Zenerove diódové obvody, charakteristiky, výpočty

Zenerove diódy - pomenované podľa svojho vynálezcu Dr. Carla Zenera sa zásadne používajú v elektronických obvodoch na generovanie presných referencií napätia. Jedná sa o zariadenia, ktoré sú schopné cez ne vytvárať prakticky konštantné napätie bez ohľadu na variácie obvodových a napäťových situácií.

Externe môžete nájsť zenerove diódy veľmi podobné štandardným diódam, ako napríklad 1N4148. Zenerove diódy tiež fungujú tak, že usmerňujú striedavý prúd na pulzujúci jednosmerný prúd podobne ako ich tradičné alternatívy. Avšak na rozdiel od štandardných usmerňovacích diód sú zenerove diódy konfigurované tak, že ich katóda je priamo spojená s kladným napájaním a anóda so záporným napájaním.

Charakteristiky

V štandardnej konfigurácii majú Zenerove diódy vysoký odpor pod určitým kritickým napätím (známe ako Zerierovo napätie). Keď dôjde k prekročeniu tohto špecifického kritického napätia, aktívny odpor Zenerovej diódy klesne na extrémne nízku úroveň.

A pri tejto nízkej hodnote odporu sa cez Zeners udržuje efektívne konštantné napätie a dá sa očakávať, že toto konštantné napätie zostane bez ohľadu na akúkoľvek zmenu zdrojového prúdu.

Jednoducho povedané, kedykoľvek napájanie zenerovou diódou prekročí menovitú zenerovu hodnotu, zenerova dióda vedie a uzemňuje nadmerné napätie. Z tohto dôvodu poklesne napätie pod zenerovo napätie, ktoré zenera vypne, a napájanie sa opäť pokúsi prekročiť zenerove napätie, pričom zener znova zapne. Tento cyklus sa rýchlo opakuje, čo nakoniec vedie k stabilizácii výstupu presne na konštantnú hodnotu Zenerovho napätia.

Táto vlastnosť je graficky zvýraznená na nasledujúcom obrázku, čo naznačuje, že nad „Zenerovým napätím“ je reverzné napätie naďalej takmer konštantné aj pri zmenách reverzného prúdu. Výsledkom je, že sa Zenerove diódy často používajú na dosiahnutie konštantného poklesu napätia alebo referenčného napätia s vnútorným odporom.

Zenerove diódy sú navrhnuté v mnohých príkonoch a s napätím v rozmedzí od 2,7 V do 200 V. (Zenerove diódy s hodnotami vysoko nad 30 V sa však väčšinou takmer nikdy nepoužívajú.)

Základný obvod Zenerovej diódy pracuje

Na nasledujúcom obrázku je možné vidieť obvod štandardného regulátora napätia využívajúci jediný odpor a Zenerovu diódu. Tu predpokladajme, že hodnota Zenerovej diódy je 4,7 V a napájacie napätie V in je 8,0 V.

Základné fungovanie zenerovej diódy možno vysvetliť nasledujúcimi bodmi:

Pri neprítomnosti záťaže na výstupe zenerovej diódy je vidieť, že na zenerovu diódu pokleslo 4,7 voltu, zatiaľ čo cez rezistor R je vyvinutá medzná hodnota 2,4 voltu.

Teraz, v prípade, že dôjde k zmene vstupného napätia, predstavme si, že od 8,0 do 9,0 V spôsobí pokles napätia v Zenerovej komore stále udržiavanie menovitých 4,7 V.

Bolo však vidieť pokles napätia na rezistore R z 2,4 V na 3,4 V.

Dá sa očakávať, že pokles napätia na ideálnom Zenerovi bude dosť konštantný. V praxi možno zistíte, že napätie na zenerovej elektrine mierne stúpa kvôli dynamickému odporu Zenerovej sondy.

Postup, pomocou ktorého sa počíta zmena Zenerovho napätia, sa vynásobí zenerovým dynamickým odporom so zmenou Zenerovho prúdu.

Rezistor R1 vo vyššie uvedenej základnej konštrukcii regulátora symbolizuje prednostné zaťaženie, ktoré môže byť spojené so zenerom. R1 v tejto súvislosti bude odoberať určité množstvo prúdu, ktorý sa pohyboval cez Zener.

