Zener-diodekretser, egenskaper, beregninger

Zener-dioder - oppkalt etter oppfinneren Dr. Carl Zener, brukes fundamentalt i elektroniske kretser for å generere presise spenningsreferanser. Dette er enheter som er i stand til å skape en praktisk talt konstant spenning over dem uavhengig av variasjoner i krets- og spenningssituasjoner.

Eksternt kan det hende at du finner zener-dioder som ligner på standarddioder som 1N4148. Zener-dioder fungerer også ved å rette opp AC til pulserende DC, akkurat som deres tradisjonelle alternativer. Imidlertid, i motsetning til standard likeretterdioder, er zener-dioder konfigurert med katoden deres direkte koblet til den positive forsyningen, og anoden med den negative forsyningen.

Kjennetegn

I sin standardkonfigurasjon viser Zener-dioder en høy motstand under en bestemt, kritisk spenning (kjent som Zerier-spenningen). Når denne spesifikke kritiske spenningen er overgått, faller den aktive motstanden til Zener-dioden til et ekstremt lavt nivå.

Og ved denne lave motstandsverdien holdes en effektiv konstant spenning over Zeners, og denne konstante spenningen kan forventes å beholde uavhengig av endring i kildestrømmen.

Med enkle ord, når tilførselen over zenerdioden overstiger den nominelle zenerverdien, leder og danner zenerdioden overflødig spenning. På grunn av dette faller spenningen under zenerspenningen som slår AV zeneren, og forsyningen prøver igjen å overskride zenerspenningen, og slå på zeneren igjen. Denne syklusen gjentas raskt, noe som til slutt resulterer i å stabilisere utgangen til nøyaktig en konstant zener-spenningsverdi.

Denne karakteristikken er grafisk fremhevet i figuren nedenfor som indikerer at over 'Zener-spenningen' fortsetter reversspenningen å være nesten konstant, selv med variasjoner i reversstrøm. Som et resultat blir Zener-dioder ofte brukt for å få et konstant spenningsfall, eller referansespenning, med deres interne motstand.

Zener-dioder er designet i mange wattverdier og med spenningsverdier som spenner fra 2,7 Volt til 200 Volt. (Imidlertid brukes Zener-dioder med verdier langt over 30 volt nesten ikke.)

Grunnleggende Zener Diode Circuit Working

En standard spenningsregulatorkrets, som bruker en enkelt motstand og en Zener-diode, kan sees i det følgende bildet. La oss anta at verdien til Zener-dioden er 4,7 V og forsyningsspenningen V i er 8,0 V.

Den grunnleggende virkningen av en zenerdiode kan forklares med følgende punkter:

I fravær av belastning over utgangen fra zener-dioden, kan en 4,7 volt sees fallende over Zener-dioden mens en kutt på 2,4 volt er utviklet over motstanden R.

Nå, hvis inngangsspenningen endres, la oss forestille oss at fra 8,0 til 9,0 V vil føre til at spenningsfallet over Zener fortsatt opprettholder den nominelle 4,7 V.

Imidlertid kunne spenningsfallet over motstanden R sees fra 2,4 V til 3,4 V.

Spenningsfallet over et ideelt Zener kan forventes å være ganske konstant. I praksis kan du oppleve at spenningen over zeneren øker noe på grunn av den dynamiske motstanden til Zener.

Fremgangsmåten som endringen i Zener-spenning beregnes gjennom er ved å multiplisere den dynamiske motstanden til zener med endringen i Zener-strømmen.

Motstanden R1, i den ovennevnte grunnleggende regulatorutformingen, symboliserer den foretrukne belastningen som kan være forbundet med zeneren. R1 i denne forbindelse vil trekke en viss mengde strøm som beveget seg gjennom Zener.

Siden strømmen i Rs vil være høyere enn strømmen som kommer inn i belastningen, vil en mengde strøm fortsette å gå gjennom Zener, noe som muliggjør en perfekt konstant spenning over Zener og belastningen.

Den angitte seriemotstanden Rs bør bestemmes på en slik måte at den laveste strømmen som kommer inn i Zener alltid er høyere enn minimumsnivået spesifisert for en stabil regulering fra zener. Dette nivået starter like under 'kneet' på reversspenningen / reversstrømkurven, slik det er lært fra det forrige grafiske diagrammet ovenfor.

Du må i tillegg sørge for at valget av Rs sørger for at strømmen som går gjennom Zener-dioden aldri overskrider dens effekt: noe som kan tilsvare Zener-spenningen x Zener-strømmen. Det er den høyeste mengden strøm som kan passere gjennom Zener-dioden i fravær av belastningen R1.

