Czym są diody Zenera?

Co to jest dioda Zenera?

Dioda Zenera jest specjalnym typem diody prostowniczej, która może poradzić sobie z awarią spowodowaną odwrotnym napięciem przebicia bez całkowitego uszkodzenia. Omówimy tutaj koncepcję użycia diod do regulacji spadku napięcia i jak dioda Zenera działa w trybie odwrotnego załamania w celu regulacji napięcia w obwodzie.

Jak diody regulują spadek napięcia

Jeśli połączymy diodę i rezystor szeregowo ze źródłem napięcia stałego tak, że dioda jest spolaryzowana w przód, spadek napięcia na diodzie pozostanie stały w szerokim zakresie napięć zasilania, jak na rysunku(a) poniżej .

Prąd przez spolaryzowane w przód złącze PN jest proporcjonalny do e podniesionego do potęgi spadku napięcia w przód. Ponieważ jest to funkcja wykładnicza, prąd wzrasta dość szybko przy niewielkich wzrostach spadku napięcia.

Innym sposobem rozważenia tego jest stwierdzenie, że napięcie spadające przez diodę z przodem zmienia się w niewielkim stopniu przy dużych zmianach prądu diody. W układzie pokazanym na rysunku (a) poniżej, prąd diody jest ograniczony przez napięcie zasilacza, rezystor szeregowy i spadek napięcia diody, który jak wiemy nie różni się zbytnio od 0,7 V.

Forward biased Si reference: (a) pojedyncza dioda, 0,7V, (b) 10 diod szeregowo 7,0V.

Jeśli napięcie zasilania zostałoby zwiększone, spadek napięcia rezystora wzrósłby prawie o tyle samo, a napięcie diody spadłoby tylko nieznacznie. I odwrotnie, spadek napięcia zasilającego spowodowałby prawie taki sam spadek spadku napięcia rezystora, z niewielkim spadkiem spadku napięcia diody.

Słowem, moglibyśmy podsumować to zachowanie mówiąc, że dioda reguluje spadek napięcia na poziomie około 0,7 V.

Użycie regulacji napięcia

Regulacja napięcia jest użyteczną właściwością diody, którą można wykorzystać. Załóżmy, że budujemy jakiś układ, który nie toleruje zmian napięcia zasilania, ale musi być zasilany z baterii chemicznej, której napięcie zmienia się w czasie jej życia. Moglibyśmy uformować obwód jak pokazano powyżej i podłączyć obwód wymagający stałego napięcia przez diodę, gdzie otrzymywałaby niezmienne 0,7 V.

To z pewnością by działało, ale większość praktycznych obwodów jakiegokolwiek rodzaju wymaga napięcia zasilania przekraczającego 0,7 V do prawidłowego działania. Jednym ze sposobów zwiększenia punktu regulacji napięcia jest połączenie wielu diod szeregowo, tak aby ich poszczególne spadki napięcia po 0,7 V dodawały się do siebie tworząc większą całość.

Na przykład, w naszym powyższym przykładzie, gdybyśmy mieli dziesięć diod szeregowo, regulowane napięcie wynosiłoby dziesięć razy 0,7, czyli 7 V.

Tak długo, jak napięcie akumulatora nie spadnie poniżej 7 V, zawsze będzie około 7 V na dziesięciodiodowym „stosie”.”

Jak diody Zenera regulują napięcie

Jeśli wymagane jest większe regulowane napięcie, możemy albo użyć więcej diod w szeregu (moim zdaniem nieelegancka opcja), albo spróbować zupełnie innego podejścia.

Wiemy, że napięcie przewodzenia diody jest dość stałą wartością w szerokim zakresie warunków, ale tak samo jest z odwrotnym napięciem rozpadu. Napięcie przebicia jest zazwyczaj dużo, dużo większe niż napięcie przewodzenia.

Jeśli odwrócimy biegunowość diody w naszym układzie regulatora jednodiodowego i zwiększymy napięcie zasilania do punktu, w którym dioda „ulegnie uszkodzeniu” (to znaczy, nie będzie w stanie dłużej wytrzymać napięcia wstecznego), dioda będzie regulować napięcie w tym punkcie, nie pozwalając mu dalej rosnąć. Jest to pokazane na rysunku(a) poniżej.

