Zener-diodipiirit, ominaisuudet, laskelmat

Zener-diodeja, jotka on nimetty keksijänsä tohtori Carl Zenerin mukaan, käytetään pohjimmiltaan elektronisissa piireissä tarkkojen jänniteviitteiden tuottamiseen. Nämä ovat laitteita, jotka pystyvät luomaan käytännössä vakion jännitteen niiden yli riippumatta piirin ja jännitetilanteen vaihteluista.

Ulkoisesti saatat löytää zener-diodeja, jotka ovat paljon samanlaisia ​​kuin tavalliset diodit, kuten 1N4148. Zener-diodit toimivat myös tasoittamalla vaihtovirta sykkiväksi tasavirraksi samalla tavalla kuin niiden perinteiset vaihtoehdot. Toisin kuin tavalliset tasasuuntausdiodit, zener-diodit konfiguroidaan siten, että niiden katodi on kytketty suoraan syöttöjännitteeseen ja anodi negatiiviseen syöttöön.

Ominaisuudet

Vakiokokoonpanossaan Zener-diodit osoittavat suurta vastustusta tietyn kriittisen jännitteen alapuolella (tunnetaan nimellä Zerier-jännite). Kun tämä erityinen kriittinen jännite ylitetään, Zener-diodin aktiivinen vastus laskee erittäin matalalle tasolle.

Ja tällä matalalla vastusarvolla tehollista vakiojännitettä pidetään Zenersin yli, ja tämän vakiojännitteen voidaan odottaa säilyvän riippumatta lähdevirran muutoksista.

Yksinkertaisesti sanottuna, kun syöttö zener-diodin yli ylittää nimellisen zener-arvon, zener-diodi johtaa ja maadoittaa ylijännitteen. Tämän vuoksi jännite laskee zener-jännitteen alapuolelle, joka kytkee zenerin pois päältä, ja syöttö yrittää jälleen ylittää zener-jännitteen kytkemällä zenerin uudelleen päälle. Tämä sykli toistuu nopeasti, mikä lopulta johtaa tuotoksen vakauttamiseen tarkalleen vakiolle zener-jännitearvolle.

Tämä ominaisuus on graafisesti korostettu alla olevassa kuvassa, mikä osoittaa, että Zener-jännitteen yläpuolella käänteinen jännite on edelleen melkein vakio myös vaihtovirrassa. Tämän seurauksena Zener-diodeja käytetään usein vakion jännitehäviön tai vertailujännitteen saamiseksi sisäisellä vastuksellaan.

Zener-diodit on suunniteltu monilla teholuokilla ja jännitealueilla, jotka vaihtelevat välillä 2,7 - 200 volttia. (Kuitenkin enimmäkseen Zener-diodeja, joiden arvo on paljon yli 30 volttia, ei koskaan käytetä.)

Zener-diodin peruspiiri toimii

Tavallinen jännitteen säätöpiiri, joka käyttää yhtä vastusta ja Zener-diodia, voidaan nähdä seuraavassa kuvassa. Oletetaan tässä, että Zener-diodin arvo on 4,7 V ja syöttöjännite V in 8,0 V.

Zener-diodin perustoiminta voidaan selittää seuraavilla kohdilla:

Jos zener-diodin ulostuloa ei kuormita, voidaan nähdä, että Zener-diodin yli pudotetaan 4,7 volttia, kun vastuksen R yli kehitetään katkaisu 2,4 volttia.

Nyt, jos tulojännitettä muutetaan, kuvitellaan, että 8,0 - 9,0 V, aiheuttaa Zenerin jännitehäviön ylläpitämään edelleen nimellistä 4,7 V.

Vastuksen R jännitehäviön voitiin kuitenkin nähdä nousevan 2,4 V: sta 3,4 V.

Jännitteen pudotuksen ihanteellisen Zenerin yli voidaan odottaa olevan melko vakio. Käytännössä zenerin jännite saattaa kasvaa hieman Zenerin dynaamisen vastuksen takia.

Menettely, jolla Zener-jännitteen muutos lasketaan, kerrotaan zenerin dynaaminen vastus Zener-virran muutoksella.

Vastus R1 symboloi yllä olevassa säätimen perusrakenteessa edullista kuormitusta, joka voidaan liittää zeneriin. R1 vetää tässä yhteydessä tietyn määrän virtaa, joka kulki Zenerin läpi.