Hvordan beregne Zener-dioder

Å designe en grunnleggende zener-krets er faktisk enkel og kan implementeres gjennom følgende instruksjoner:

1. Bestem maksimum og minimum belastningsstrøm (Li), for eksempel 10 mA og 0 mA.
2. Bestem den maksimale forsyningsspenningen som kan utvikle seg, for eksempel et 12 V-nivå, og sørg også for at minimumsforsyningsspenningen alltid er = 1,5 V + Vz (zenerspenningsverdien).
3. Som angitt i den grunnleggende regulatorens design, kreves den nødvendige utgangsspenningen som tilsvarer Zener-spenningen Vz = 4,7 Volt, og den valgte laveste Zener-strøm er 100 mikroampere . Dette innebærer at den maksimale tiltenkte Zener-strømmen her er 100 mikroampere pluss 10 milliampere, som er 10,1 milliampere.
4. Seriemotstanden Rs må tillate den minste strømmengden 10,1 mA, selv når inngangsforsyningen er det laveste spesifiserte nivået, som er 1,5 V høyere enn den valgte zenerverdien Vz, og kan beregnes ved bruk av Ohms lov som: Rs = 1,5 / 10,1 x 10^-3= 148,5 ohm. Den nærmeste standardverdien ser ut til å være 150 ohm, så R kan være 150 ohm.
5. Hvis forsyningsspenningen stiger til 12 V, vil spenningsfallet over Rs være Iz x Rs, hvor Iz = strøm gjennom zeneren. Derfor, når vi bruker Ohms lov, får vi Iz = 12 - 4,7 / 150 = 48,66 mA
6. Ovennevnte er den maksimale strømmen som får lov til å passere gjennom zenerdioden. Med andre ord, den maksimale strømmen som kan strømme under maksimal utgangsbelastning eller maksimalt spesifisert forsyningsspenning. Under disse forholdene vil zenerdioden spre en effekt på Iz x Vz = 48,66 x 4,7 = 228 mW. Den nærmeste standardeffektverdien for å oppfylle dette er 400 mW.

Effekt av temperatur på Zener-dioder

Sammen med spennings- og lastparametere er Zener-dioder også ganske motstandsdyktige mot temperaturvariasjoner rundt dem. Imidlertid kan temperaturen over en viss grad påvirke enheten som angitt i grafen nedenfor:

Den viser temperaturkoeffisientkurven for zenerdioden. Selv om koeffisientkurven ved høyere spenninger reagerer på rundt 0,1% per grad Celsius, beveger den seg gjennom null ved 5 V og blir deretter negativ for de lavere spenningsnivåene. Til slutt når den -0,04% per grad Celsius på rundt 3,5 V.

Bruker Zener-diode som temperatursensor

En god bruk av Zener-diodens følsomhet for temperaturendring er å bruke enheten som en temperatursensorenhet som vist i følgende diagram

Diagrammet viser et bronettverk bygget med et par motstander og et par Zener-dioder som har identiske egenskaper. En av zenerdioder fungerer som en referansespenningsgenerator, mens den andre zenerdioden brukes til å registrere endringene i temperaturnivået.

En standard 10 V Zener kan ha en temperaturkoeffisient på + 0,07% / ° C, som kan tilsvare 7 mV / ° C variasjon i temperatur. Dette vil skape en ubalanse på rundt 7 mV mellom broens to armer for hver grad Celsius-variasjon i temperaturen. En 50 mV full FSD-meter kan brukes i den angitte posisjonen for å vise de tilsvarende temperaturavlesningene.

Tilpasse Zener Diode Value

For noen kretsapplikasjoner kan det være nødvendig å ha en presis zener-verdi som kan være en ikke-standardverdi, eller en verdi som ikke er lett tilgjengelig.

For slike tilfeller kan det opprettes en rekke zener-dioder som deretter kan brukes til å få en ønsket tilpasset zener-diodeverdi, som vist nedenfor:

I dette eksemplet kan mange tilpassede, ikke-standardiserte zener-verdier anskaffes på tvers av de forskjellige terminalene, som beskrevet i følgende liste:

Du kan bruke andre verdier i de angitte posisjonene for å få mange andre tilpassede sett med zenerdiodeutgang

Zener-dioder med vekselstrømforsyning

Zeners-dioder brukes vanligvis med DC-forsyninger, men disse enhetene kan også utformes for å fungere med AC-forsyninger. Noen få AC-applikasjoner av zener-dioder inkluderer lyd, RF-kretser og andre former for AC-styringssystemer.

