Zenerovy diody

Úvod

Diody jsou obecně známé jako zařízení, které umožňuje tok proudu v jednom směru (dopředně předpjatý) a nabízí odpor proti proudu proudu, pokud je použit v obráceném předpětí. Zenerova dioda (pojmenovaná po americkém vědci C. Zenerovi, který nejprve vysvětlil její provozní principy) na druhé straně nejenže umožňuje tok proudu při použití v dopředném předpětí, ale také umožňuje tok proudu při použití v obráceném předpětí dosud je aplikované napětí nad průrazným napětím známým jako Zenerovo průrazné napětí. Jinými slovy, Průrazné napětí je napětí, na kterém Zenerova dioda začíná vést v opačném směru.

Princip činnosti Zenerovy diody:

U normálních diod je průrazné napětí velmi vysoké a dioda se úplně poškodí, pokud je použito napětí nad poruchovou diodou, ale u Zenerových diod není průrazné napětí tak vysoké a nevede k trvalému poškození zenerovy diody, pokud je přivedeno napětí.

Vzhledem k tomu, že reverzní napětí aplikované na Zenerovu diodu se zvyšuje směrem ke specifikovanému Breakdown Voltage (Vz), diodou začne protékat proud a tento proud se označuje jako Zenerův proud a tento proces se nazývá lavina . Proud se zvyšuje na maximum a stabilizuje se. Tento proud zůstává konstantní v širším rozsahu aplikovaného napětí a umožňuje Zenerově diodě odolat vyššímu napětí bez poškození. Tento proud je určen sériovým rezistorem.

Zvažte obrázky níže normální diody v akci.

Chcete-li ukázat operace zenerovy diody, zvažte dva experimenty (A a B) níže.

V experimentu A je zenerova dioda 12V připojena v obráceném předpětí, jak je znázorněno na obrázku, a je vidět, že zenerova dioda účinně blokovala napětí, protože bylo menší / rovné průraznému napětí konkrétní zenerovy diody a lampy tedy zůstal pryč.

V experimentu B je použita 6v Zenerova dioda, která vede (žárovka se rozsvítí) v obráceném předpětí, protože přivedené napětí je větší než jeho průrazné napětí, a tak ukazuje, že průrazná oblast je oblast činnosti zenerovy diody.

Níže je uvedena charakteristická křivka proudového napětí Zenerovy diody.

Z grafu lze odvodit, že zenerova dioda provozovaná v režimu zpětného zkreslení bude mít poměrně konstantní napětí bez ohledu na množství dodávaného proudu.

Aplikace Zenerovy diody:

Zenerovy diody se používají ve třech hlavních aplikacích v elektronických obvodech;

1. Regulace napětí

2. Zastřihovač vln

3. Posuvník napětí

1. Zenerova dioda jako regulátor napětí

Toto je pravděpodobně nejběžnější aplikace zenerových diod.

Tato aplikace zenerových diod do značné míry závisí na schopnosti zenerových diod udržovat konstantní napětí bez ohledu na kolísání napájecího nebo zátěžového proudu. Obecnou funkcí zařízení pro regulaci napětí je poskytovat konstantní výstupní napětí zátěži, která je k němu připojena paralelně, bez ohledu na kolísání energie odebírané zátěží (zátěžový proud) nebo kolísání a nestabilitu napájecího napětí.

Zenerova dioda bude poskytovat konstantní napětí za předpokladu, že proud zůstane v rozsahu maximálního a minimálního zpětného proudu.

Schéma zapojení Zenerovy diody používané jako regulátor napětí je uvedeno níže.

Odpor, R1 je zapojen do série se zenerovou diodou, aby se omezilo množství proudu protékajícího diodou a vstupní napětí Vin (které musí být větší než zenerovo napětí) je připojeno napříč, jak je znázorněno na obrázku, a výstupní napětí Vout, je veden přes zenerovou diodu s Vout = Vz (Zenerovo napětí). Vzhledem k tomu, že charakteristiky zpětného předpětí zenerovy diody jsou to, co je potřeba k regulaci napětí, je připojena v režimu obráceného předpětí, přičemž katoda je připojena k kladné liště obvodu.

