Zeneri dioodahelad, omadused, arvutused

Zeneri dioode, mis on nimetatud leiutaja dr Carl Zeneri järgi, kasutatakse põhimõtteliselt elektroonilistes ahelates täpsete pinge referentside genereerimiseks. Need on seadmed, mis suudavad tekitada nende vahel praktiliselt püsiva pinge, olenemata vooluahela ja pinge olukordade kõikumistest.

Väliselt võite leida zener-dioode, mis sarnanevad palju tavaliste dioodidega nagu 1N4148. Zeneri dioodid töötavad ka alaldades vahelduvvoolu pulseerivaks alalisvooluks sarnaselt nende traditsiooniliste alternatiividega. Vastupidiselt tavalistele alaldidioodidele on zener-dioodid konfigureeritud nii, et nende katood on otseselt ühendatud toiteallikaga ja anood negatiivse toiteallikaga.

Omadused

Tavakonfiguratsioonis on Zeneri dioodidel kõrge takistus teatud kriitilise pinge (tuntud kui Zerieri pinge) all. Selle konkreetse kriitilise pinge ületamisel langeb Zeneri dioodi aktiivtakistus ülimadalale tasemele.

Ja selle väikese takistuse väärtuse korral hoitakse zenerite kohal efektiivset püsivat pinget ja võib eeldada, et see püsiv pinge püsib olenemata allika voolu muutustest.

Lihtsamalt öeldes, alati kui zenerdioodi toitevool ületab zeneri nimiväärtust, juhib zenerdiood ja maandab üleliigset pinget. Seetõttu langeb pinge alla zeneri pinge, mis lülitab zeneri välja ja toiteallikas üritab taas zeneri pinget ületada, lülitades zeneri uuesti sisse. See tsükkel kordub kiiresti, mille tulemuseks on väljundi stabiliseerimine täpselt püsiva zeneri pingeväärtusega.

Seda omadust on graafiliselt esile tõstetud alloleval joonisel, mis näitab, et Zeneri pinge kohal püsib vastupidine pinge isegi vastupidise voolu muutuste korral peaaegu püsiv. Selle tulemusena kasutatakse Zeneri dioode sageli pideva pingelanguse või võrdluspinge saamiseks koos nende sisemise takistusega.

Zeneri dioodid on konstrueeritud paljude võimsusvõimsustega ja pingega vahemikus 2,7 kuni 200 volti. (Kuid enamasti ei kasutata peaaegu üldse Zeneri dioode, mille väärtus ületab 30 volti.)

Põhiline Zeneri dioodi vooluring

Järgmisel pildil on näha tavalist pinge regulaatori vooluahelat, mis kasutab ühte takistit ja Zeneri dioodi. Oletame, et Zeneri dioodi väärtus on 4,7 V ja toitepinge V on 8,0 V.

Zener-dioodi põhitööd saab selgitada järgmiste punktidega:

Koormuse puudumisel kogu zeneri dioodi väljundis võib näha, et kogu Zeneri dioodil on langenud 4,7 volti, samal ajal kui takisti R korral on välja töötatud katkestatud 2,4 volti.

Nüüd, kui sisendpinge muutub, kujutame ette, et vahemikus 8,0 kuni 9,0 V põhjustab Zeneri pinge langus endiselt nimipinge 4,7 V.

Siiski võis näha, et takisti R pingelangus on tõusnud 2,4 V-lt 3,4 V-ni.

Ideaalse Zeneri pingelangust võib oodata üsna konstantsena. Praktikas võib zeneri pinge zeneri dünaamilise takistuse tõttu veidi suureneda.

Protseduur, mille kaudu arvutatakse Zeneri pinge muutus, korrutatakse zeneri dünaamiline takistus Zeneri voolu muutusega.

Takisti R1 sümboliseerib ülaltoodud põhiregulaatori konstruktsioonis eelistatud koormust, mida võib zeneriga ühendada. R1 võtab sellega seoses teatud hulga voolu, mis liikus läbi Zeneri.