(a) Odwrotnie diagonalna dioda Si o małym sygnale pęka przy napięciu około 100V. (b) Symbol diody Zenera.

Niestety, kiedy zwykłe diody prostownicze „psują się”, zwykle robią to destrukcyjnie. Jednakże możliwe jest zbudowanie specjalnego typu diody, która może wytrzymać awarię bez całkowitego uszkodzenia. Ten typ diody nazywa się diodą Zenera, a jej symbol jest pokazany na rysunku (b) powyżej.

W trybie pracy w przód, diody Zenera zachowują się tak samo jak standardowe diody prostownicze: mają spadek napięcia w przód, który jest zgodny z „równaniem diody” i wynosi około 0,7 V. W trybie odwróconej diagnozy nie przewodzą, dopóki przyłożone napięcie nie osiągnie lub nie przekroczy tak zwanego napięcia Zenera, w którym to momencie dioda jest w stanie przewodzić znaczny prąd, a czyniąc to będzie starała się ograniczyć napięcie spadające na nią do tego punktu napięcia Zenera.

Dopóki moc rozpraszana przez ten prąd wsteczny nie przekroczy limitów termicznych diody, dioda nie zostanie uszkodzona. Z tego powodu diody Zenera są czasami nazywane „diodami awaryjnymi”.”

Obwód diody Zenera

Diody Zenera są produkowane z napięciem Zenera od kilku do kilkuset woltów. Napięcie Zenera zmienia się nieznacznie w zależności od temperatury i podobnie jak w przypadku rezystorów węglowych, może wynosić od 5 do 10 procent błędu w stosunku do specyfikacji producenta. Jednak ta stabilność i dokładność jest na ogół wystarczająco dobra, aby dioda Zenera mogła być używana jako regulator napięcia we wspólnym obwodzie zasilania na rysunku poniżej.

Obwód regulatora diody Zenera, napięcie Zenera = 12.6V).

Dioda Zenera Działanie Proszę zwrócić uwagę na orientację diody Zenera w powyższym obwodzie: dioda jest odwrotnie spolaryzowana, i to celowo. Gdybyśmy ustawili diodę w „normalny” sposób, tak aby była spolaryzowana do przodu, spadłaby ona tylko 0,7 V, tak jak zwykła dioda prostownicza. Jeśli chcemy wykorzystać właściwości diody w zakresie odwrotnego załamania, musimy pracować w trybie reverse-bias. Tak długo jak napięcie zasilania pozostaje powyżej napięcia Zenera (12,6 V, w tym przykładzie), napięcie spadające na diodę Zenera będzie utrzymywać się na poziomie około 12,6 V.

Jak każde urządzenie półprzewodnikowe, dioda Zenera jest wrażliwa na temperaturę. Nadmierna temperatura zniszczy diodę zenera, a ponieważ zarówno obniża ona napięcie jak i przewodzi prąd, wytwarza własne ciepło zgodnie z prawem Joule’a (P=IE). Dlatego trzeba uważać, aby tak zaprojektować obwód regulatora, aby nie przekroczyć dopuszczalnej mocy rozpraszanej przez diodę. Co ciekawe, gdy diody Zenera ulegają uszkodzeniu z powodu nadmiernego rozproszenia mocy, zazwyczaj ulegają zwarciu, a nie rozwarciu. Dioda uszkodzona w ten sposób jest łatwo wykrywalna: spada prawie do zera napięcie, gdy jest skierowana w jedną lub drugą stronę, jak kawałek drutu.

Analiza matematyczna obwodu regulującego diodę Zenera

Przeanalizujmy obwód regulujący diodę Zenera pod względem matematycznym, określając wszystkie napięcia, prądy i rozpraszanie mocy. Biorąc tę samą formę obwodu pokazaną wcześniej, wykonamy obliczenia zakładając napięcie Zenera 12,6 V, napięcie zasilania 45 V i wartość rezystora szeregowego 1000 Ω (przyjmiemy, że napięcie Zenera wynosi dokładnie 12.6 V, aby uniknąć konieczności określania wszystkich liczb jako „przybliżone” na rysunku(a) poniżej

Jeśli napięcie diody Zenera wynosi 12,6 V, a napięcie zasilania 45 V, to przez rezystor spadnie 32,4 V (45 V – 12,6 V = 32,4 V). 32,4 wolta spuszczone przez 1000 Ω daje 32,4 mA prądu w obwodzie. (Rysunek poniżej (b))

(a) Regulator napięcia Zenera z rezystorem 1000 Ω. (b) Obliczanie spadków napięć i prądów.