Při výběru hodnoty rezistoru R1 je třeba postupovat opatrně, protože rezistor s malou hodnotou bude mít po připojení zátěže za následek velký proud diody, což zvýší požadavek na ztrátový výkon diody, který by mohl být vyšší než maximální jmenovitý výkon zener a mohl by ji poškodit.

Hodnotu použitého rezistoru lze určit pomocí níže uvedeného vzorce.

R ₁ = (V _v - V _Z) / I _Z, ve kterých; R1 je hodnota sériového odporu. Vin je vstupní napětí. Vz, který je stejný jako Vout, je Zenerovo napětí a Iz je zenerův proud.

Použitím tohoto vzorce je snadné zajistit, aby hodnota vybraného rezistoru nevedla k vyššímu toku proudu, než jaký zvládne zener.

Jeden malý problém s regulačními obvody na bázi zenerových diod spočívá v tom, že Zener někdy generuje elektrický šum na napájecí liště při pokusech o regulaci vstupního napětí. I když to pro většinu aplikací nemusí být problém, lze tento problém vyřešit přidáním oddělovacího kondenzátoru s velkou hodnotou přes diodu. To pomáhá stabilizovat výstup zenerovy látky.

2. Zenerova dioda jako Clipper křivky

Jedním z použití normálních diod je použití ořezávacích a upínacích obvodů, což jsou obvody, které se používají k tvarování nebo úpravám vstupního střídavého signálu nebo signálu, který produkuje výstupně různě tvarovaný výstupní signál v závislosti na specifikacích kleště nebo kleště.

Zastřihovače obvodů jsou obecně obvody, které se používají k zabránění překročení předem stanovené hodnoty napětí výstupního signálu obvodu bez změny jakékoli jiné části vstupního signálu nebo tvaru vlny.

Tyto obvody spolu s svorkami jsou široce používány v analogových televizních a FM rádiových vysílačích pro odstranění rušení (upínací obvody) a omezení špiček šumu oříznutím vysokých špiček.

Vzhledem k tomu, že se Zenerovy diody obecně chovají jako normální diody, když se použité napětí nerovná průraznému napětí, používají se také v ořezávacích obvodech.

Ořezávací obvody mohou být navrženy tak, aby ořízly signál buď v pozitivní, negativní nebo v obou oblastech. I když dioda přirozeně odřízne druhou oblast při 0,7 V bez ohledu na to, zda byla navržena jako pozitivní nebo negativní.

Zvažte například obvod níže.

Obvod zastřihovače je navržen tak, aby výstupní signál ořezal na 6,2 V, takže byla použita 6,2 V zenerova dioda. Zenerova dioda brání tomu, aby výstupní signál překročil zenerovo napětí bez ohledu na vstupní tvar vlny. V tomto konkrétním příkladu bylo použito vstupní napětí 20 V a výstupní napětí na kladném výkyvu bylo 6,2 V v souladu s napětím zenerovy diody. Během záporného výkyvu střídavého napětí se však zenerova dioda chová stejně jako normální dioda a klipy výstupní napětí na 0,7 V, v souladu s normálními silikonovými diodami.

K implementaci ořezávacího obvodu pro záporný výkyv střídavého obvodu i kladného výkyvu takovým způsobem, že napětí je oříznuto na různých úrovních kladného a záporného výkyvu, je použit dvojitý zenerův ořezávací obvod. Schéma zapojení dvojitého zenerovského ořezávacího obvodu je uvedeno níže.