Koska virta Rs: ssä on suurempi kuin kuormaan tuleva virta, virran määrä kulkee edelleen Zenerin läpi, mikä mahdollistaa täysin vakaan jännitteen Zenerin ja kuorman yli.

Osoitetut sarjavastukset Rs tulisi määrittää siten, että Zeneriin tuleva pienin virta on aina korkeampi kuin minimitaso, joka on määritelty zenerin vakaa säätö. Tämä taso alkaa juuri käänteisen jännitteen / vastavirta-käyrän 'polven' alapuolelta, kuten edellisestä graafisesta kaaviosta on opittu.

Sinun on lisäksi varmistettava, että R: n valinta varmistaa, että Zener-diodin läpi kulkeva virta ei koskaan ylitä sen nimellistehoa: mikä voi olla sama kuin Zener-jännite x Zener-virta. Se on suurin virran määrä, joka voi kulkea Zener-diodin läpi ilman kuormaa R1.

Kuinka laskea Zener-diodit

Perus zener-piirin suunnittelu on todella yksinkertaista ja se voidaan toteuttaa seuraavien ohjeiden avulla:

1. Määritä suurin ja pienin kuormitusvirta (Li), esimerkiksi 10 mA ja 0 mA.
2. Määritä suurin mahdollinen syöttöjännite, esimerkiksi 12 V: n taso, varmistaen myös, että pienin syöttöjännite on aina = 1,5 V + Vz (zener-jännite).
3. Kuten perussäätimen suunnittelussa on esitetty, vaadittu lähtöjännite, joka on ekvivalentti Zener-jännite Vz = 4,7 volttia, ja valittu pienin Zener-virta on 100 mikroamppua . Tämä tarkoittaa, että suurin aiottu Zener-virta on tässä 100 mikroamppua plus 10 milliampeeria, mikä on 10,1 milliampeeria.
4. Sarjavastuksen Rs on sallittava virran vähimmäismäärä 10,1 mA, vaikka tulonsyöttö on alhaisin määritelty taso, joka on 1,5 V korkeampi kuin valittu zener-arvo Vz, ja se voidaan laskea Ohmin lakia käyttäen seuraavasti: Rs = 1,5 / 10,1 x 10^-3= 148,5 ohmia. Lähin standardiarvo näyttää olevan 150 ohmia, joten Rs voi olla 150 ohmia.
5. Jos syöttöjännite nousee 12 V: iin, jännitepudotus Rs: n yli on Iz x Rs, missä Iz = virta zenerin läpi. Siksi Ohmin lakia sovellettaessa saadaan Iz = 12 - 4,7 / 150 = 48,66 mA
6. Edellä on suurin virta, jonka saa kulkea zener-diodin läpi. Toisin sanoen suurin virta, joka voi virrata maksimilähtökuorman tai määritetyn syöttöjännitetulon aikana. Näissä olosuhteissa zener-diodi hajottaa Iz x Vz = 48,66 x 4,7 = 228 mW: n tehon. Lähin tavallinen nimellistehoarvo tämän saavuttamiseksi on 400 mW.

Lämpötilan vaikutus Zener-diodeihin

Jännitteen ja kuormituksen parametrien ohella Zener-diodit ovat myös melko kestäviä ympäröiville lämpötilan vaihteluille. Lämpötilalla voi kuitenkin olla jonkin verran vaikutusta laitteeseen, kuten alla olevassa kaaviossa esitetään:

Se näyttää zener-diodin lämpötilakertoimen käyrän. Vaikka suuremmilla jännitteillä kerroinkäyrä reagoi noin 0,1%: lla celsiusastetta kohti, se liikkuu nollan läpi 5 V: lla ja muuttuu sitten negatiiviseksi alemmille jännitetasoille. Lopulta se saavuttaa -0,04% / celsiusaste noin 3,5 V: n lämpötilassa.

Zener-diodin käyttäminen lämpötila-anturina

Yksi hyvä käyttö Zener-diodin herkkyydestä lämpötilan muutokseen on soveltaa laitetta lämpötila-anturilaitteena seuraavan kaavion mukaisesti

Kaavio esittää siltaverkon, joka on rakennettu käyttämällä vastusparia ja Zener-diodiparia, joilla on identtiset ominaisuudet. Yksi zener-diodeista toimii kuin vertailujännitegeneraattori, kun taas toista zener-diodia käytetään lämpötilamuutosten havaitsemiseen.

