Wat zijn Zener Diodes?

Wat is een Zener Diode?

Een Zener diode is een speciaal type gelijkrichtende diode die doorslag door omgekeerde doorslagspanning kan opvangen zonder volledig uit te vallen. Hier bespreken we het concept van het gebruik van diodes om spanningsval te reguleren en hoe de Zener-diode werkt in reverse-bias modus om de spanning in een circuit te reguleren.

Hoe diodes spanningsval regelen

Als we een diode en een weerstand in serie schakelen met een gelijkspanningsbron zodat de diode in sperrichting werkt, zal de spanningsval over de diode redelijk constant blijven over een breed bereik van voedingsspanningen, zoals in onderstaande figuur (a)

De stroom door een in sperrichting werkende PN-junctie is evenredig met e, verheven tot de macht van de voorwaartse spanningsval. Omdat dit een exponentiële functie is, neemt de stroom vrij snel toe bij geringe toenames in spanningsval.

Een andere manier om dit te beschouwen is te zeggen dat de spanning die over een doorlaatdiode valt weinig verandert bij grote variaties in de diodestroom. In de schakeling in figuur (a) hieronder wordt de diodestroom begrensd door de spanning van de voeding, de serieweerstand en de spanningsval van de diode, die zoals we weten niet veel varieert van 0,7 volt.

Forward biased Si referentie: (a) enkele diode, 0,7V, (b) 10-diodes in serie 7,0V.

Als de voedingsspanning zou worden verhoogd, zou de spanningsval van de weerstand bijna evenveel toenemen, en de spanning van de diode slechts een klein beetje afnemen. Omgekeerd zou een daling van de voedingsspanning resulteren in een bijna gelijke daling van de spanningsval van de weerstand, met slechts een kleine daling van de spanningsval van de diode.

In één woord zouden we dit gedrag kunnen samenvatten door te zeggen dat de diode de spanningsval regelt op ongeveer 0,7 volt.

Het gebruik van spanningsregeling

Volspanningsregeling is een nuttige diode-eigenschap om te benutten. Stel dat wij een soort schakeling bouwen die geen variaties in voedingsspanning kan verdragen, maar gevoed moet worden door een chemische batterij, waarvan de spanning gedurende de levensduur verandert. Wij zouden een circuit kunnen vormen zoals hierboven getoond en het circuit dat een constante spanning vereist over de diode kunnen aansluiten, waar het een onveranderlijke 0,7 volt zou ontvangen.

Dit zou zeker werken, maar de meeste praktische circuits van welke aard dan ook vereisen een voedingsspanning van meer dan 0,7 volt om goed te kunnen functioneren. Een manier waarop we ons spanningsregulatiepunt zouden kunnen verhogen, zou zijn om meerdere diodes in serie te verbinden, zodat hun individuele voorwaartse spanningsdalingen van 0,7 volt elk zouden toevoegen om een groter totaal te creëren.

Bij voorbeeld, in ons voorbeeld hierboven, als we tien diodes in serie hadden, zou de gereguleerde spanning tien keer 0,7, of 7 volt zijn.

Zolang de accuspanning nooit onder de 7 volt zakte, zou er altijd ongeveer 7 volt vallen over de tien-diode “stapel.”

Hoe Zener Diodes Spanning Regelen

Als grotere geregelde spanningen nodig zijn, kunnen we ofwel meer diodes in serie gebruiken (een onelegante optie, naar mijn mening) of een fundamenteel andere benadering proberen.

We weten dat de voorwaartse spanning van diodes een vrij constant getal is onder een breed scala van omstandigheden, maar dat geldt ook voor de omgekeerde doorslagspanning.

Als we de polariteit van de diode in onze eendioderegelaarschakeling omkeren en de voedingsspanning verhogen tot het punt waarop de diode “afbreekt” (dat wil zeggen, niet langer bestand is tegen de omgekeerde basisspanning die erover wordt aangelegd), dan zou de diode de spanning op dat afbraakpunt op dezelfde manier reguleren, zodat deze niet verder zou oplopen. Dit is te zien in figuur (a) hieronder.