Som vist i eksemplet nedenfor når en vekselstrømforsyning brukes med en zenerdiode, vil zeneren umiddelbart lede så snart vekselstrømssignalet passerer fra null mot den negative halvdelen av syklusen. Fordi signalet er negativt, vil derfor AC kortsluttes via anoden til katoden til zeneren, noe som får 0 V til å vises som utgangen.

Når vekselstrømforsyningen beveger seg over den positive halvdelen av syklusen, leder ikke zeneren før vekselstrømmen klatrer opp til zenerspenningsnivået. Når AC-signalet krysser zenerspenningen, leder zeneren og stabiliserer utgangen til et 4,7 V nivå, til AC-syklusen faller tilbake til null.

Husk at mens du bruker zener med vekselstrøminngang, må du forsikre deg om at Rs beregnes i henhold til vekselspenningsspenningen.

I eksemplet ovenfor er utgangen ikke symmetrisk, snarere en pulserende 4,7 V DC. For å få en symmetrisk 4,7 V vekselstrøm ved utgangen, kan to bak-til-bak-zenere kobles til som vist i diagrammet nedenfor

Undertrykker Zener Diode Noise

Selv om zener-dioder gir en rask og enkel måte å skape stabiliserte faste spenningsutganger på, har den en ulempe som kan påvirke følsomme lydkretser som effektforsterkere.

Zener-dioder genererer støy mens de opererer på grunn av kryssskredeffekten mens de bytter, fra 10 uV til 1 mV. Dette kan undertrykkes ved å legge til en kondensator parallelt med zenerdioden, som vist nedenfor:

Verdien på kondensatoren kan være mellom 0.01uF og 0.1uF, noe som vil tillate støydemping med en faktor på 10, og vil opprettholde best mulig spenningsstabilisering.

Grafen nedenfor viser effekten av kondensatoren for å redusere zener-diodestøy.

Bruker Zener for ripplespenningsfiltrering

Zener-dioder kan også brukes som effektive ringspenningsfiltre, akkurat som de brukes til vekselstrømsstabilisering.

På grunn av den ekstremt lave dynamiske impedansen, kan zener-dioder fungere som rippelfilter på samme måte som filterkondensatoren gjør.

Svært imponerende ringfiltrering kan oppnås ved å koble en Zener-diode over lasten, med hvilken som helst likestrømskilde. Her må spenningen være den samme som ringnivået.

I de fleste kretsapplikasjoner kan dette fungere like effektivt som en typisk utjevningskondensator med flere tusen mikrofaradekapasitet, noe som resulterer i en betydelig reduksjon i nivået av rippelspenning lagt på DC-utgangen.

Hvordan øke kapasiteten til håndtering av Zener-dioder

En enkel måte å øke kapasitetshåndteringsevnen til zener-dioder er sannsynligvis å bare koble dem parallelt som vist nedenfor:

Men praktisk talt er dette kanskje ikke så enkelt som det ser ut og fungerer kanskje ikke som beregnet. Dette er fordi akkurat som alle andre halvlederanordninger, også zenere aldri kommer med nøyaktig identiske egenskaper, derfor kan en av zenerne lede før den andre og trekke hele strømmen gjennom seg selv, og til slutt bli ødelagt.

En rask måte å motvirke dette problemet kan være å legge til motstander med lave verdier i seriemotstander med hver zenerdiode som vist nedenfor, som vil tillate at hver zenerdiode kan dele strømmen jevnt gjennom kompenserende spenningsfall generert av motstandene R1 og R2:

Selv om effekthåndteringskapasiteten kan økes ved å koble Zener-dioder parallelt, kan en mye forbedret tilnærming være å legge til en shunt BJT i ​​forbindelse med en zenerdiode konfigurert som en referansekilde. Se følgende skjema for eksempel for det samme.

Tilsetning av en shunt-transistor forbedrer ikke bare zener-effekthåndteringskapasiteten med en faktor 10, det forbedrer ytterligere spenningsreguleringsnivået til utgangen, som kan være like høy som den spesifiserte strømforsterkningen til transistoren.

Denne typen shunt transistor zener regulator kan brukes til eksperimentelle formål fordi kretsen har et 100% kortslutningssikkert anlegg. Når det er sagt, er designet ganske ineffektivt fordi transistoren kan spre en betydelig mengde strøm i fravær av belastning.

For enda bedre resultater, a seriekortet transistor type regulator som vist nedenfor ser et bedre alternativ og å foretrekke.

I denne kretsen skaper Zener-dioden en referansespenning for seriepass-transistoren, som egentlig fungerer som en emitter følger . Som et resultat opprettholdes emitterspenningen mellom noen tiendedeler av en volt av transistorbasespenningen slik den ble opprettet av Zener-dioden. Derfor fungerer transistoren som en seriekomponent og muliggjør effektiv kontroll av forsyningsspenningsvariasjonene.

