Zener-dioder

Introduksjon

Dioder er generelt kjent som en enhet som tillater strømmen i en retning (forspent) og gir motstand mot strømmen når den brukes i omvendt forspenning. Zener Diode (Oppkalt etter den amerikanske forskeren C. Zener som først forklarte sine operasjonelle prinsipper) tillater derimot ikke bare strømmen når den brukes i forspenning, men de tillater også strømmen når den brukes i omvendt forspenning så langt er den påførte spenningen over sammenbruddsspenningen kjent som Zener Breakdown Voltage. Eller med andre ord Nedbrytningsspenning er spenningen som Zener Diode begynner å lede i omvendt retning.

Operasjonsprinsipp for Zener Diode:

I normale dioder er sammenbruddsspenningen veldig høy og dioden blir ødelagt totalt hvis en spenning over sammenbruddsdioden påføres, men i Zener-dioder er nedbrytningsspenningen ikke så høy og fører ikke til permanent skade på zenerdioden hvis spenningen påføres.

Når omvendt spenning som påføres Zener-dioden øker mot den spesifiserte sammenbruddsspenningen (Vz), begynner en strøm å strømme gjennom dioden, og denne strømmen er kjent som Zener-strømmen, og denne prosessen er kjent som lavinefordeling . Strømmen øker til et maksimum og blir stabilisert. Denne strømmen forblir konstant over det bredere spekteret av anvendt spenning og gjør at Zener-dioden tåler høyere spenning uten å bli skadet. Denne strømmen bestemmes av seriemotstanden.

Tenk på bildene nedenfor av en normal diode i aksjon.

For å vise operasjonen til zenerdioden, vurder de to eksperimentene (A og B) nedenfor.

I eksperiment A er en 12V zenerdiode koblet i omvendt forspent som vist på bildet, og det kan sees at zenerdioden blokkerte spenningen effektivt fordi den var mindre / lik nedbrytningsspenningen til den spesielle zenerdioden og lampen dermed holdt seg utenfor.

I eksperiment B leder en 6v Zener-diode som brukes (lyspæren tennes) i omvendt forspenning fordi den påførte spenningen er større enn nedbrytningsspenningen, og viser således at nedbrytningsområdet er det operasjonsområdet til zenerdioden.

Den strøm-spenningskarakteristikken zenerdioden er vist nedenfor.

Fra grafen kan det trekkes ut at zenerdioden som drives i omvendt forspenningsmodus vil ha en ganske konstant spenning uavhengig av strømtilførselen.

Anvendelser av Zener Diode:

Zener-dioder brukes i tre hovedapplikasjoner i elektroniske kretser;

1. Spenningsregulering

2. Waveform Clipper

3. Spenningsskifter

1. Zener-diode som spenningsregulator

Dette er uten tvil den vanligste anvendelsen av zener-dioder.

Denne anvendelsen av zenerdioder er sterkt avhengig av zenerdiodenes evne til å opprettholde en konstant spenning uavhengig av variasjoner i tilførsels- eller laststrøm. Den generelle funksjonen til en spenningsreguleringsanordning er å tilveiebringe en konstant utgangsspenning til en last som er koblet parallelt med den, uavhengig av variasjoner i energien trukket av belastningen (Laststrøm) eller variasjoner og ustabilitet i forsyningsspenningen.

Zener-dioden vil gi konstant spenning forutsatt at strøm holder seg innenfor området for maksimum og minimum reversstrøm.

Kretsskjemaet som viser Zener-dioden som brukes som en spenningsregulator, er vist nedenfor.

En motstand, R1 er koblet i serie med zenerdioden for å begrense mengden strøm som strømmer gjennom dioden, og inngangsspenningen Vin (som må være større enn zenerspenningen) er koblet over som vist på bildet og utgangsspenningen Vout, blir tatt over zenerdioden med Vout = Vz (Zener Voltage). Siden zenerdiodeens omvendte forspenningsegenskaper er det som trengs for å regulere spenningen, er den koblet til omvendt forspenningsmodus, med katoden som er koblet til kretsens positive skinne.

Forsiktighet må utvises når du velger verdien på motstanden R1, da en motstand med liten verdi vil resultere i en stor diodestrøm når belastningen er tilkoblet, og dette vil øke diodeens spredningskrav som kan bli høyere enn den maksimale effektverdien på zeneren og kan skade den.

Verdien på motstanden som skal brukes kan bestemmes ved hjelp av formelen nedenfor.

R ₁ = (V _i - V _Z) / I _Z hvor; R1 er verdien av seriemotstanden. Vin er inngangsspenningen. Vz som er det samme som Vout er Zener-spenningen og Iz er zener-strømmen.

Ved å bruke denne formelen blir det enkelt å sikre at verdien på den valgte motstanden ikke fører til strømmen høyere enn det zeneren kan takle.

Et lite problem som oppleves med zenerdiode-baserte regulatorkretser er at Zener noen ganger genererer elektrisk støy på tilførselsskinnen mens den prøver å regulere inngangsspenningen. Selv om dette kanskje ikke er et problem for de fleste applikasjoner, kan dette problemet løses ved å tilsette en kondensator med stor verdi for frakobling over dioden. Dette bidrar til å stabilisere utgangen fra zeneren.

2. Zener-diode som bølgeformklipper

En av bruksområdene til normale dioder er i applikasjonen av klips- og klemkretser som er kretser som brukes til å forme eller modifisere en inngangs AC-bølgeform eller signal, og produsere et annerledes formet utgangssignal avhengig av spesifikasjonene til klipperen eller klemmen.

Clippers-kretser er generelt kretser som brukes til å forhindre at utgangssignalet til en krets går utover en forhåndsbestemt spenningsverdi uten å endre noen annen del av inngangssignalet eller bølgeformen.