Pretože prúd v Rs bude vyšší ako prúd vstupujúci do záťaže, bude množstvo prúdu naďalej prechádzať Zenerom, čo umožní dokonale konštantné napätie cez Zener a záťaž.

Indikovaný sériový rezistor Rs by sa mal určiť tak, aby najnižší prúd vstupujúci do Zenerovej sústavy bol vždy vyšší ako minimálna úroveň stanovená pre stabilnú reguláciu zo Zenerovej sústavy. Táto úroveň začína tesne pod „kolenom“ krivky spätného napätia / spätného prúdu, ako vyplýva z predchádzajúceho grafického diagramu vyššie.

Ďalej sa musíte ubezpečiť, že výber Rs zaručuje, že prúd prechádzajúci Zenerovou diódou nikdy neprekročí jej výkon: čo môže byť ekvivalentné Zenerovmu napätiu x Zenerovmu prúdu. Je to najvyššie množstvo prúdu, ktoré môže prechádzať Zenerovou diódou pri neprítomnosti záťaže R1.

Ako vypočítať Zenerove diódy

Návrh základného zenerovho obvodu je v skutočnosti jednoduchý a je možné ho implementovať pomocou nasledujúcich pokynov:

1. Určite maximálny a minimálny prúd záťaže (Li), napríklad 10 mA a 0 mA.
2. Určte maximálne napájacie napätie, ktoré sa môže vyvinúť, napríklad úroveň 12 V, a tiež zabezpečte, aby minimálne napájacie napätie bolo vždy = 1,5 V + Vz (zenerovo napätie).
3. Ako je uvedené v návrhu základného regulátora, požadované výstupné napätie, ktoré je ekvivalentným Zenerovým napätím Vz = 4,7 voltov, a zvolené najnižší Zenerov prúd je 100 mikroampérov . To znamená, že maximálny zamýšľaný Zenerov prúd je tu 100 mikroampov plus 10 miliampérov, čo je 10,1 miliampérov.
4. Sériový rezistor Rs musí umožňovať minimálne množstvo prúdu 10,1 mA, aj keď je vstupné napájanie na najnižšej špecifikovanej úrovni, ktorá je o 1,5 V vyššia ako zvolená Zenerova hodnota Vz, a možno ho vypočítať pomocou Ohmsovho zákona ako: Rs = 1,5 / 10,1 x 10^-3= 148,5 ohmov. Najbližšia štandardná hodnota sa zdá byť 150 Ohm, takže Rs môže byť 150 ohmov.
5. Ak napájacie napätie stúpne na 12 V, pokles napätia na Rs bude Iz x Rs, kde Iz = prúd zenerom. Preto pri použití Ohmovho zákona dostaneme Iz = 12 - 4,7 / 150 = 48,66 mA
6. Vyššie uvedené je maximálny prúd, ktorý bude môcť prechádzať zenerovou diódou. Inými slovami, maximálny prúd, ktorý môže tiecť počas maximálneho výstupného zaťaženia alebo maximálneho špecifikovaného vstupu napájacieho napätia. Za týchto podmienok bude zenerova dióda rozptýliť výkon Iz x Vz = 48,66 x 4,7 = 228 mW. Najbližšia štandardná hodnota menovitého výkonu, ktorá to umožňuje, je 400 mW.

Vplyv teploty na Zenerove diódy

Spolu s parametrami napätia a zaťaženia sú Zenerove diódy tiež celkom odolné voči teplotným výkyvom v ich okolí. Teplota však môže nad určitou mierou ovplyvniť zariadenie, ako je uvedené v nasledujúcom grafe:

Ukazuje krivku teplotného koeficientu zenerovej diódy. Aj keď pri vyšších napätiach krivka koeficientu reaguje okolo 0,1% na stupeň Celzia, pohybuje sa cez nulu pri 5 V a potom sa pre nižšie úrovne napätia mení na záporné. Nakoniec dosiahne -0,04% na stupeň Celzia pri teplote okolo 3,5 V.

Použitie Zenerovej diódy ako snímača teploty

Jedným z dobrých spôsobov využitia citlivosti Zenerovej diódy na zmenu teploty je použitie zariadenia ako zariadenia na snímanie teploty, ako je znázornené na nasledujúcom diagrame.

