Zener-diodekredsløb, karakteristika, beregninger

Prøv Vores Instrument Til At Fjerne Problemer





Zener-dioder - opkaldt efter opfinderen Dr. Carl Zener, bruges grundlæggende i elektroniske kredsløb til generering af nøjagtige spændingsreferencer. Dette er enheder, der er i stand til at skabe en næsten konstant spænding på tværs af dem uanset variationer i kredsløb og spændingssituationer.

Eksternt kan du finde zener-dioder, der minder meget om standarddioder som 1N4148. Zener-dioder fungerer også ved at rette AC til pulserende DC, ligesom deres traditionelle alternativer. I modsætning til standard ensretterdioder er zenerdioder imidlertid konfigureret med deres katode direkte forbundet med forsyningens positive og anode med den negative forsyning.



Egenskaber

I sin standardkonfiguration udviser Zener-dioder en høj modstand under en bestemt, kritisk spænding (kendt som Zerier-spændingen). Når denne specifikke kritiske spænding er overgået, falder Zener-diodens aktive modstand til et ekstremt lavt niveau.

Og ved denne lave modstandsværdi holdes en effektiv konstant spænding over Zeners, og denne konstante spænding kan forventes at bibeholdes uanset enhver ændring i kildestrømmen.



Med enkle ord, når tilførslen over zenerdioden overstiger den nominelle zenerværdi, leder og zenerer dioden den overskydende spænding. På grund af dette falder spændingen under zenerspændingen, der slukker for zeneren, og forsyningen forsøger endnu en gang at overskride zenerspændingen og tænder zeneren igen. Denne cyklus gentages hurtigt, hvilket i sidste ende resulterer i at stabilisere output til nøjagtigt ved en konstant zener-spændingsværdi.

Denne egenskab er grafisk fremhævet i nedenstående figur, hvilket indikerer, at omvendt 'Zener-spænding' fortsætter omvendt spænding næsten konstant, selv med variationer i omvendt strøm. Som et resultat bruges Zener-dioder ofte til at få et konstant spændingsfald eller referencespænding med deres interne modstand.

Zener-dioder er designet i mange wattværdier og med spændingsvurderinger, der spænder fra 2,7 volt til 200 volt. (Imidlertid anvendes Zener-dioder med værdier langt over 30 volt næsten aldrig.)

Grundlæggende Zener Diode Circuit Working

Et standard spændingsregulator kredsløb ved hjælp af en enkelt modstand og en Zener-diode kan ses i det følgende billede. Lad os antage, at værdien af ​​Zener-dioden er 4,7 V, og forsyningsspændingen V i er 8,0 V.

Den grundlæggende funktion af en zenerdiode kan forklares med følgende punkter:

I mangel af en belastning på tværs af output fra zener-dioden, kan en 4,7 volt ses faldet hen over Zener-dioden, mens en afskåret 2,4 volt udvikles over modstand R.

Lad os forestille os nu, at hvis indgangsspændingen ændres, fra 8,0 til 9,0 V, vil spændingsfaldet over Zener stadig opretholde den nominelle 4,7 V.

Imidlertid kunne spændingsfaldet over modstanden R ses fra 2,4 V til 3,4 V.

Spændingsfaldet over et ideelt Zener kan forventes at være ret konstant. Praktisk set kan det være, at spændingen over zeneren stiger lidt på grund af Zeners dynamiske modstand.

Proceduren, gennem hvilken ændringen i Zener-spænding beregnes, er ved at multiplicere den dynamiske zener-modstand med ændringen i Zener-strømmen.

Modstanden R1, i ovenstående grundlæggende regulatorudformning, symboliserer den foretrukne belastning, der kan være forbundet med zeneren. R1 i denne forbindelse vil trække en vis mængde strøm, som bevægede sig gennem Zener.

Da strømmen i Rs vil være højere end den strøm, der kommer ind i belastningen, vil en strømmængde fortsætte med at gå gennem Zener, hvilket muliggør en perfekt konstant spænding over Zener og belastningen.

Den angivne seriemodstand Rs bør bestemmes på en sådan måde, at den laveste strøm, der kommer ind i Zener, altid er højere end det minimumsniveau, der er angivet for en stabil regulering fra zeneren. Dette niveau starter lige under 'knæet' for omvendt spænding / omvendt strømkurve som det blev lært af det forrige grafiske diagram ovenfor.

Du skal derudover sørge for, at valget af R'er sikrer, at strømmen, der passerer gennem Zener-dioden, aldrig går ud over dens effekt: hvilket kan svare til Zener-spændingen x Zener-strøm. Det er den højeste mængde strøm, der kan passere gennem Zener-dioden i fravær af belastningen R1.