(a) Omgekeerde Si diode met klein signaal gaat kapot bij ongeveer 100V. (b) Symbool voor Zenerdiode.

Wanneer normale gelijkrichtdioden “stuk gaan”, gebeurt dat helaas meestal op destructieve wijze. Het is echter mogelijk om een speciaal type diode te bouwen dat wel tegen defect kan zonder volledig uit te vallen. Dit type diode wordt een Zener-diode genoemd, en het symbool staat in de figuur (b) hierboven.

In sperrichting gedragen Zener-diodes zich ongeveer hetzelfde als standaard gelijkrichtdiodes: ze hebben een voorwaartse spanningsval die de “diodevergelijking” volgt en ongeveer 0,7 volt bedraagt. In de reverse-bias modus geleiden ze niet totdat de toegepaste spanning de zogenaamde Zenerspanning bereikt of overschrijdt. Op dat moment is de diode in staat om een aanzienlijke stroom te geleiden, en zal daarbij proberen om de spanning die erover valt te beperken tot dat Zenerspanningspunt.

Zolang het door deze omgekeerde stroom gedissipeerde vermogen de thermische grenzen van de diode niet overschrijdt, zal de diode geen schade ondervinden. Om deze reden worden Zener-diodes ook wel “doorslagdiodes” genoemd.”

Zener Diode Circuit

Zener-diodes worden vervaardigd met Zener-spanningen die variëren van enkele volts tot honderden volts. Deze Zener-spanning verandert enigszins met de temperatuur en kan, net als de gebruikelijke weerstandswaarden voor koolstofcomposities, een afwijking van 5 tot 10 procent ten opzichte van de specificaties van de fabrikant vertonen. Deze stabiliteit en nauwkeurigheid zijn echter over het algemeen goed genoeg om de Zener-diode te gebruiken als spanningsregelaar in de onderstaande figuur.

Zener diode regulator circuit, Zener voltage = 12.6V).

Zener Diode Werking Let op de oriëntatie van de Zener diode in het bovenstaande circuit: de diode is reverse-biased, en opzettelijk zo. Als we de diode op de “normale” manier hadden georiënteerd, dus voorwaarts gericht, zou hij slechts 0,7 volt afgeven, net als een gewone gelijkrichtende diode. Als we de omgekeerde doorslag van deze diode willen benutten, moeten we hem in zijn omgekeerde-bias-mode gebruiken. Zolang de voedingsspanning boven de zenerspanning blijft (12,6 volt, in dit voorbeeld), zal de spanning die over de zenerdiode valt ongeveer 12,6 volt blijven.

Zoals elk halfgeleiderapparaat is de zenerdiode gevoelig voor temperatuur. Een te hoge temperatuur zal een zenerdiode vernielen, en omdat hij zowel spanning laat vallen als stroom geleidt, produceert hij zijn eigen warmte volgens de wet van Joule (P=IE). Daarom moet de regelaarschakeling zo worden ontworpen dat de vermogensdissipatie van de diode niet wordt overschreden. Interessant genoeg, wanneer Zener diodes falen als gevolg van excessieve vermogensdissipatie, falen ze meestal kortgesloten in plaats van open. Een diode die op deze manier defect raakt, is gemakkelijk op te sporen: hij daalt bijna tot nul spanning wanneer hij in beide richtingen wordt beïnvloed, als een stuk draad.

Mathematische analyse van Zener Diode Regelschakeling

Laten we een Zener diode regelschakeling eens mathematisch bekijken, waarbij we alle spanningen, stromen, en vermogensdissipaties bepalen. Uitgaande van dezelfde schakeling als eerder getoond, voeren we berekeningen uit uitgaande van een Zenerspanning van 12,6 volt, een voedingsspanning van 45 volt, en een serieweerstandswaarde van 1000 Ω (we beschouwen de Zenerspanning als precies 12.6 volt om te voorkomen dat we alle getallen als “bij benadering” moeten kwalificeren in Figuur (a) hieronder

Als de spanning van de Zener-diode 12,6 volt is en de spanning van de voeding 45 volt, valt er 32,4 volt over de weerstand (45 volt – 12,6 volt = 32,4 volt). 32,4 volt over 1000 Ω geeft 32,4 mA stroom in de kring. (Onderstaande figuur (b))

(a) Zener-spanningsregelaar met 1000 Ω-weerstand. (b) Berekening van spanningsverliezen en stroom.