Ve výše uvedeném ořezávacím obvodu představuje napětí Vz2 napětí na záporném výkyvu zdroje střídavého proudu, při kterém je žádoucí, aby byl výstupní signál oříznut, zatímco napětí Vz1 představuje napětí na kladném výkyvu zdroje střídavého proudu, při kterém je výstupní napětí je třeba oříznout.

3. Zenerova dioda jako řadič napětí

Posuvník napětí je jednou z nejjednodušších, ale zajímavých aplikací zenerovy diody. Pokud jste měli zkušenosti zejména s připojením snímače 3,3 V k 5V MCU a viděli jste z první ruky chyby ve čtení atd., Které by k nim mohly vést, oceníte důležitost napěťových řadičů. Posuvníky napětí pomáhají převádět signál z jednoho napětí na jiné a díky schopnosti zenerovy diody udržovat stabilní výstupní napětí v oblasti poruchy je činí ideální součástí pro provoz.

V řadiči napětí na základě zenerovy diody obvod snižuje výstupní napětí o hodnotu rovnající se průraznému napětí konkrétní použité zenerovy diody. Schéma zapojení řadiče napětí je znázorněno níže.

Zvažte experiment níže,

Obvod popisuje řadič napětí založený na zenerově diodě 3,3 V. Výstupní napětí (3,72 V) obvodu je dáno odečtením průrazného napětí (3,3 V) zenerovy diody od vstupního napětí (7 V).

Vout = Vin –Vz

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

Posuvník napětí, jak je popsán dříve, má v moderní konstrukci elektronických obvodů několik aplikací, protože konstruktér možná bude muset během procesu návrhu pracovat s až třemi různými napěťovými hladinami.

Typy Zenerových diod:

Zenerovy diody jsou rozděleny do typů na základě několika parametrů, které zahrnují;

1. Jmenovité napětí
2. Ztráta výkonu
3. Proud pohonu vpřed
4. Dopředné napětí
5. Typ balení
6. Maximální zpětný proud

Jmenovité napětí

Jmenovité provozní napětí zenerovy diody je také známé jako průrazné napětí zenerovy diody, což je v závislosti na aplikaci, pro kterou má být dioda použita, často nejdůležitějším kritériem pro výběr zenerovy diody.

Ztráta výkonu

To představuje maximální množství energie, kterou může zenerův proud rozptýlit. Překročení tohoto jmenovitého výkonu vede k nadměrnému zvýšení teploty zenerovy diody, které by ji mohlo poškodit a vést k poruše věcí v obvodu připojených. Tento faktor by tedy měl být zohledněn při výběru diody s ohledem na použití.

Maximální Zenerův proud

Toto je maximální proud, který lze procházet zenerovou diodou při zenerově napětí, aniž by došlo k poškození zařízení.

Minimální Zenerův proud

To se týká minimálního proudu potřebného k tomu, aby zenerova dioda začala fungovat v oblasti poruchy.

Před rozhodnutím o typu zenerovy diody potřebné pro tento zvláštní design je nutné plně zvážit další parametry, které slouží jako specifikace diody.

Závěr:

Zde je 5 bodů, na které byste nikdy neměli zapomenout na zenerovu diodu.

1. Zenerova dioda je jako obyčejná dioda pouze tehdy, když byla dopována, aby měla prudké průrazné napětí.
2. Zenerova dioda udržuje stabilní výstupní napětí bez ohledu na vstupní napětí, pokud není překročen maximální zenerův proud.
3. Při připojení v předpětí se zenerova dioda chová přesně jako normální silikonová dioda. Vede se stejným poklesem napětí 0,7 V, který doprovází použití normální diody.
4. Výchozí provozní stav zenerovy diody je v oblasti poruchy (obráceně předpjatý). To znamená, že ve skutečnosti začne fungovat, když je aplikované napětí vyšší než Zenerovo napětí při reverzním předpětí.
5. Zenerova dioda se většinou používá v aplikacích zahrnujících regulaci napětí, ořezávací obvody a řadiče napětí.