Sådan beregnes zener-dioder

At designe et grundlæggende zener-kredsløb er faktisk simpelt og kan implementeres ved hjælp af følgende instruktioner:

  1. Bestem den maksimale og mindste belastningsstrøm (Li), for eksempel 10 mA og 0 mA.
  2. Bestem den maksimale forsyningsspænding, der kan udvikle sig, for eksempel et 12 V-niveau, og sørg også for, at den minimale forsyningsspænding altid er = 1,5 V + Vz (zeners spændingsværdi).
  3. Som angivet i den grundlæggende regulatordesign er den krævede udgangsspænding, der svarer til Zener-spændingen Vz = 4,7 Volt, og den valgte den laveste Zener-strøm er 100 mikroampere . Dette indebærer, at den maksimale tilsigtede Zener-strøm her er 100 mikroampere plus 10 milliampere, hvilket er 10,1 milliampere.
  4. Seriemodstanden Rs skal tillade den mindste strømmængde 10,1 mA, selv når indgangsforsyningen er det laveste specificerede niveau, som er 1,5 V højere end den valgte zener-værdi Vz, og kan beregnes ved hjælp af ohmsloven som: Rs = 1,5 / 10,1 x 10-3= 148,5 ohm. Den nærmeste standardværdi ser ud til at være 150 ohm, så R'er kan være 150 ohm.
  5. Hvis forsyningsspændingen stiger til 12 V, vil spændingsfaldet over Rs være Iz x Rs, hvor Iz = strøm gennem zeneren. Derfor, ved anvendelse af Ohms lov, får vi Iz = 12 - 4,7 / 150 = 48,66 mA
  6. Ovenstående er den maksimale strøm, der får lov til at passere gennem zenerdioden. Med andre ord den maksimale strøm, der kan strømme under maksimal udgangsbelastning eller maksimalt specificeret forsyningsspændingsindgang. Under disse betingelser vil zenerdioden sprede en effekt på Iz x Vz = 48,66 x 4,7 = 228 mW. Den nærmeste standardeffektværdi for at opfylde dette er 400 mW.

Effekt af temperatur på Zener-dioder

Sammen med spændings- og belastningsparametre er Zener-dioder også ret modstandsdygtige over for temperaturvariationer omkring dem. Over et omfang kan temperaturen dog have en eller anden indflydelse på enheden som angivet i nedenstående graf:

Den viser kurven for zenerdiode temperaturkoefficient. Selvom koefficientkurven ved højere spændinger reagerer på omkring 0,1% pr. Grad Celsius, bevæger den sig gennem nul ved 5 V og bliver derefter negativ for de lavere spændingsniveauer. Til sidst når den -0,04% pr. Grad Celsius ved omkring 3,5 V.

Brug af Zener-diode som temperatursensor

En god brug af Zener-diodens følsomhed over for temperaturændring er at anvende enheden som en temperatursensorenhed som vist i det følgende diagram

Diagrammet viser et bronetværk bygget ved hjælp af et par modstande og et par Zener-dioder med identiske egenskaber. En af zenerdioderne fungerer som en referencespændingsgenerator, mens den anden zenerdiode bruges til at registrere ændringer i temperaturniveauerne.

En standard 10 V Zener kan have en temperaturkoefficient på + 0,07% / ° C, som kan svare til 7 mV / ° C variation i temperatur. Dette vil skabe en ubalance på omkring 7 mV mellem broens to arme for hver enkelt grad Celsius variation i temperaturen. En 50 mV fuld FSD-meter kan bruges i den angivne position til at vise de tilsvarende temperaturmålinger.

Tilpasning af Zener-diodeværdi

For nogle kredsløbsapplikationer kan det være nødvendigt at have en nøjagtig zener-værdi, der kan være en ikke-standardværdi eller en værdi, der ikke er let tilgængelig.

I sådanne tilfælde kan en række zener-dioder oprettes, som derefter kan bruges til at opnå en ønsket tilpasset zener-diodeværdi, som vist nedenfor:

I dette eksempel kunne mange tilpassede, ikke-standardiserede zener-værdier erhverves på tværs af de forskellige terminaler, som beskrevet i følgende liste:

Du kan bruge andre værdier i de angivne positioner for at få mange andre tilpassede sæt zener-diodeoutput

Zener-dioder med vekselstrømforsyning

Zeners-dioder bruges normalt med jævnstrømsforsyning, men disse enheder kan også designes til at arbejde med vekselstrømsforsyninger. Et par vekselstrømsapplikationer af zenerdioder inkluderer lyd, RF-kredsløb og andre former for vekselstrømsstyringssystemer.

Som vist i nedenstående eksempel, når en vekselstrømsforsyning anvendes med en zenerdiode, vil zeneren straks lede, så snart vekselstrømssignalet passerer fra nul mod den negative halvdel af sin cyklus. Fordi signalet er negativt, vil AC'en kortsluttes via anoden til katoden i zeneren, hvilket får 0 V til at vises output.