Diagram zobrazuje mostnú sieť zostavenú z dvojice rezistorov a dvojice Zenerových diód, ktoré majú rovnaké vlastnosti. Jedna zo zenerových diód funguje ako generátor referenčného napätia, zatiaľ čo druhá zenerova dióda sa používa na snímanie zmien teplotných úrovní.

Štandardný Zenerov zdroj s napätím 10 V môže mať teplotný koeficient + 0,07% / ° C, čo môže zodpovedať teplotným rozdielom 7 mV / ° C. Tým sa vytvorí nerovnováha okolo 7 mV medzi dvoma ramenami mosta pre každý teplotný rozdiel. Na indikáciu zodpovedajúcich hodnôt teploty je možné v indikovanej polohe použiť 50 mV FSD meter.

Prispôsobenie hodnoty Zenerovej diódy

Pre niektoré obvodové aplikácie môže byť potrebné mať presnú zenerovu hodnotu, čo môže byť neštandardná hodnota alebo hodnota, ktorá nie je ľahko dostupná.

V takýchto prípadoch je možné vytvoriť rad zenerových diód, ktoré sa potom môžu použiť na získanie požadovanej prispôsobenej hodnoty zenerovej diódy, ako je uvedené nižšie:

V tomto príklade je možné získať mnoho prispôsobených neštandardných zenerových hodnôt na rôznych termináloch, ako je popísané v nasledujúcom zozname:

Môžete použiť ďalšie hodnoty v uvedených pozíciách, aby ste získali mnoho ďalších prispôsobených množín výstupu zenerovej diódy

Zenerove diódy so striedavým napájaním

Diódy Zeners sa bežne používajú s jednosmerným prúdom, tieto zariadenia však možno navrhnúť aj na prácu so striedavým prúdom. Niekoľko aplikácií zenerových diód na striedavý prúd zahŕňa audio, vysokofrekvenčné obvody a ďalšie formy riadiacich systémov na striedavý prúd.

Ako je znázornené v nasledujúcom príklade, keď sa s zenerovou diódou použije napájanie striedavým prúdom, zener bude okamžite viesť, akonáhle bude signál striedavého prúdu prechádzať z nuly do zápornej polovice jeho cyklu. Pretože je signál negatívny, bude AC skratované cez anódu ku katóde Zenerovej sondy, čo spôsobí, že 0 V sa objaví na výstupe.

Keď sa napájanie striedavým prúdom pohybuje cez kladnú polovicu cyklu, zenerov prúd nie je vedený, kým striedavý prúd nevystúpi na úroveň zenerovho napätia. Keď striedavý signál pretína zenerove napätie, zener vedie a stabilizuje výstup na úroveň 4,7 V, kým striedavý cyklus neklesne späť na nulu.

Pamätajte, že keď používate Zener so vstupom striedavého prúdu, uistite sa, že Rs sa počíta podľa špičkového striedavého napätia.

Vo vyššie uvedenom príklade nie je výstup symetrický, skôr pulzujúci 4,7 V ss. Aby sme na výstupe dostali symetrický 4,7 V AC, mohli by byť pripojené dva zen-back zenery, ako je znázornené na nasledujúcom diagrame.

Potlačenie hluku zenerovej diódy

Aj keď zenerove diódy poskytujú rýchly a ľahký spôsob vytvárania stabilizovaných výstupov pevného napätia, má jednu nevýhodu, ktorá môže mať vplyv na citlivé zvukové obvody, napríklad výkonové zosilňovače.

Zenerove diódy generujú počas prevádzky šum vďaka lavínovému efektu spojenia pri prepínaní v rozmedzí od 10 uV do 1 mV. To je možné potlačiť pridaním kondenzátora paralelne so zenerovou diódou, ako je uvedené nižšie:

Hodnota kondenzátora môže byť medzi 0,01 uF a 0,1 uF, čo umožní potlačenie šumu o faktor 10, a zachová najlepšiu možnú stabilizáciu napätia.

Nasledujúci graf ukazuje vplyv kondenzátora na zníženie šumu zenerovej diódy.

Použitie Zenera na filtrovanie zvlnenia

Zenerove diódy sa dajú použiť aj ako efektívne filtre zvlnenia napätia, rovnako ako sa používajú na stabilizáciu striedavého napätia.