Disse kretsene sammen med klemmer er mye brukt i analoge fjernsyns- og FM-radiosendere for fjerning av forstyrrelser (klemkretser) og for å begrense støytopper ved å klippe av høye topper.

Siden Zener-dioder generelt oppfører seg som normale dioder når den påførte spenningen ikke er lik nedbrytningsspenningen, blir de også brukt i klippekretser.

Klippekretser kan utformes for å klippe signalet enten i positive, negative eller begge regioner. Selv om dioden naturlig vil klippe av den andre regionen ved 0,7 V, uavhengig av om den ble designet som en positiv eller negativ klipper.

Tenk for eksempel på kretsen nedenfor.

Clipper-kretsen er designet for å klippe utgangssignalet på 6,2 v, så en 6,2 v zenerdiode ble brukt. Zenerdioden forhindrer at utgangssignalet går utover zenerspenningen uavhengig av inngangsbølgeformen. For dette spesifikke eksemplet ble en 20v inngangsspenning brukt og utgangsspenningen på den positive svingen var 6,2 v i samsvar med spenningen til zenerdioden. Under den negative svingningen av vekselstrømmen oppfører zenerdioden seg imidlertid som den normale dioden og klemmer utgangsspenningen ved 0,7V, i samsvar med normale silikondioder.

For å implementere klippingskretsen for den negative svingen av vekselstrømskretsen så vel som den positive svingen på en slik måte at spenningen blir klippet på forskjellige nivåer på den positive og negative svingen, brukes en dobbel zener-klippingskrets. Kretsskjemaet for dobbel zener-klippekrets er vist nedenfor.

I klippingskretsen ovenfor representerer spenningen Vz2 spenningen på den negative svingen til vekselstrømskilden der utgangssignalet ønskes klippet, mens spenningen Vz1 representerer spenningen på den positive svingen til vekselstrømskilden der utgangsspenningen ønskes klippet.

3. Zener-diode som spenningsskifter

Spenningsskifteren er en av de enkleste, men interessante anvendelsene av zenerdioden. Hvis du har hatt erfaring spesielt med å koble en 3,3v sensor til en 5V MCU, og har sett førstehånds feilene i målingene osv., For at dette kan føre til dem, vil du sette pris på viktigheten av spenningsskiftere. Spenningsskiftere hjelper til med å konvertere signal fra en spenning til en annen, og med muligheten til zenerdioden til å opprettholde jevn utgangsspenning i sammenbruddsområdet, gjør det dem til en ideell komponent for operasjonen.

I en zenerdiodebasert spenningsskifter senker kretsen utgangsspenningen med en verdi lik nedbrytningsspenningen til den spesifikke zenerdioden som brukes. Kretsskjemaet for spenningsskifteren er illustrert nedenfor.

Tenk på eksperimentet nedenfor,

Kretsen beskriver en 3,3v zener diode basert spenningsskifter. Kretsens utgangsspenning (3,72 V) er gitt ved å trekke sammenbruddsspenningen (3,3 V) til zenerdioden fra inngangsspenningen (7 V).

Vout = Vin –Vz

Vout = 7 - 3.3 = 3.7v

Spenningsskifteren, som beskrevet tidligere, har flere anvendelser i moderne elektroniske kretsdesign, da designingeniøren kanskje må jobbe med opptil tre forskjellige spenningsnivå til tider under designprosessen.

Typer av Zener-dioder:

Zener-dioder er kategorisert i typer basert på flere parametere som inkluderer;

1. Nominell spenning
2. Kraftspredning
3. Fremoverstrøm
4. Fremover spenning
5. Emballasjetype
6. Maksimal omvendt strøm

Nominell spenning

Den nominelle driftsspenningen til en zenerdiode er også kjent som nedbrytningsspenningen til zenerdioden, avhengig av hvilken applikasjon dioden skal brukes til, dette er ofte de viktigste kriteriene for valg av Zener-diode.

Kraftspredning

Dette representerer den maksimale mengden kraft zenerstrømmen kan spre. Overskridelse av denne effektverdien fører til overdreven økning i temperaturen til zenerdioden som kan skade den og føre til svikt i ting som er koblet til den i en krets. Derfor bør denne faktoren vurderes når du velger dioden med tanke på bruken.

Maksimal zenerstrøm

Dette er den maksimale strømmen som kan føres gjennom zenerdioden ved zenerspenningen uten å skade enheten.

Minimum Zener Strøm

Dette refererer til minimumsstrømmen som kreves for at zenerdioden skal begynne å fungere i sammenbruddsområdet.

Andre parametere som fungerer som spesifikasjon for dioden, må alle vurderes fullstendig før det tas en beslutning om typen på hvilken slags zenerdiode som er nødvendig for den spesielle utformingen.

Konklusjon:

Her er 5 poeng du aldri bør glemme Zenerdioden.

1. En zenerdiode er som en vanlig diode bare at den har blitt dopet for å ha en kraftig nedbrytningsspenning.
2. Zener-dioden opprettholder en stabil utgangsspenning uavhengig av inngangsspenningen forutsatt at den maksimale zenerstrømmen ikke overskrides.
3. Når den er koblet i foroverspenning, oppfører zenerdioden seg nøyaktig som den vanlige silikonedioden. Den leder med det samme 0,7 v spenningsfallet som følger med bruken av normal diode.
4. Zener-diodens standard driftstilstand er i nedbrytningsområdet (reversert forspent). Det betyr at det faktisk begynner å fungere når den påførte spenningen er høyere enn Zener-spenningen i omvendt forspent.
5. Zenerdioden brukes mest i applikasjoner som involverer, spenningsregulering, klippekretser og spenningsskiftere.