Kuna vool R-des on suurem kui koormusse sisenev vool, jätkub Zeneri kaudu läbi vooluhulk, mis võimaldab Zeneri ja koormuse vahel täiesti püsivat pinget.

Näidatud seeria takisti Rs tuleks määrata nii, et Zenerisse sisenev madalaim vool oleks alati kõrgem kui minimaalne tase, mis on määratud zeneri stabiilseks reguleerimiseks. See tase algab vastupidise pinge / vastupidise voolu kõvera 'põlve' all, nagu õppis ülaltoodud graafiline diagramm.

Lisaks peate tagama, et R-de valimine tagab, et Zeneri dioodi läbiv vool ei ületaks kunagi selle võimsust: mis võib olla samaväärne Zeneri pinge x Zeneri vooluga. See on suurim vooluhulk, mis võib koormuse R1 puudumisel Zeneri dioodi läbida.

Kuidas arvutada Zeneri dioode

Zeneri põhiahela kujundamine on tegelikult lihtne ja seda saab rakendada järgmiste juhiste kaudu:

1. Määrake maksimaalne ja minimaalne koormusvool (Li), näiteks 10 mA ja 0 mA.
2. Määrake maksimaalne toitepinge, mis võib areneda, näiteks 12 V tase, tagades ka minimaalse toitepinge alati = 1,5 V + Vz (zeneri pinge).
3. Nagu on näidatud regulaatori põhiprojektis, on vajalik väljundpinge, mis on ekvivalentne Zeneri pinge Vz = 4,7 volti, ja valitud madalaim Zeneri vool on 100 mikroampi . See tähendab, et maksimaalne kavandatud Zeneri vool on siin 100 mikroampi pluss 10 milliamprit, mis on 10,1 milliamprit.
4. Jaotakisti Rs peab olema lubatud minimaalne voolutugevus 10,1 mA, isegi kui sisendvarustus on madalaim määratud tase, mis on 1,5 V kõrgem kui valitud zeneri väärtus Vz, ja selle võib arvutada Ohmi seaduse järgi järgmiselt: Rs = 1,5 / 10,1 x 10^-3= 148,5 oomi. Lähim standardväärtus näib olevat 150 oomi, seega võib R olla 150 oomi.
5. Kui toitepinge tõuseb 12 V-ni, on pinge langus R-des Iz x Rs, kus Iz = vool läbi zeneri. Seetõttu saame Ohmi seadust rakendades Iz = 12 - 4,7 / 150 = 48,66 mA
6. Ülaltoodu on maksimaalne vool, mis lastakse läbi zener-dioodi. Teisisõnu, maksimaalne vool, mis võib voolata maksimaalse väljundkoormuse või maksimaalse etteantud toitepinge sisendi ajal. Nendes tingimustes hajutab zener-diood võimsuse Iz x Vz = 48,66 x 4,7 = 228 mW. Selle saavutamiseks on lähim standardvõimsuse väärtus 400 mW.

Temperatuuri mõju Zeneri dioodidele

Koos pinge ja koormuse parameetritega on Zeneri dioodid ka üsna vastupidavad ümbritsevatele temperatuurimuutustele. Kuid temperatuur võib seadet mõnevõrra mõjutada, nagu on näidatud alloleval graafikul:

See näitab zeneri dioodi temperatuuri koefitsiendi kõverat. Ehkki kõrgemate pingete korral reageerib koefitsiendikõver umbes 0,1% Celsiuse kraadi juures, liigub see 5 V juures läbi nulli ja muutub madalama pinge korral negatiivseks. Lõpuks saavutab see -0,04% Celsiuse kraadi juures umbes 3,5 V juures.

Zeneri dioodi kasutamine temperatuuriandurina

Zeneri dioodi tundlikkuse temperatuurimuutustele on hea kasutada seadet temperatuuriandurina, nagu on näidatud järgmisel diagrammil

Diagramm näitab sillavõrku, mis on ehitatud ühesuguste omadustega takisti paari ja paari Zeneri dioodide abil. Üks zener-dioodidest töötab nagu võrdluspinge generaator, teist zener-dioodi kasutatakse temperatuuritaseme muutuste tuvastamiseks.