Moc obliczamy mnożąc prąd przez napięcie (P=IE), więc możemy dość łatwo obliczyć rozpraszanie mocy zarówno dla rezystora, jak i diody Zenera:

Dioda Zenera o mocy znamionowej 0.5 watów byłaby odpowiednia, podobnie jak rezystor o mocy 1,5 lub 2 watów.

Obwód z diodą Zenera o wyższych rezystancjach

Jeśli nadmierne rozpraszanie mocy jest szkodliwe, to dlaczego nie zaprojektować obwodu dla jak najmniejszego rozpraszania? Dlaczego po prostu nie dobrać rezystora o bardzo wysokiej wartości rezystancji, tym samym poważnie ograniczając prąd i utrzymując rozpraszanie mocy na bardzo niskim poziomie? Weźmy na przykład ten obwód, w którym zamiast rezystora 1 kΩ zastosowano rezystor 100 kΩ. Zauważ, że zarówno napięcie zasilania, jak i napięcie Zenera diody na poniższym rysunku są identyczne jak w ostatnim przykładzie:

Regulator Zenera z rezystorem 100 kΩ.

Przy zaledwie 1/100 prądu, który mieliśmy wcześniej (324 µA zamiast 32,4 mA), obie wartości rozpraszania mocy powinny być 100 razy mniejsze:

Rozważania o rezystancji obciążenia

Wydaje się to idealne, prawda? Mniejsze rozproszenie mocy oznacza niższą temperaturę pracy zarówno diody, jak i rezystora, a także mniejszą ilość zmarnowanej energii w układzie, prawda? Większa wartość rezystancji rzeczywiście zmniejsza poziom rozpraszania mocy w układzie, ale niestety wprowadza kolejny problem. Pamiętajmy, że celem obwodu regulatora jest dostarczenie stabilnego napięcia do innego obwodu. Innymi słowy, w końcu będziemy chcieli zasilić coś napięciem 12,6 V, a to coś będzie miało swój własny pobór prądu.

Rozważania na temat rezystora obniżającego napięcie

Rozważmy nasz pierwszy obwód regulatora, tym razem z obciążeniem 500 Ω połączonym równolegle z diodą Zenera na rysunku poniżej.

Regulator Zenera z rezystorem szeregowym 1000 Ω i obciążeniem 500 Ω.

Jeśli napięcie 12,6 V jest utrzymywane przez obciążenie 500 Ω, obciążenie będzie pobierać prąd o natężeniu 25,2 mA. Aby szeregowy rezystor „upuszczający” 1 kΩ mógł upuścić 32,4 V (zmniejszając napięcie zasilania 45 V do 12,6 V przez Zenera), musi on jeszcze przewodzić prąd o natężeniu 32,4 mA. To pozostawia 7,2 mA prądu przez diodę Zenera.

Rozważania dotyczące rezystora obniżającego o wyższej wartości

Rozważmy teraz nasz „energooszczędny” obwód regulatora z rezystorem obniżającym 100 kΩ, dostarczającym prąd do tego samego obciążenia 500 Ω. Jego zadaniem jest utrzymanie napięcia 12,6 V na obciążeniu, tak jak w poprzednim układzie. Jednak, jak zobaczymy, nie może on wykonać tego zadania. (Rysunek poniżej)

Nieregulator Zenera z rezystorem szeregowym 100 KΩ z obciążeniem 500 Ω.>

Przy założeniu większej wartości rezystora obniżającego, na obciążeniu 500 Ω będzie tylko około 224 mV napięcia, znacznie mniej niż oczekiwana wartość 12,6 V! Dlaczego tak jest? Gdybyśmy rzeczywiście mieli 12,6 V na obciążeniu, pobierałoby ono 25,2 mA prądu, tak jak poprzednio. Ten prąd obciążenia musiałby przejść przez szeregowy rezystor obniżający, tak jak poprzednio, ale z nowym (znacznie większym!) rezystorem obniżającym na miejscu, napięcie spadające przez ten rezystor, przez który płynie prąd o natężeniu 25,2 mA, wynosiłoby 2520 woltów! Ponieważ oczywiście nie mamy tak dużego napięcia dostarczanego przez baterię, taka sytuacja nie może się zdarzyć.