Het vermogen wordt berekend door de stroom met de spanning te vermenigvuldigen (P=IE), dus kunnen we de vermogensdissipatie voor zowel de weerstand als de Zener-diode vrij eenvoudig berekenen:

Een Zener-diode met een vermogen van 0.

Zener Diode-schakeling met hogere weerstanden

Als een te grote vermogensdissipatie schadelijk is, waarom dan niet een schakeling ontwerpen met zo weinig mogelijk dissipatie? Waarom niet gewoon een weerstand met een zeer hoge weerstandswaarde, waardoor de stroom sterk wordt beperkt en de vermogensdissipatiecijfers zeer laag blijven? Neem bijvoorbeeld deze schakeling, met een weerstand van 100 kΩ in plaats van een weerstand van 1 kΩ. Merk op dat zowel de voedingsspanning als de Zenerspanning van de diode in de onderstaande figuur identiek zijn aan het laatste voorbeeld:

Zener regulator met 100 kΩ weerstand.

Met slechts 1/100 van de stroom die we eerst hadden (324 µA in plaats van 32,4 mA), moeten beide vermogensdissipatiecijfers 100 keer kleiner zijn:

Overwegingen met belastingsweerstand

Dit lijkt ideaal, nietwaar? Minder vermogensdissipatie betekent lagere bedrijfstemperaturen voor zowel de diode als de weerstand, en ook minder energieverspilling in het systeem, toch? Een hogere weerstandswaarde vermindert de vermogensdissipatie in het circuit, maar introduceert helaas een ander probleem. Vergeet niet dat het doel van een regulatorschakeling is om een stabiele spanning te leveren voor een andere schakeling. Met andere woorden, we gaan uiteindelijk iets voeden met 12,6 volt, en dit iets zal een eigen stroomafname hebben.

Overweging van de laagste waarde van de aflaatweerstand

Overweeg onze eerste regelaarschakeling, dit keer met een belasting van 500 Ω parallel geschakeld met de Zener-diode in de onderstaande figuur.

Zener-regelaar met 1000 Ω serieweerstand en 500 Ω belasting.

Als 12,6 volt wordt gehandhaafd over een 500 Ω belasting, zal de belasting 25,2 mA stroom trekken. Om de 1 kΩ serieweerstand 32,4 volt te laten vallen (waardoor de spanning van de voeding van 45 volt over de Zener daalt tot 12,6 volt), moet deze nog 32,4 mA stroom geleiden. Er blijft dus 7,2 mA stroom door de Zener-diode over.

Overweging over een dalingsweerstand met een hogere waarde

Nu bekijken we onze “stroombesparende” regulatorschakeling met de dalingsweerstand van 100 kΩ, die stroom levert aan dezelfde belasting van 500 Ω. Wat deze schakeling moet doen is 12,6 volt over de belasting handhaven, net als de vorige schakeling. Maar, zoals we zullen zien, kan hij deze taak niet volbrengen. (Figuur hieronder)

Zener niet-regelaar met 100 KΩ serieweerstand met 500 Ω belasting.>

Met de grotere waarde van de druppelweerstand op zijn plaats, zal er slechts ongeveer 224 mV spanning staan over de 500 Ω belasting, veel minder dan de verwachte waarde van 12,6 volt! Waarom is dit? Als we werkelijk 12,6 volt over de belasting hadden, zou deze 25,2 mA stroom trekken, zoals voorheen. Deze belastingsstroom zou door de in serie geschakelde druppelweerstand moeten lopen, zoals voorheen, maar met een nieuwe (veel grotere!) druppelweerstand op zijn plaats, zou de spanning die over die weerstand valt, met 25,2 mA stroom die er doorheen gaat, 2.520 volt bedragen! Aangezien we natuurlijk niet zoveel spanning van de batterij krijgen, kan dit niet gebeuren.