Standardse 10 V Zeneri temperatuuritegur võib olla + 0,07% / ° C, mis võib vastata 7 mV / ° C temperatuuri kõikumist. See tekitab silla kahe käe vahel umbes 7 mV tasakaalustamatuse temperatuuri iga üksiku Celsiuse kraadi muutuse korral. Näidatud asendis saab vastavate temperatuurinäitude kuvamiseks kasutada 50 mV FSD-mõõturit.

Zeneri dioodi väärtuse kohandamine

Mõne vooluringi rakenduse jaoks võib olla vajalik täpne zeneri väärtus, mis võib olla mittestandardne väärtus või väärtus, mida pole hõlpsasti saadaval.

Sellistel juhtudel saab luua zener-dioodide massiivi, mida saab seejärel kasutada soovitud kohandatud zener-dioodi väärtuse saamiseks, nagu allpool näidatud:

Selles näites võib paljudes terminalides hankida palju kohandatud mittestandardseid zeneri väärtusi, nagu on kirjeldatud järgmises loendis:

Paljude muude zeneri dioodi väljundi kohandatud komplektide saamiseks võite kasutada näidatud positsioonides muid väärtusi

AC toiteallikaga Zeneri dioodid

Zenersi dioode kasutatakse tavaliselt alalisvoolu toiteallikatega, kuid neid seadmeid saab ka töötada vahelduvvoolu toiteallikatega. Mõned zener-dioodide vahelduvvoolu rakendused hõlmavad heli, raadiosagedusahelaid ja muid vahelduvvoolu juhtimissüsteemide vorme.

Nagu on näidatud allpool toodud näites, kui vahelduvvoolu toiteallikat kasutatakse koos zener-dioodiga, juhib zener koheselt, niipea kui vahelduvvoolu signaal läheb nullist tsükli negatiivse poole poole. Kuna signaal on negatiivne, siis lüheneb vahelduvvoolu anoodi kaudu zeneri katoodini, põhjustades väljundiks 0 V.

Kui vahelduvvoolu toide liigub üle tsükli positiivse poole, ei juhi zener enne, kui vahelduvvoolu ronib kuni zeneri pinge tasemeni. Kui vahelduvvoolu signaal ületab zeneri pinge, juhib zener ja stabiliseerib väljundi 4,7 V tasemele, kuni vahelduvvoolu tsükkel langeb tagasi nulli.

Pidage meeles, et vahelduvvoolu sisendiga zeneri kasutamisel peab Rs arvutama vahelduvvoolu tipppinge järgi.

Ülaltoodud näites pole väljund sümmeetriline, pigem pulseeriv 4,7 V DC. Sümmeetrilise 4,7 V vahelduvvoolu saamiseks väljundis võiks ühendada kaks tagurpidi zenerit, nagu on näidatud allpool skeemil

Zeneri dioodmüra summutamine

Kuigi zener-dioodid pakuvad kiiret ja lihtsat viisi stabiliseeritud püsivpinge väljundite loomiseks, on sellel üks puudus, mis võib mõjutada tundlikke helilülitusi, näiteks võimsusvõimendeid.

Zeneri dioodid tekitavad töötamise ajal müra nende ristmikulaviini mõju tõttu ümberlülitamisel vahemikus 10 uV kuni 1 mV. Seda saab summutada, lisades kondensaatori paralleelselt zener-dioodiga, nagu allpool näidatud:

Kondensaatori väärtus võib olla vahemikus 0,01uF kuni 0,1uF, mis võimaldab müra summutada 10 korda ja hoiab parimat võimalikku pinge stabiliseerumist.

Järgmine graafik näitab kondensaatori mõju zener-dioodi müra vähendamisele.

Zeneri kasutamine lainepinge filtreerimiseks

Zeneri dioode saab rakendada ka tõhusate pulsatsioonipinge filtritena, nagu seda kasutatakse vahelduvpinge stabiliseerimiseks.