Når vekselstrømsforsyningen bevæger sig over den positive halvdel af cyklussen, leder zeneren ikke, før vekselstrømmen klatrer op til zeners spændingsniveau. Når AC-signalet krydser zenerspændingen, leder zeneren og stabiliserer udgangen til et 4,7 V-niveau, indtil AC-cyklussen falder tilbage til nul.

Husk, mens du bruger zener med en AC-indgang, skal du sikre dig, at Rs beregnes i henhold til AC-spændingen.

I ovenstående eksempel er output ikke symmetrisk, snarere en pulserende 4,7 V DC. For at få en symmetrisk 4,7 V vekselstrøm ved udgangen kunne to back to back zenere tilsluttes som vist i nedenstående diagram

Undertrykker støj fra Zener-dioder

Selvom zener-dioder giver en hurtig og nem måde at skabe stabiliserede faste spændingsudgange på, har den en ulempe, som kan påvirke følsomme lydkredsløb såsom effektforstærkere.

Zener-dioder genererer støj under drift på grund af deres krydsskredeffekt under skift, der spænder fra 10 uV til 1 mV. Dette kan undertrykkes ved at tilføje en kondensator parallelt med zenerdioden, som vist nedenfor:

Værdien af ​​kondensatoren kan være mellem 0,01 uF og 0,1 uF, hvilket tillader støjdæmpning med en faktor 10 og vil opretholde den bedst mulige spændingsstabilisering.

Den følgende graf viser effekten af ​​kondensatoren til at reducere zener-diodestøj.

Brug af Zener til filtrering af krusningsspænding

Zener-dioder kan også anvendes som effektive krusningsspændingsfiltre, ligesom de bruges til AC-spændingsstabilisering.

På grund af sin ekstremt lave dynamiske impedans er zener-dioder i stand til at arbejde som krusningsfilter på samme måde som filterkondensator gør.

Meget imponerende rippelfiltrering kan opnås ved at forbinde en Zener-diode over belastningen med en hvilken som helst jævnstrømskilde. Her skal spændingen være den samme som rippel-trugniveauet.

I de fleste kredsløbsapplikationer kan dette fungere lige så effektivt som en typisk udjævningskondensator med flere tusinde mikrofaradekapacitet, hvilket resulterer i en signifikant reduktion i niveauet for rippelspænding oven på jævnstrømsudgangen.

Sådan øges kapaciteten til håndtering af Zener-diode

En nem måde at øge kapaciteten til håndtering af zener-dioder på er sandsynligvis bare at forbinde dem parallelt som vist nedenfor:

Men praktisk talt er dette måske ikke så simpelt som det ser ud og fungerer muligvis ikke som beregnet. Dette skyldes, at ligesom enhver anden halvlederindretning, zenere heller ikke kommer med nøjagtigt identiske egenskaber, derfor kan en af ​​zenerne lede før den anden, der trækker hele strømmen gennem sig selv og til sidst ødelægges.

En hurtig måde at imødegå dette problem på kan være at tilføje seriemodstande med lave værdier med hver zenerdiode som vist nedenfor, hvilket gør det muligt for hver zenerdiode at dele strømmen ensartet gennem kompenserende spændingsfald genereret af modstandene R1 og R2:

Selvom effekthåndteringskapaciteten kan øges ved at forbinde Zener-dioder parallelt, kan en meget forbedret fremgangsmåde være at tilføje en shunt BJT i ​​forbindelse med en zenerdiode konfigureret som en referencekilde. Se følgende skema for eksempel for det samme.

Tilføjelse af en shunt-transistor forbedrer ikke kun zener-effekthåndteringskapaciteten med en faktor 10, men forbedrer yderligere spændingsreguleringsniveauet for output, hvilket kan være så højt som den specificerede strømforstærkning af transistoren.

Denne type shunt transistor zener regulator kan bruges til eksperimentelle formål, fordi kredsløbet har en 100% kortslutningssikker facilitet. Når det er sagt, er designet ret ineffektivt, fordi transistoren kan sprede en betydelig mængde strøm i fravær af en belastning.

For endnu bedre resultater, a seriepassetransistor type regulator som vist nedenfor ser en bedre løsning ud og foretrækkes.

I dette kredsløb skaber Zener-dioden en referencespænding til seriepassetransistoren, som i det væsentlige fungerer som en emitter tilhænger . Som et resultat opretholdes emitterspændingen mellem nogle få tiendedele af en transistor-basisspænding som skabt af Zener-dioden. Derfor fungerer transistoren som en seriekomponent og muliggør effektiv styring af forsyningsspændingsvariationerne.