Analyse van de hogere valweerstand zonder zenerdiode

De situatie is eenvoudiger te begrijpen als we de zenerdiode tijdelijk uit de schakeling verwijderen en het gedrag van de twee weerstanden alleen analyseren in de onderstaande figuur.

Niet-regelaar met verwijderde Zener.

Zowel de 100 kΩ druppelweerstand als de 500 Ω belastingsweerstand staan met elkaar in serie, wat een totale circuitweerstand geeft van 100,5 kΩ. Met een totale spanning van 45 volt en een totale weerstand van 100,5 kΩ, zegt de wet van Ohm (I=E/R) ons dat de stroom 447,76 µA zal bedragen. Als we de spanningsverliezen over beide weerstanden berekenen (E=IR), komen we uit op respectievelijk 44,776 volt en 224 mV.

Als we de Zener-diode op dit punt zouden terugplaatsen, zou deze ook 224 mV over zich heen “zien”, omdat hij parallel staat met de belastingsweerstand. Dit is ver onder de Zener doorslagspanning van de diode en dus zal deze niet “afbreken” en stroom geleiden. Trouwens, bij deze lage spanning zou de diode niet geleiden, zelfs niet als hij in voorwaartse richting zou werken! De diode houdt dus op met het regelen van de spanning. Er moet minstens 12,6 volt over staan om hem te “activeren”.

De analysetechniek om een Zener-diode uit een stroomkring te halen en te kijken of er al dan niet voldoende spanning aanwezig is om hem te laten geleiden, is een goede. Het feit dat een Zener-diode toevallig in een stroomkring is aangesloten, garandeert nog niet dat er altijd de volledige Zenerspanning over staat! Vergeet niet dat Zener diodes werken door de spanning tot een bepaald maximum niveau te beperken; ze kunnen een gebrek aan spanning niet compenseren.

Regel in Zener Diode Regulatie Werking

In het kort, elke Zener diode regulerende schakeling zal functioneren zolang de weerstand van de belasting gelijk is aan of groter is dan een bepaalde minimumwaarde. Als de weerstand van de belasting te laag is, zal deze te veel stroom trekken, waardoor er te veel spanning over de in serie geschakelde weerstand zal vallen, waardoor er onvoldoende spanning over de Zener-diode blijft staan om deze te laten geleiden. Wanneer de Zener-diode geen stroom meer geleidt, kan hij de spanning niet meer regelen, en zal de belastingsspanning onder het regelpunt zakken.

Berekening van de belastingsweerstand voor bepaalde valweerstanden

Onze regelaarschakeling met de 100 kΩ valweerstand moet echter goed zijn voor een bepaalde waarde van de belastingsweerstand. Om deze aanvaardbare waarde van de belastingsweerstand te vinden, kunnen we een tabel gebruiken om de weerstand te berekenen in de twee-weerstands serie-schakeling (geen diode), waarbij we de bekende waarden van de totale spanning en de valweerstand invoegen, en berekenen voor een verwachte belastingsspanning van 12.6 volt:

Met 45 volt totale spanning en 12,6 volt over de belasting, zouden we 32,4 volt over de druppelweerstand moeten hebben:

Met 32,4 volt over de druppelweerstand:

Met 32,6 volt over de druppelweerstand zouden we 32,4 volt over de druppelweerstand moeten hebben.4 volt over de druppelweerstand, en 100 kΩ weerstand erin, zal de stroom erdoor 324 µA zijn:

Gezien het om een serieschakeling gaat, is de stroom door alle componenten op een gegeven moment gelijk:

De berekening van de belastingsweerstand is nu een eenvoudige kwestie van de wet van Ohm (R = E/I), die ons 38.889 kΩ:

Dus, als de belastingsweerstand precies 38,889 kΩ is, staat er 12,6 volt over, diode of geen diode. Elke belastingsweerstand kleiner dan 38,889 kΩ zal resulteren in een belastingsspanning van minder dan 12,6 volt, diode of geen diode. Met de diode op zijn plaats, zal de laadspanning worden geregeld tot een maximum van 12,6 volt voor elke belastingsweerstand groter dan 38,889 kΩ.

