Zener-dioder

Introduktion

Dioder är vanligtvis kända som en anordning som tillåter strömflödet i en riktning (förspänd framåt) och erbjuder motstånd mot strömflödet när det används i omvänd förspänning. Zener Diode (uppkallad efter den amerikanska forskaren C. Zener som först förklarade dess operativa principer) å andra sidan, tillåter inte bara strömflödet när det används i framåtförspänning, men de tillåter också strömflödet när det används i omvänd förspänning hittills är den applicerade spänningen över nedbrytningsspänningen, känd som Zener Breakdown Voltage. Eller med andra ord Nedbrytningsspänning är spänningen som Zener-dioden börjar leda i omvänd riktning.

Operationsprincip för Zener Diode:

I normala dioder är nedbrytningsspänningen mycket hög och dioden skadas helt om en spänning över nedbrytningsdioden appliceras, men i Zener-dioder är nedbrytningsspänningen inte så hög och leder inte till permanent skada på zenerdioden om spänningen appliceras.

När den omvända spänningen som appliceras på Zener-dioden ökar mot den specificerade nedbrytningsspänningen (Vz) börjar en ström strömma genom dioden och denna ström är känd som Zener-strömmen och denna process är känd som Avalanche Breakdown . Strömmen ökar till ett maximum och stabiliseras. Denna ström förblir konstant över det bredare utbudet av applicerad spänning och gör att Zener-dioden kan motstå högre spänning utan att skadas. Denna ström bestäms av seriemotståndet.

Tänk på bilderna nedan av en normal diod i aktion.

För att visa zenerdiodens funktion, överväg de två experimenten (A och B) nedan.

I experiment A är en 12V zenerdiod ansluten i omvänd förspänning som visas i bilden och det kan ses att zenerdioden blockerade spänningen effektivt eftersom den var mindre / lika med nedbrytningsspänningen för den specifika zenerdioden och lampan därmed stannade kvar.

I experiment B leder en 6v Zener-diod som används (glödlampan tänds) i omvänd förspänning eftersom den applicerade spänningen är större än dess nedbrytningsspänning och visar således att nedbrytningsområdet är zenerdiodens arbetsområde.

Den nuvarande spänningskarakteristiken för Zener-dioden visas nedan.

Från grafen kan man dra slutsatsen att zenerdioden som drivs i omvänd förspänningsläge kommer att ha en ganska konstant spänning oberoende av den tillförda strömmen.

Användningar av Zener Diode:

Zener-dioder används i tre huvudapplikationer i elektroniska kretsar;

1. Spänningsreglering

2. Waveform Clipper

3. Spänningsväxlare

1. Zener-diod som spänningsregulator

Detta är förmodligen den vanligaste tillämpningen av zenerdioder.

Denna tillämpning av zenerdioderna är starkt beroende av zenerdiodernas förmåga att bibehålla en konstant spänning oberoende av variationer i matnings- eller belastningsström. Den allmänna funktionen hos en spänningsregleringsanordning är att tillhandahålla en konstant utspänning till en last ansluten parallellt med den oberoende av variationer i energin som dras av belastningen (Lastström) eller variationer och instabilitet i matningsspänningen.

Zener-dioden kommer att ge konstant spänning under förutsättning att strömmen förblir inom området för maximal och minsta omvänd ström.

Kretsschemat som visar Zener-dioden som används som spänningsregulator visas nedan.

Ett motstånd, R1 är kopplat i serie med zenerdioden för att begränsa mängden ström som strömmar genom dioden och ingångsspänningen Vin (som måste vara större än zenerspänningen) är ansluten som visas i bilden och utspänningen Vout, tas över zenerdioden med Vout = Vz (Zener Voltage). Eftersom zenerdiodens omvända förspänningsegenskaper är vad som behövs för att reglera spänningen, är den ansluten i omvänd förspänningsläge, med katoden ansluten till kretsens positiva skena.

Försiktighet måste iakttas när du väljer värdet på motståndet R1, eftersom ett motstånd med ett litet värde kommer att resultera i en stor diodström när belastningen är ansluten och detta ökar diodets effektförlustbehov som kan bli högre än den maximala effektnivån på zenern och kan skada den.

Värdet på motståndet som ska användas kan bestämmas med formeln nedan.

R ₁ = (V _i - V _Z) / I _Z Var; R1 är värdet på seriemotståndet. Vin är ingångsspänningen. Vz som är samma som Vout är Zener-spänningen och Iz är zener-strömmen.

Genom att använda denna formel blir det lätt att säkerställa att värdet på det valda motståndet inte leder till strömflödet högre än vad zenern klarar.

Ett litet problem som upplevs med zener-diodbaserade regulatorkretsar är att Zener ibland genererar elektriskt brus på matningsskenan samtidigt som man gör försök att reglera ingångsspänningen. Även om detta kanske inte är ett problem för de flesta applikationer kan detta problem lösas genom tillsats av en kondensator med stort värde för frikoppling över dioden. Detta hjälper till att stabilisera zenern.

2. Zener-diod som Waveform Clipper

En av användningarna av normala dioder är vid tillämpning av klipp- och klämkretsar som är kretsar som används för att forma eller modifiera en ingångs AC-vågform eller signal, vilket ger en annorlunda formad utsignal beroende på specifikationerna för klipparen eller klämman.

Clippers-kretsar är generellt kretsar som används för att förhindra att en krets utsignal går utöver ett förutbestämt spänningsvärde utan att ändra någon annan del av insignalen eller vågformen.