Tavallisen 10 V: n Zenerin lämpötilakerroin voi olla + 0,07% / ° C, mikä voi vastata 7 mV / ° C: n lämpötilan vaihtelua. Tämä aiheuttaa noin 7 mV: n epätasapainon sillan kahden haaran välillä jokaista yksittäistä celsiusasteen lämpötilan vaihtelua varten. 50 mV: n täyttä FSD-mittaria voidaan käyttää ilmoitetussa asennossa vastaavien lämpötilalukemien näyttämiseen.

Zener-diodin arvon mukauttaminen

Joissakin piirisovelluksissa voi olla tarpeen olla tarkka zener-arvo, joka voi olla ei-vakioarvo tai arvo, jota ei ole helposti saatavilla.

Tällaisissa tapauksissa voidaan luoda joukko zener-diodeja, joita voidaan sitten käyttää halutun mukautetun zener-diodiarvon saamiseksi, kuten alla on esitetty:

Tässä esimerkissä eri päätteistä voitaisiin hankkia monia räätälöityjä, ei-standardeja zener-arvoja, kuten seuraavassa luettelossa kuvataan:

Voit käyttää muita arvoja ilmoitetuissa paikoissa saadaksesi monia muita räätälöityjä zener-diodilähtöjä

Zener-diodit verkkovirralla

Zeners-diodeja käytetään yleensä tasavirtalähteiden kanssa, mutta nämä laitteet voidaan suunnitella toimimaan myös vaihtovirtalähteiden kanssa. Muutamia zener-diodien vaihtosovelluksia ovat ääni, RF-piirit ja muut AC-ohjausjärjestelmien muodot.

Kuten alla olevassa esimerkissä on esitetty, kun vaihtovirtalähdettä käytetään zener-diodin kanssa, zener johtaa välittömästi heti, kun vaihtosignaali kulkee nollasta syklin negatiiviseen puoliskoon. Koska signaali on negatiivinen, vaihtovirta oikosuljetaan anodin kautta zenerin katodiin, mikä aiheuttaa 0 V: n ilmestymisen.

Kun vaihtovirta syötetään jakson positiivisen puoliskon yli, zener ei johda ennen kuin vaihtovirta nousee zenerin jännitetasoon. Kun vaihtosignaali ylittää zener-jännitteen, zener johtaa ja vakauttaa lähdön 4,7 V: n tasolle, kunnes vaihtovirtajakso laskee takaisin nollaan.

Muista, että kun käytät zeneriä vaihtovirran tulolla, varmista, että Rs lasketaan vaihtovirtahuippujännitteen mukaan.

Yllä olevassa esimerkissä lähtö ei ole symmetrinen, vaan sykkivä 4,7 V DC. Symmetrisen 4,7 V AC: n saamiseksi ulostuloon voitiin liittää kaksi taaksepäin zeneria alla olevan kaavion mukaisesti

Tukahduttaa Zener-diodimelun

Vaikka zener-diodit tarjoavat nopean ja helpon tavan luoda vakiintuneet kiinteät jännitelähdöt, sillä on yksi haittapuoli, joka voi vaikuttaa herkkiin äänipiireihin, kuten tehovahvistimiin.

Zener-diodit tuottavat melua toiminnan aikana, koska niiden kytkentävyövaikutus vaihtaessa vaihtelee välillä 10 uV - 1 mV. Tämä voidaan estää lisäämällä kondensaattori rinnakkain zener-diodin kanssa, kuten alla on esitetty:

Kondensaattorin arvo voi olla välillä 0,01uF - 0,1uF, mikä sallii melun vaimennuksen kertoimella 10 ja ylläpitää parhaan mahdollisen jännitteen vakauttamisen.

Seuraava kaavio näyttää kondensaattorin vaikutuksen zener-diodikohinan vähentämiseen.

Zenerin käyttö aaltoilujännitteen suodattamiseen

Zener-diodeja voidaan käyttää myös tehokkaina aaltoilevina jännitesuodattimina, aivan kuten niitä käytetään vaihtojännitteen vakauttamiseen.

Erittäin pienen dynaamisen impedanssinsa vuoksi zener-diodit pystyvät toimimaan aaltoilevan suodattimen tavoin samalla tavalla kuin suodatinkondensaattori.