Vďaka svojej extrémne nízkej dynamickej impedancii sú zenerove diódy schopné pracovať ako zvlnenie filtra úplne rovnako ako filtračný kondenzátor.

Veľmi pôsobivé filtrovanie zvlnenia je možné získať pripojením Zenerovej diódy cez záťaž s akýmkoľvek zdrojom jednosmerného prúdu. Tu musí byť napätie rovnaké ako úroveň zvlnenia žľabu.

Vo väčšine obvodových aplikácií to môže fungovať rovnako efektívne ako typický vyhladzovací kondenzátor s kapacitou niekoľko tisíc mikrofarád, čo vedie k výraznému zníženiu úrovne zvlnenia napätia superponovaného na jednosmerný výstup.

Ako zvýšiť kapacitu spracovania energie zenerovej diódy

Jednoduchým spôsobom, ako zvýšiť kapacitu napájania zenerovej diódy, je pravdepodobne iba paralelné pripojenie, ako je uvedené nižšie:

Prakticky to však nemusí byť také jednoduché, ako to vyzerá, a nemusí to fungovať podľa plánu. Je to z toho dôvodu, že rovnako ako každé iné polovodičové zariadenie, ani zenery nikdy neprichádzajú s úplne rovnakými vlastnosťami, preto jeden z zenerov môže viesť skôr, ako ten druhý pretiahne cez seba celý prúd a nakoniec sa zničí.

Rýchly spôsob, ako čeliť tomuto problému, môže byť pridanie sériových rezistorov nízkych hodnôt ku každej zenerovej dióde, ako je uvedené nižšie, čo umožní každej zenerovej dióde rovnomerne zdieľať prúd prostredníctvom kompenzácie úbytkov napätia generovaných rezistormi R1 a R2:

Aj keď kapacitu na zvýšenie výkonu možno zvýšiť paralelným pripojením Zenerových diód, omnoho vylepšeným prístupom môže byť pridanie odbočnej BJT v spojení so zenerovou diódou nakonfigurovanou ako referenčný zdroj. Rovnaký príklad nájdete v nasledujúcej schéme.

Pridanie bočného tranzistora nielenže zvyšuje kapacitu spracovania zenerovej energie o faktor 10, ale aj ďalej zlepšuje úroveň regulácie napätia na výstupe, ktorá môže byť taká vysoká ako špecifikovaný prúdový zisk tranzistora.

Tento typ zenerovho regulátora bočníka tranzistora sa môže použiť na experimentálne účely, pretože obvod je vybavený 100% ochranou proti skratu. To znamená, že konštrukcia je dosť neefektívna, pretože tranzistor môže pri absencii záťaže rozptýliť značné množstvo prúdu.

Pre ešte lepšie výsledky a sériový tranzistor typ regulátora, ako je znázornené nižšie, vyzerá ako lepšia voľba a výhodnejšie.

V tomto obvode vytvára Zenerova dióda referenčné napätie pre sériový tranzistor, ktorý v podstate funguje ako sledovač emitorov . Vo výsledku sa napätie emitora udržuje medzi niekoľkými desatinami voltu základného napätia tranzistora, ktoré vytvára Zenerova dióda. Tranzistor teda pracuje ako sériový komponent a umožňuje efektívnu kontrolu zmien napájacieho napätia.

Celý záťažový prúd teraz beží cez tento sériový tranzistor. Výkonová kapacita tohto typu konfigurácie je úplne určená hodnotou a špecifikáciou tranzistorov a tiež závisí od účinnosti a kvality použitého chladiča.

Z vyššie uvedeného návrhu je možné dosiahnuť vynikajúcu reguláciu pomocou rezistora série 1k. Reguláciu je možné zvýšiť faktorom 10 nahradením normálneho zenera špeciálnou nízko dynamickou zenerovou diódou, ako je 1N1589).

Ak chcete, aby vyššie uvedený obvod poskytoval regulovaný výstup s premenlivým napätím, dalo by sa to ľahko dosiahnuť použitím 1K potenciometra cez Zenerovu diódu. To umožňuje nastavenie variabilného referenčného napätia na základni sériového tranzistora.

