ak je dopovaná, aby mala prudké prierazné napätie.
2. Zenerova dióda udržuje stabilné výstupné napätie bez ohľadu na vstupné napätie za predpokladu, že nie je prekročený maximálny zenerov prúd.
3. Pri zapojení v predopise sa zenerova dióda chová presne ako normálna silikónová dióda. Vedie s rovnakým poklesom napätia 0,7 V, aký sprevádza použitie normálnej diódy.
4. Predvolený prevádzkový stav zenerovej diódy je v oblasti poruchy (obrátene predpätý). To znamená, že skutočne začne pracovať, keď je aplikované napätie vyššie ako Zenerovo napätie pri spätnom predpätí.
5. Zenerova dióda sa väčšinou používa v aplikáciách, ktoré zahŕňajú reguláciu napätia, orezávacie obvody a napäťové radiče.