Erittäin vaikuttava aaltoilusuodatus voidaan saada liittämällä Zener-diodi kuorman yli mihin tahansa tasavirtalähteeseen. Tässä jännitteen on oltava sama kuin aallonpinnan taso.

Useimmissa piirisovelluksissa tämä voi toimia yhtä tehokkaasti kuin tyypillinen tasoituskondensaattori, jonka kapasiteetti on useita tuhansia mikrofaradeja, mikä johtaa merkittävään alenemaan tasavirtaulostuloon asetetun aaltoilujännitteen tasoa.

Kuinka lisätä Zener-diodin tehonkäsittelykapasiteettia

Helppo tapa lisätä zener-diodin tehonkäsittelykapasiteettia on todennäköisesti liittää ne vain rinnakkain alla olevan kuvan mukaisesti:

Käytännössä tämä ei kuitenkaan välttämättä ole yhtä yksinkertaista kuin miltä se näyttää, eikä se välttämättä toimi tarkoitetulla tavalla. Tämä johtuu siitä, että kuten kaikilla muilla puolijohdelaitteilla, myös zenereillä ei koskaan ole tarkalleen samanlaisia ​​ominaisuuksia, joten yksi zenereistä voi johtaa ennen kuin toinen vetää koko virran itsensä läpi ja lopulta tuhoutuu.

Nopea tapa torjua tämä ongelma voi olla lisätä pieniarvoja sarjavastuksia kuhunkin zener-diodiin alla esitetyllä tavalla, mikä antaa jokaiselle zener-diodille mahdollisuuden jakaa virta tasaisesti vastusten R1 ja R2 tuottamien kompensointijännitepisaroiden kautta:

Vaikka tehonkäsittelykapasiteettia voidaan lisätä kytkemällä Zener-diodit rinnakkain, paljon parempi tapa on lisätä shuntti BJT yhdessä referenssilähteeksi määritetyn zener-diodin kanssa. Katso sama seuraavasta kaavamaisesta esimerkistä.

Shunt-transistorin lisääminen ei vain lisää zenerin tehonkäsittelykapasiteettia kertoimella 10, vaan se parantaa edelleen lähdön jännitteen säätötasoa, joka voi olla yhtä suuri kuin transistorin määritetty virran vahvistus.

Tämän tyyppistä shuntitransistorin zener-säätölaitetta voidaan käyttää kokeellisiin tarkoituksiin, koska piirissä on 100% oikosulkusuojattu laite. Suunnittelu on kuitenkin melko tehoton, koska transistori voi haihtaa merkittävän määrän virtaa ilman kuormaa.

Saat vielä parempia tuloksia a sarjan pass transistori säätimen tyyppi alla esitetyllä tavalla näyttää paremmalta vaihtoehdolta.

Tässä piirissä Zener-diodi luo vertailujännitteen sarjapäästitransistorille, joka pohjimmiltaan toimii kuin lähettäjän seuraaja . Tämän seurauksena emitterijännite pidetään muutaman kymmenesosan välillä Zener-diodin luomasta transistorin perusjännitteestä. Tämän seurauksena transistori toimii kuin sarjakomponentti ja mahdollistaa syöttöjännitteen vaihtelujen tehokkaan ohjaamisen.

Koko kuormitusvirta kulkee nyt tämän sarjan transistorin kautta. Tämän tyyppisen kokoonpanon tehonkäsittelykapasiteetti määräytyy kokonaan transistorien arvon ja spesifikaation mukaan, ja se riippuu myös käytetyn jäähdytyselementin tehokkuudesta ja laadusta.

Erinomainen säätö voidaan saavuttaa yllä olevasta rakenteesta käyttämällä 1k-sarjan vastusta. Sääntelyä voitaisiin lisätä kertoimella 10 korvaamalla normaali zener erityisellä matalan dynaamisen zener-diodilla, kuten 1N1589).

Jos haluat yllä olevan piirin tarjoavan vaihtelevalla jännitteellä säädetyn lähdön, se voidaan helposti saavuttaa käyttämällä 1K-potentiometriä Zener-diodin poikki. Tämä mahdollistaa muuttuvan vertailujännitteen säätämisen sarjatransistorin pohjassa.