Analiza większego oporu upuszczania bez diody Zenera

Sytuację łatwiej zrozumieć, jeśli tymczasowo usuniemy diodę Zenera z obwodu i przeanalizujemy zachowanie samych dwóch oporników na poniższym rysunku.

Nierejestrator z usuniętą diodą Zenera.

Obie rezystory upustowy 100 kΩ i obciążeniowy 500 Ω są ze sobą połączone szeregowo, co daje całkowitą rezystancję obwodu 100,5 kΩ. Przy całkowitym napięciu 45 V i całkowitej rezystancji 100,5 kΩ, prawo Ohma (I=E/R) mówi nam, że natężenie prądu wyniesie 447,76 µA. Wyliczając spadki napięć na obu opornikach (E=IR), otrzymujemy odpowiednio 44,776 V i 224 mV.

Gdybyśmy w tym miejscu ponownie zamontowali diodę Zenera, to będąc równolegle z rezystancją obciążenia „zobaczyłaby” 224 mV również na niej. Jest to znacznie poniżej napięcia przebicia diody Zenera, a więc nie będzie ona „pękać” i przewodzić prądu. Co więcej, przy tak niskim napięciu dioda nie przewodziłaby nawet gdyby była spolaryzowana w przód! Dioda przestaje więc regulować napięcie. Aby ją „uaktywnić”, musi spaść na nią napięcie co najmniej 12,6 V.

Technika analityczna polegająca na usunięciu diody Zenera z obwodu i sprawdzeniu, czy jest na niej wystarczające napięcie, aby zaczęła przewodzić, jest rozsądna. Tylko dlatego, że dioda Zenera jest podłączona w obwodzie, nie gwarantuje, że zawsze będzie na niej padać pełne napięcie Zenera! Pamiętaj, że diody Zenera działają poprzez ograniczanie napięcia do pewnego maksymalnego poziomu; nie mogą one uzupełniać braku napięcia.

Reguły w działaniu regulacyjnym diody Zenera

Podsumowując, każdy obwód regulacyjny z diodą Zenera będzie działał tak długo, jak długo rezystancja obciążenia będzie równa lub większa od pewnej minimalnej wartości. Jeśli rezystancja obciążenia jest zbyt mała, będzie ono pobierało zbyt duży prąd, obniżając zbyt duże napięcie na szeregowym rezystorze obniżającym, pozostawiając niewystarczające napięcie na diodzie Zenera, aby mogła ona przewodzić. Kiedy dioda Zenera przestanie przewodzić prąd, nie może już regulować napięcia, a napięcie obciążenia spadnie poniżej punktu regulacji.

Obliczanie rezystancji obciążenia dla pewnych rezystorów obniżających

Nasz obwód regulatora z rezystorem obniżającym 100 kΩ musi być jednak dobry dla pewnej wartości rezystancji obciążenia. Aby znaleźć tę akceptowalną wartość rezystancji obciążenia, możemy skorzystać z tabeli do obliczania rezystancji w obwodzie szeregowym z dwoma rezystorami (bez diody), wstawiając znane wartości napięcia całkowitego i rezystancji rezystora upuszczającego, i obliczając dla oczekiwanego napięcia obciążenia 12.6 V:

Przy 45 V całkowitego napięcia i 12,6 V na obciążeniu, powinniśmy mieć 32,4 V na rezystorze upustowym:

Przy 32.4 V przez rezystor upustowy, a w nim rezystancję o wartości 100 kΩ, prąd przez niego płynący wyniesie 324 µA:

Będąc obwodem szeregowym, prąd przez wszystkie elementy w danej chwili jest równy:

Obliczenie rezystancji obciążenia jest teraz prostą sprawą z prawa Ohma (R = E/I), dając nam 38.889 kΩ:

Tak więc, jeśli rezystancja obciążenia wynosi dokładnie 38,889 kΩ, będzie na nim 12,6 V, dioda czy nie dioda. Każda rezystancja obciążenia mniejsza niż 38,889 kΩ spowoduje, że napięcie obciążenia będzie mniejsze niż 12,6 V, dioda czy bez diody. Z diodą na miejscu, napięcie obciążenia będzie regulowane do maksimum 12,6 V dla każdej rezystancji obciążenia większej niż 38,889 kΩ.