Dessa kretsar tillsammans med klämmor används i stor utsträckning i analoga TV- och FM-radiosändare för att avlägsna störningar (klämkretsar) och begränsa bullertoppar genom klippning av höga toppar.

Eftersom Zener-dioder generellt beter sig som normala dioder när den applicerade spänningen inte är lika med nedbrytningsspänningen, används de således också i klippkretsar.

Klippkretsar kan utformas för att klippa signalen antingen i de positiva, negativa eller båda regionerna. Även om dioden naturligtvis kommer att klämma av den andra regionen vid 0,7 V oavsett om den utformades som en positiv eller negativ klippare.

Tänk till exempel på kretsen nedan.

Clipper-kretsen är utformad för att klippa ut utsignalen vid 6,2 V, så en 6,2 V zenerdiod användes. Zenerdioden förhindrar att utsignalen går utöver zenerspänningen oberoende av ingångsvågformen. För detta speciella exempel användes en 20v ingångsspänning och utgångsspänningen på den positiva svängningen var 6,2v i överensstämmelse med zenerdiodens spänning. Under den negativa svängningen av växelspänningen beter sig zenerdioden precis som den normala dioden och klämmer utspänningen vid 0,7 V, i överensstämmelse med normala silikondioder.

För att implementera klippkretsen för den negativa svängningen av växelströmskretsen liksom den positiva svängningen på ett sådant sätt att spänningen klipps på olika nivåer på den positiva och negativa svängningen, används en dubbel zenerklippkrets. Kretsschemat för klippkretsen med dubbel zener visas nedan.

I klippningskretsen ovan representerar spänningen Vz2 spänningen på den negativa svängningen hos växelströmskällan vid vilken utsignalen önskas klippas, medan spänningen Vz1 representerar spänningen på den positiva svängningen hos växelströmskällan vid vilken utspänningen önskas klippas.

3. Zener-diod som spänningsväxlare

Spänningsväxlaren är en av de enklaste men intressanta applikationerna för zenerdioden. Om du har haft erfarenhet särskilt av att ansluta en 3,3v-sensor till en 5V MCU och har sett förstahandsfelen i avläsningar etc, att detta kan leda till dem kommer du att inse vikten av spänningsväxlare. Spänningsväxlare hjälper till att omvandla signal från en spänning till en annan och med zenerdiodens förmåga att bibehålla en konstant utspänning i nedbrytningsregionen, gör det dem till en idealisk komponent för driften.

I en zenerdiodbaserad spänningsförskjutare sänker kretsen utspänningen med ett värde lika med nedbrytningsspänningen för den specifika zenerdioden som används. Kretsschemat för spänningsväxlaren illustreras nedan.

Tänk på experimentet nedan,

Kretsen beskriver en 3,3v zenerdiodbaserad spänningsväxlare. Kretsens utspänning (3,72 V) ges genom att subtrahera zenerdiodens nedbrytningsspänning (3,3 V) från ingångsspänningen (7 V).

Vout = Vin –Vz

Vout = 7 - 3.3 = 3.7v

Spänningsväxlaren som beskrivits tidigare har flera tillämpningar i dagens elektroniska kretsdesign, eftersom konstruktören kan behöva arbeta med upp till tre olika spänningsnivåer ibland under designprocessen.

Typer av Zener-dioder:

Zener-dioder kategoriseras i typer baserat på flera parametrar som inkluderar;

1. Nominell spänning
2. Effektförlust
3. Framåt drivström
4. Framspänning
5. Förpackningstyp
6. Maximal backström

Nominell spänning

Den nominella driftspänningen för en zenerdiod är också känd som zenerdiodens nedbrytningsspänning, beroende på den applikation för vilken dioden ska användas, detta är ofta det viktigaste kriteriet för valet av Zener-diod.

Effektförlust

Detta representerar den maximala effekt som zenerströmmen kan skingra. Överskridande av detta effektvärde leder till överdriven ökning av zenerdiodens temperatur, vilket kan skada den och leda till att de saker som är anslutna till den kraschar i en krets. Således bör denna faktor beaktas när dioden väljs med tanke på användningen.

Maximal zenerström

Detta är den maximala strömmen som kan passera genom zenerdioden vid zenerspänningen utan att skada enheten.

Minsta Zener-ström

Detta avser den minsta ström som krävs för att zenerdioden ska börja fungera i nedbrytningsområdet.

Andra parametrar som fungerar som specifikationen för dioderna måste alla övervägas fullständigt innan man fattar beslut om vilken typ av zenerdiod som behövs för den speciella designen.

Slutsats:

Här är 5 poäng som du aldrig bör glömma zenerdioden.

1. En zenerdiod är som en vanlig diod bara att den har dopats för att ha en kraftig nedbrytningsspänning.
2. Zener-dioden upprätthåller en stabil utgångsspänning oavsett ingångsspänning förutsatt att den maximala zenerströmmen inte överskrids.
3. När den är ansluten i förspänning framåt, beter sig zenerdioden precis som den vanliga silikondioden. Den leder med samma 0,7 v spänningsfall som åtföljer användningen av den normala dioden.
4. Zenerdiodens standardoperationstillstånd är i uppdelningsområdet (omvänd förspänd). Det betyder att det faktiskt börjar fungera när den applicerade spänningen är högre än Zener-spänningen i omvänd förspänning.
5. Zenerdioden används mest i applikationer som involverar, spänningsreglering, klippkretsar och spänningsväxlare.