Tänu ülimadalale dünaamilisele impedantsile suudavad zener-dioodid töötada nagu pulsatsioonifilter samamoodi nagu filtrikondensaator.

Väga muljetavaldava pulsatsioonifiltreerimise saab ühendada Zeneri diood üle koormuse mis tahes alalisvooluallikaga. Siin peab pinge olema sama kui lainepinna tase.

Enamikus vooluringi rakendustes võib see töötada sama tõhusalt kui tavaline silumist kondensaator, millel on mitu tuhat mikrofaradi võimsust, mille tulemuseks on alalisvoolu väljundile asetatud pulsatsioonipinge märkimisväärne vähenemine.

Kuidas suurendada Zeneri dioodi võimsuse käitlemise võimsust

Lihtne viis zener-dioodi võimsuse käitlemise suurendamiseks on tõenäoliselt lihtsalt ühendada need paralleelselt, nagu allpool näidatud:

Kuid praktiliselt ei pruugi see olla nii lihtne, kui see välja näeb, ja see ei pruugi töötada ettenähtud viisil. Selle põhjuseks on asjaolu, et nagu kõigil teistel pooljuhtseadmetel, ei ole ka zeneritel kunagi täpselt ühesuguseid omadusi, seetõttu võib üks zenereid juhtida enne, kui teine ​​tõmbab kogu voolu enda kaudu läbi ja lõpuks hävib.

Kiire viis selle probleemi lahendamiseks võib olla madalate väärtuste jadatakistite lisamine iga zener-dioodiga, nagu allpool näidatud, mis võimaldab igal zener-dioodil voolu ühtlaselt jagada läbi takistite R1 ja R2 tekitatud kompenseerivate pingelanguste:

Ehkki võimsuse käitlemise võimsust saab suurendada, ühendades paralleelselt Zeneri dioodid, võib palju parem lähenemine olla šundi BJT lisamine koos võrdlusallikana konfigureeritud zeneri dioodiga. Palun vaadake sama skeemi järgmist näidet.

Šunttransistori lisamine ei suurenda mitte ainult zeneri võimsuse käitlemise võimsust 10 korda, vaid parandab veelgi väljundi pinge reguleerimise taset, mis võib olla sama suur kui transistori määratud voolutugevus.

Seda tüüpi šunditransistori zener-regulaatorit saab kasutada eksperimentaalsetel eesmärkidel, kuna vooluahelal on 100% lühise tõend. See tähendab, et disain on üsna ebaefektiivne, kuna transistor võib koormuse puudumisel märkimisväärse hulga voolu hajutada.

Veel paremate tulemuste saavutamiseks a seeriapääsutransistor regulaatori tüüp, nagu allpool näidatud, näeb välja parem ja eelistatavam variant.

Selles vooluringis loob Zeneri diood jada-transistori võrdluspinge, mis sisuliselt töötab nagu kiirgaja jälgija . Selle tulemusel hoitakse emitteri pinget Zeneri dioodi tekitatud transistori baaspinge mõnekümnendike vahel. Sellest tulenevalt töötab transistor nagu jadakomponent ja võimaldab toitepinge kõikumisi tõhusalt juhtida.

Selle seeria transistori kaudu töötab nüüd kogu koormusvool. Seda tüüpi konfiguratsiooni võimsuskäitlusvõime määratakse täielikult transistoride väärtuse ja spetsifikatsiooni järgi ning see sõltub ka kasutatava jahutusradiaatori efektiivsusest ja kvaliteedist.

1k seeria takisti abil saab ülaltoodud konstruktsiooni abil saavutada suurepärase reguleerimise. Määrust saaks suurendada teguriga 10, asendades tavalise zeneri spetsiaalse madala dünaamikaga zeneri dioodiga, näiteks 1N1589).

Kui soovite, et ülaltoodud vooluahel annaks muutuva pingega reguleeritava väljundi, oleks selle hõlpsasti saavutatav, kasutades Zeneri dioodil 1K potentsiomeetrit. See võimaldab reguleerida jadatransistori aluses muutuvat võrdluspinget.