Przy oryginalnej wartości 1 kΩ dla rezystora upuszczającego, nasz układ regulatora był w stanie odpowiednio regulować napięcie nawet dla rezystancji obciążenia tak małej jak 500 Ω. To co widzimy to kompromis pomiędzy rozproszeniem mocy a akceptowalną rezystancją obciążenia. Wyższa wartość rezystora obniżającego dała nam mniejszy pobór mocy, kosztem zwiększenia akceptowalnej minimalnej wartości rezystancji obciążenia. Jeśli chcemy regulować napięcie dla niskich wartości rezystancji obciążenia, obwód musi być przygotowany na wyższe rozproszenie mocy.

Jak dioda Zenera reguluje napięcie

Diody Zenera regulują napięcie działając jako komplementarne obciążenia, pobierając więcej lub mniej prądu w zależności od potrzeby, aby zapewnić stały spadek napięcia na obciążeniu. Jest to analogiczne do regulowania prędkości samochodu poprzez hamowanie, a nie przez zmianę pozycji przepustnicy: nie tylko jest to marnotrawstwo, ale hamulce muszą być tak skonstruowane, aby obsłużyć całą moc silnika, gdy warunki jazdy tego nie wymagają.

Pomimo tej podstawowej nieefektywności konstrukcji, obwody regulatorów z diodami Zenera są powszechnie stosowane ze względu na ich prostotę. W zastosowaniach o dużej mocy, gdzie nieefektywność byłaby nie do zaakceptowania, stosuje się inne techniki regulacji napięcia. Ale nawet wtedy, małe układy oparte na diodach Zenera są często używane do zapewnienia napięcia „referencyjnego” do wysterowania bardziej wydajnego układu wzmacniacza kontrolującego główną moc.

Wspólne napięcia diod Zenera

Diody Zenera są produkowane w standardowych wartościach znamionowych napięcia wymienionych w tabeli poniżej. Tabela „Wspólne napięcia diod Zenera” wymienia wspólne napięcia dla elementów o mocy 0,3W i 1,3W. Moc odpowiada rozmiarowi matrycy i opakowania i jest to moc, którą dioda może rozproszyć bez uszkodzenia.

Wspólne napięcia diod Zenera

.

Kliper diodowy Zenera: Obwód obcinający, który obcina szczyty fali w przybliżeniu na poziomie napięcia Zenera diod. Obwód z rysunku poniżej ma dwie diody Zenera połączone szeregowo przeciwstawnie, aby symetrycznie obcinać przebieg przy napięciu zbliżonym do napięcia Zenera. Rezystor ogranicza prąd pobierany przez Zenery do bezpiecznej wartości.

.

*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 

Dioda Zenera clipper:

Napięcie przebicia Zenera dla diod jest ustawione na 10 V przez parametr modelu diody „bv=10” na liście siatek spice na rysunku powyżej. Powoduje to, że diody Zenera obcinają się przy około 10 V. Diody back-to-back obcinają oba szczyty. Dla dodatniego półcyklu, górny Zener jest odwrotnie spolaryzowany, co powoduje przerwanie przy napięciu Zenera równym 10 V. Dolny Zener spada o około 0,7 V, ponieważ jest spolaryzowany do przodu. Dlatego dokładniejszy poziom odcięcia to 10+0,7=10,7V. Podobne ujemne obcinanie półcyklu występuje przy -10,7 V. (Rysunek poniżej) pokazuje poziom obcinania przy nieco ponad ±10 V.

Dioda Zenera: wejście v(1) jest obcinane przy przebiegu v(2).

PRZEGLĄD:

• Diody Zenera są przeznaczone do pracy w trybie reverse-bias, zapewniając stosunkowo niskie, stabilne napięcie przebicia, czyli napięcie Zenera, przy którym zaczynają przewodzić znaczny prąd wsteczny.
• Dioda Zenera może funkcjonować jako regulator napięcia, działając jako dodatkowe obciążenie, pobierając więcej prądu ze źródła, jeśli napięcie jest zbyt wysokie, a mniej, jeśli jest zbyt niskie.

PODRĘCZNIKI:

• Dioda Zenera Arkusz roboczy
• Projekt projektowy: Regulator napięcia stałego arkusz roboczy

.