Táto úprava však môže mať za následok nižšiu účinnosť regulácie v dôsledku určitého posunovacieho efektu vyvolaného potenciometrom.

Obvod Zenerovej diódy s konštantným prúdom

Jednoduché Zenerovo regulované napájanie konštantným prúdom je možné navrhnúť cez jeden tranzistor ako rezistor s premennou sériou. Na obrázku nižšie je znázornená základná schéma zapojenia.

Môžete tu vidieť dvojicu obvodových prechodov, jeden cez zenerovú diódu zapojenú do série s predpínacím rezistorom, zatiaľ čo druhá cesta vedie cez rezistory R1, R2 a sériový tranzistor.

V prípade, že sa prúd odchyľuje od pôvodného rozsahu, vytvára proporcionálnu zmenu úrovne predpätia R3, čo následne spôsobí úmerné zvýšenie alebo zníženie odporu sériového tranzistora.

Výsledkom tejto úpravy odporu tranzistora je automatická korekcia výstupného prúdu na požadovanú úroveň. Presnosť riadenia prúdu v tomto prevedení bude okolo +/- 10% v reakcii na výstupné podmienky, ktoré sa môžu pohybovať medzi skratom a zaťažením až 400 Ohm.

Spínací obvod postupného relé pomocou Zenerovej diódy

Ak máte aplikáciu, kde sa vyžaduje, aby bola súprava relé prepínaná postupne jedna za druhou na vypínači namiesto toho, aby boli aktivované spoločne, potom môže byť nasledujúci dizajn celkom praktický.

Tu sa postupné zvyšovanie zenerových diód inštaluje do série so skupinou relé spolu s jednotlivými rezistormi nízkej hodnoty. Keď je ZAPNUTÉ napájanie, zenerove diódy vedú postupne za sebou v stúpajúcom poradí ich zenerových hodnôt. To má za následok postupné zapínanie relé podľa želania aplikácie. Hodnoty odporov môžu byť 10 ohmov alebo 20 ohmov v závislosti od hodnoty odporu cievky relé.

Zenerov diódový obvod na ochranu proti prepätiu

Vzhľadom na ich charakteristiku citlivú na napätie je možné kombinovať Zenerove diódy s charakteristikami poistiek citlivých na prúd na ochranu rozhodujúcich súčastí obvodu pred vysokonapäťovými rázmi a na ďalšie vylúčenie problémov s častým prepaľovaním poistky, čo sa môže stať najmä pri menovitej hodnote poistky. je veľmi blízko špecifikácii prevádzkového prúdu obvodu.

Pripojením správne dimenzovanej Zenerovej diódy k záťaži je možné použiť poistku, ktorá je vhodne dimenzovaná na dlhodobý zvládnutie zamýšľaného zaťažovacieho prúdu. V tejto situácii predpokladajme, že sa vstupné napätie zvýši do tej miery, že prekročí Zenerovo prierazné napätie - prinúti Zenerovu diódu dirigovať. To spôsobí náhle zvýšenie prúdu, ktorý prepáli poistku takmer okamžite.

Výhodou tohto obvodu je, že zabraňuje častému a nepredvídateľnému prepáleniu poistky v dôsledku jej blízkej hodnoty tavenia s prúdom záťaže. Namiesto toho poistka prepáli iba vtedy, keď napätie a prúd skutočne stúpnu nad stanovenú nebezpečnú úroveň.

Ochranný obvod podpätia pomocou Zenerovej diódy

Relé a vhodne zvolená zenerova dióda stačia na vytvorenie presného ochranného obvodu proti nízkemu napätiu alebo podpätiu pre akékoľvek požadované použitie. Schéma zapojenia je uvedená nižšie:

Operácia je v skutočnosti veľmi jednoduchá, napájanie Vin, ktoré sa získava zo siete transformátorového mostíka, sa proporcionálne líši v závislosti od vstupných striedavých zmien. To znamená, že ak predpokladajme, že 220 V zodpovedá 12 V od transformátora, potom 180 V by malo zodpovedať 9,81 V atď. Preto, ak sa predpokladá, že 180 V je prahová hodnota pre odpojenie pri nízkom napätí, potom výber zenerovej diódy ako 10 V zariadenia preruší činnosť relé, kedykoľvek vstup AC klesne pod 180 V.