Met de oorspronkelijke waarde van 1 kΩ voor de valweerstand, was onze regelaarschakeling in staat om de spanning adequaat te regelen, zelfs voor een belastingsweerstand zo laag als 500 Ω. Wat we zien is een afweging tussen vermogensdissipatie en aanvaardbare belastingsweerstand. De dalingsweerstand van hogere waarde gaf ons minder vermogensdissipatie, ten koste van het verhogen van de aanvaardbare minimum belastingsweerstandswaarde. Als we de spanning willen regelen voor lage belastingsweerstanden, moet de schakeling voorbereid zijn om een hogere vermogensdissipatie aan te kunnen.

Hoe Zener Diodes spanning regelen

Zener diodes regelen de spanning door als complementaire belasting te fungeren, waarbij ze naar behoefte meer of minder stroom trekken om een constante spanningsval over de belasting te garanderen. Dit is analoog aan het regelen van de snelheid van een auto door te remmen in plaats van door de gasklepstand te variëren: niet alleen is het verspillend, maar de remmen moeten worden gebouwd om al het vermogen van de motor te verwerken wanneer de rijomstandigheden dit niet vereisen.

Ondanks deze fundamentele inefficiëntie van het ontwerp, worden Zener diode regelaar circuits op grote schaal gebruikt vanwege hun pure eenvoud. In toepassingen met een hoog vermogen waar de inefficiëntie onaanvaardbaar zou zijn, worden andere spanningsregulerende technieken toegepast. Maar zelfs dan worden kleine op Zener gebaseerde circuits vaak gebruikt om een “referentie”-spanning te leveren waarmee een efficiëntere versterkerschakeling kan worden aangestuurd die het hoofdvermogen regelt.

Gemeenschappelijke Zener Diode Spanningen

Zener diodes worden vervaardigd in standaard spanningswaarden die in onderstaande tabel worden vermeld. In de tabel “Common Zener diode voltages” staan de gebruikelijke spanningen voor 0,3W en 1,3W onderdelen. Het wattage komt overeen met de matrijs- en pakketgrootte en is het vermogen dat de diode mag dissiperen zonder schade op te lopen.

Gemeenschappelijke Zener diode spanningen

Zener diode clipper: Een clipperschakeling die de pieken van de golfvorm bij ongeveer de Zenerspanning van de diodes clipt. In de schakeling van onderstaande figuur zijn twee Zeners in serie tegengesteld geschakeld om symmetrisch een golfvorm te clippen bij ongeveer de Zenerspanning. De weerstand beperkt de stroom die door de Zeners wordt getrokken tot een veilige waarde.

*SPICE 03445.eps D1 4 0 diode D2 4 2 diode R1 2 1 1.0k V1 1 0 SIN(0 20 1k) .model diode d bv=10 .tran 0.001m 2m .end 

Zener-diode clipper:

De Zener-doorslagspanning voor de diodes is ingesteld op 10 V door de diodemodelparameter “bv=10” in de spice net-lijst in bovenstaande figuur. Hierdoor clippen de Zeners bij ongeveer 10 V. De back-to-back diodes clippen beide pieken. Voor een positieve halve cyclus is de bovenste Zener in sperrichting geschakeld en valt uit bij een Zenerspanning van 10 V. De onderste Zener valt ongeveer 0,7 V uit omdat deze in sperrichting geschakeld is. Een nauwkeuriger clipping-niveau is dus 10+0,7=10,7 V. Bij -10,7 V treedt een soortgelijke negatieve clipping op. (Onderstaande figuur) toont het clipping-niveau bij iets meer dan ±10 V.

Zener diode clipper: v(1) ingang wordt geclipt bij golfvorm v(2).

REVIEW:

• Zener diodes zijn ontworpen om in reverse-bias mode te werken, waarbij ze een relatief lage, stabiele doorslag, of Zener spanning leveren waarbij ze substantiële sperstroom beginnen te geleiden.
• Een Zener-diode kan als spanningsregelaar fungeren door als extra belasting te fungeren, waarbij meer stroom uit de bron wordt getrokken als de spanning te hoog is, en minder als deze te laag is.

GERELATEERDE WERKBLADEN:

• Zener Diodes werkblad
• Ontwerpproject: DC spanningsregelaar werkblad