Hele laststrømmen går nå via denne serietransistoren. Effekthåndteringskapasiteten til denne typen konfigurasjoner er etablert totalt av verdien og spesifikasjonen til transistorene, og avhenger også av effektiviteten og kvaliteten på kjøleribben som brukes.

Utmerket regulering kan oppnås fra ovennevnte design ved hjelp av en 1k-motstand. Reguleringen kan økes med en faktor 10 ved å erstatte den normale zeneren med en spesiell lavdynamisk zenerdiode som en 1N1589).

Hvis du vil at kretsen ovenfor skal gi en regulert utgang med variabel spenning, kan den lett oppnås ved å bruke et 1K potensiometer over Zener-dioden. Dette gjør at en variabel referansespenning kan justeres ved basen av serietransistoren.

Denne modifiseringen kan imidlertid resultere i lavere reguleringseffektivitet på grunn av en viss shuntingseffekt skapt av potensiometeret.

Constant Current Zener Diode Circuit

En enkel Zener-regulert konstant strømforsyning kan utformes gjennom en enkelt transistor som en motstand i variabel serie. Figuren nedenfor viser det grunnleggende kretsskjemaet.

Du kan se et par kretsganger her, en via zenerdioden koblet i serie med forspenningsmotstanden, mens den andre banen går gjennom motstandene R1, R2 og serietransistoren.

I tilfelle strømmen avviker fra det opprinnelige området, skaper den en proporsjonal endring i forspenningsnivået på R3, som igjen får serietransistormotstanden til å øke eller redusere proporsjonalt.

Denne justeringen i motstanden til transistoren resulterer i en automatisk korreksjon av utgangsstrømmen til ønsket nivå. Nøyaktigheten til den nåværende kontrollen i dette designet vil være rundt +/- 10% som svar på utgangsforhold som kan variere mellom kortslutning og en belastning på opptil 400 Ohm.

Sekvensiell relébryter med Zener-diode

Hvis du har et program der det kreves at et sett med reléer byttes sekvensielt etter hverandre på strømbryteren i stedet for at alle aktiveres sammen, kan følgende design vise seg å være ganske praktisk.

Her er sekvensielt inkrementerende zener-dioder installert i serie med en gruppe releer sammen med individuelle seriemotstander med lav verdi. Når strømmen slås PÅ, leder zenerdiodene etter hverandre i økende rekkefølge av zenerverdiene. Dette resulterer i at reléet slås PÅ i rekkefølge som ønsket av applikasjonen. Verdiene til motstandene kan være 10 ohm eller 20 ohm, avhengig av motstandsverdien til reléspolen.

Zener-diodekrets for overspenningsbeskyttelse

På grunn av deres spenningsfølsomme karakteristikk er det mulig å kombinere Zener-dioder med den aktuelle følsomme karakteristikken for sikringer for å beskytte viktige kretskomponenter fra høyspenningsoverspenninger, og i tillegg eliminere problemene med sikring fra å blåse ofte, noe som kan skje spesielt når en sikringsvurdering er veldig nær kretsens driftsstrømspesifikasjon.

Ved å koble til en riktig nominell Zener-diode over lasten, kan det brukes en sikring som er passende vurdert for å håndtere den tiltenkte laststrømmen i lengre perioder. Anta i denne situasjonen at inngangsspenningen øker til en grad som overstiger Zener-spenningen - vil tvinge Zener-dioden til å lede. Dette vil føre til en plutselig økning i strømmen som sprer sikringen nesten øyeblikkelig.

Fordelen med denne kretsen er at den forhindrer at sikringen blåser ofte og uforutsigbart på grunn av dens tette sikringsverdi til laststrømmen. I stedet blåser sikringen bare når spenningen og strømmen virkelig stiger utover et spesifisert usikkert nivå.

Underspenningsvernkrets ved bruk av Zener-diode

Et relé og en passende valgt zener-diode er nok til å skape en nøyaktig lavspennings- eller underspenningsbeskyttelseskrets for enhver ønsket applikasjon. Kretsskjemaet er presentert nedenfor:

Operasjonen er faktisk veldig enkel, forsyningen Vin som er anskaffet fra et transformatorbro-nettverk varierer proporsjonalt avhengig av inngangs-AC-variasjonene. Det antyder at hvis anta at 220 V tilsvarer 12 V fra transformatoren, bør 180 V tilsvare 9,81 V og så videre. Derfor, hvis 180 V antas å være terskelen for lav spenning, vil valg av zenerdiode som en 10 V-enhet avbryte reléoperasjonen når inngangen AC faller under 180 V.