Tämä muunnos voi kuitenkin johtaa alempaan säätötehokkuuteen johtuen potentiometrin aiheuttamasta shunttiefektistä.

Vakiovirta Zener-diodipiiri

Yksinkertainen Zener-ohjattu vakiovirtalähde voidaan suunnitella yhden transistorin kautta muuttuvan sarjan vastuksena. Alla olevassa kuvassa on esitetty peruspiirikaavio.

Täällä voit nähdä piirikanavien parit, yhden zener-diodin kautta, joka on kytketty sarjaan esijännitysvastuksen kanssa, kun taas toinen polku kulkee vastusten R1, R2 ja sarjatransistorin läpi.

Jos virta poikkeaa alkuperäiseltä alueeltaan, se luo suhteellisen muutoksen R3: n esijännitetasossa, mikä puolestaan ​​aiheuttaa sarjatransistorin vastuksen kasvavan tai laskevan suhteellisesti.

Tämä transistorin vastuksen säätö johtaa lähtövirran automaattiseen korjaukseen halutulle tasolle. Nykyisen ohjauksen tarkkuus tässä suunnittelussa on noin +/- 10% vasteena lähtöolosuhteisiin, jotka voivat vaihdella oikosulun ja enintään 400 ohmin kuormituksen välillä.

Peräkkäinen releen kytkentäpiiri Zener-diodilla

Jos sinulla on sovellus, jossa joukko releitä on kytkettävä peräkkäin peräkkäin virtakytkimessä sen sijaan, että kaikki aktivoituvat yhdessä, seuraava rakenne voi osoittautua varsin käteväksi.

Tässä peräkkäin kasvavat zener-diodit asennetaan sarjaan releiden ryhmän kanssa yksittäisten pieniarvoisten sarjavastusten kanssa. Kun virta kytketään päälle, zener-diodit johtavat peräkkäin peräkkäin zener-arvojensa kasvavassa järjestyksessä. Tämän seurauksena rele kytkeytyy päälle peräkkäin sovelluksen toivomalla tavalla. Vastusten arvot voivat olla 10 ohmia tai 20 ohmia riippuen releen kelan vastusarvosta.

Zener-diodipiiri ylijännitesuojalle

Jänniteherkkyysominaisuutensa vuoksi on mahdollista yhdistää Zener-diodit sulakkeiden nykyiseen herkkyysominaisuuteen tärkeiden piirikomponenttien suojaamiseksi korkean jännitteen ylijännitteiltä ja lisäksi sulakkeen vaivaa poistamasta usein, mikä voi tapahtua varsinkin kun sulake on luokiteltu on hyvin lähellä piirin käyttövirtaominaisuuksia.

Liittämällä oikein mitoitettu Zener-diodi kuorman yli voidaan käyttää sulaketta, joka on sopivasti mitoitettu käsittelemään aiottua kuormavirtaa pitkiä aikoja. Oletetaan tässä tilanteessa, että tulojännite kasvaa siinä määrin, että se ylittää Zenerin rikkoutumisjännitteen - pakottaa Zener-diodin johtamaan. Tämä aiheuttaa sulakkeen palavan virran äkillisen kasvun melkein välittömästi.

Tämän piirin etuna on, että se estää sulaketta palamasta usein ja arvaamattomasti johtuen sen sulamisarvosta lähellä kuormavirtaa. Sen sijaan sulake palaa vain, kun jännite ja virta todella nousevat tietyn vaarallisen tason yli.

Alijännitesuojapiiri Zener-diodilla

Rele ja asianmukaisesti valittu zener-diodi ovat riittäviä tarkan matalajännitteisen tai alijännitteisen katkaisun suojapiirin luomiseksi mille tahansa halutulle sovellukselle. Kytkentäkaavio on esitetty alla:

Operaatio on itse asiassa hyvin yksinkertainen, muuntajan siltaverkosta hankittu syöttö Vin vaihtelee suhteellisesti sisääntulon vaihteluista riippuen. Tämä tarkoittaa, että jos oletetaan, että 220 V vastaa 12 V muuntajasta, 180 V: n tulisi vastata 9,81 V: ta ja niin edelleen. Siksi, jos 180 V: n oletetaan olevan matalajännitteen katkaisukynnys, zener-diodin valitseminen 10 V: n laitteeksi katkaisee releen toiminnan aina, kun tulovirta laskee alle 180 V: n.