Hele belastningsstrømmen kører nu via denne serietransistor. Effekthåndteringskapaciteten for denne type konfiguration bestemmes fuldstændigt af transistorenes værdi og specifikation og afhænger også af effektiviteten og kvaliteten af ​​den anvendte kølelegeme.

Fremragende regulering kunne opnås ud fra ovennævnte design ved hjælp af en 1k-modstand. Reguleringen kunne øges med en faktor 10 ved at erstatte den normale zener med en speciel lavdynamisk zenerdiode, såsom en 1N1589).

Hvis du vil have ovennævnte kredsløb til at give et variabelt spændingsreguleret output, kan det let opnås ved hjælp af et 1K potentiometer på tværs af Zener-dioden. Dette gør det muligt at justere en variabel referencespænding ved bunden af ​​serietransistoren.

Denne ændring kan dog resultere i en lavere reguleringseffektivitet på grund af en eller anden shuntingseffekt skabt af potentiometeret.

Konstantstrøm Zener Diode Circuit

En simpel Zener-reguleret konstant strømforsyning kan designes gennem en enkelt transistor som en modstand i variabel serie. Figuren nedenfor viser det grundlæggende kredsløbsdiagram.

Du kan se et par kredsløbspassager her, en via zenerdioden forbundet i serie med den forspændende modstand, mens den anden vej er gennem modstandene R1, R2 og serietransistoren.

Hvis strømmen afviger fra det oprindelige område, skaber den en forholdsmæssig ændring i forspændingsniveauet for R3, hvilket igen får serietransistormodstanden til at stige eller falde forholdsmæssigt.

Denne justering i transistorens modstand resulterer i en automatisk korrektion af udgangsstrømmen til det ønskede niveau. Nøjagtigheden af ​​den nuværende kontrol i dette design vil være omkring +/- 10% som reaktion på en outputforhold, der kan variere mellem en kortslutning og en belastning på op til 400 Ohm.

Sekventielt relæskiftekredsløb ved hjælp af Zener-diode

Hvis du har et program, hvor et sæt relæer skal skiftes sekventielt efter hinanden på tænd / sluk-kontakten i stedet for at alle aktiveres sammen, kan følgende design vise sig at være ganske praktisk.

Her installeres sekventielt inkrementerende zenerdioder i serie med en gruppe relæer sammen med individuelle seriemodstande med lav værdi. Når strømmen tændes, leder zenerdioderne efter hinanden i rækkefølge i stigende rækkefølge af deres zenerværdier. Dette resulterer i, at relæet tændes i rækkefølge som ønsket af applikationen. Modstandens værdier kan være 10 ohm eller 20 ohm afhængigt af relæspolens modstandsværdi.

Zener Diode Circuit til beskyttelse mod overspænding

På grund af deres spændingsfølsomme karakteristik er det muligt at kombinere Zener-dioder med den nuværende følsomme karakteristik af sikringer for at beskytte vigtige kredsløbskomponenter mod høje spændingsspændinger og derudover eliminere besværet med sikring fra at blæse ofte, hvilket kan ske især når en sikringsvurdering er meget tæt på kredsløbets driftsstrømspecifikation.

Ved at forbinde en korrekt nominel Zener-diode på tværs af belastningen kan der anvendes en sikring, som er passende klassificeret til at håndtere den tilsigtede belastningsstrøm i længere perioder. Antag i denne situation, at indgangsspændingen stiger i et omfang, der overstiger Zener-nedbrydningsspændingen - vil tvinge Zener-dioden til at lede. Dette vil medføre en pludselig stigning i strømmen, der sprækker sikringen næsten øjeblikkeligt.

Fordelen ved dette kredsløb er, at det forhindrer, at sikringen blæser hyppigt og uforudsigeligt på grund af dens tætte sikringsværdi til belastningsstrømmen. I stedet blæser sikringen kun, når spændingen og strømmen virkelig stiger ud over et specificeret usikkert niveau.

Underspændingsbeskyttelseskredsløb ved hjælp af Zener-diode

Et relæ og en passende valgt zenerdiode er nok til at skabe et nøjagtigt beskyttelseskredsløb med lav spænding eller under spænding til enhver ønsket anvendelse. Kredsløbsdiagrammet er vist nedenfor:

Operationen er faktisk meget enkel, forsyningen Vin, som er erhvervet fra et transformerbro-netværk, varierer forholdsmæssigt afhængigt af input-AC-variationerne. Det antyder, at hvis antager 220 V svarer til 12 V fra transformeren, så 180 V skal svare til 9,81 V og så videre. Derfor, hvis 180 V antages at være afbrydelsestærsklen for lav spænding, vil valg af zenerdioden som en 10 V-enhed afbryde relæfunktionen, hver gang indgangen AC falder til under 180 V.




Forrige: Beregning af transistor som switch Næste: Fiberoptisk kredsløb - sender og modtager