Kuid see modifikatsioon võib põhjustada madalama reguleerimise efektiivsuse tänu potentsiomeetri tekitatavale manöövriefektile.

Pideva vooluga Zeneri dioodi ahel

Zeneri reguleeritud lihtsa konstantse vooluallika saab konstrueerida ühe transistori kaudu kui muutuva seeria takisti. Alloleval joonisel on kujutatud põhiskeem.

Siin näete ahela läbipääsude paare, ühte zensdioodi kaudu, mis on ühendatud järjestikku eelpingega, samal ajal kui teine ​​tee on läbi takistite R1, R2 ja jadatransistori.

Juhul, kui vool kaldub kõrvale oma algsest vahemikust, tekitab see R3 eelpingestuse proportsionaalse muutuse, mis omakorda põhjustab seeriatransistori takistuse proportsionaalse suurenemise või vähenemise.

Selle transistori takistuse reguleerimise tulemuseks on väljundvoolu automaatne korrigeerimine soovitud tasemeni. Praeguse juhtimissüsteemi täpsus on selles konstruktsioonis umbes +/- 10%, reageerides väljundtingimustele, mis võivad olla lühise ja kuni 400 Ohmi koormuse vahel.

Järjestikune relee lülitusahel Zeneri dioodi abil

Kui teil on rakendus, kus releekomplekt tuleb toitelülitil järjestikku üksteise järel ümber lülitada, selle asemel et kõik koos aktiveerida, võib järgmine disain osutuda üsna käepäraseks.

Siin paigaldatakse järjestikku kasvavad zener-dioodid reas releede rühma ja üksikute madala väärtusega jadatakistitega. Kui toide on sisse lülitatud, juhivad zeneri dioodid üksteise järel järjestikku oma zeneri väärtuste kasvavas järjekorras. Selle tulemusel lülitub relee rakenduse soovitud järjekorras. Takistite väärtused võivad olla 10 oomi või 20 oomi, sõltuvalt relee mähise takistuse väärtusest.

Zeneri dioodi vooluahel ülekaitseks

Tänu nende pingetundlikule omadusele on võimalik ühendada Zeneri dioodid kaitsmete voolutundlike omadustega, et kaitsta üliolulisi vooluahelakomponente kõrgepinge tõusu eest ja kõrvaldada lisaks kaitsmeprobleemide sagedane puhumine, mis võib juhtuda eriti kaitsmete korral on vooluahela töövoolu näitajatele väga lähedal.

Ühendades õigesti hinnatud Zeneri dioodi üle koormuse, võib kasutada kaitset, mis on sobivalt ette nähtud kavandatud voolu pikema aja vältel käsitsemiseks. Oletame selles olukorras, et sisendpinge suureneb määral, mis ületab Zeneri purunemispinge - sunnib Zeneri dioodi juhtima. See põhjustab kaitsme peaaegu kohe voolava voolu järsu suurenemise.

Selle vooluahela eeliseks on see, et see takistab sulavkaitsme sagedast ja ettearvamatut puhumist, kuna see on koormusvoolule lähedane sulamisväärtus. Selle asemel süttib kaitsme ainult siis, kui pinge ja vool tõepoolest tõuseb üle määratud ohtliku taseme.

Zeneri dioodi kasutav alampinge kaitselülitus

Releest ja sobivalt valitud zener-dioodist piisab täpse madalpinge või pinge all katkestatud kaitseahela loomiseks mis tahes soovitud rakenduse jaoks. Elektriskeem on esitatud allpool:

Operatsioon on tegelikult väga lihtne, trafo sillavõrgust omandatud toiteallikas Vin varieerub sõltuvalt vahelduvvoolu sisendist. See tähendab, et kui oletada, et 220 V vastab trafo 12 V-le, siis 180 V peaks vastama 9,81 V-le ja nii edasi. Seega, kui eeldatakse, et madalpinge katkestuslävi on 180 V, siis zenerdioodi valimine 10 V seadmena katkestab relee töö alati, kui sisendi vahelduvvool langeb alla 180 V.