Diodele Zener

Introducere

Diodele sunt, în general, cunoscute ca un dispozitiv care permite fluxul de curent într-o singură direcție (polarizat înainte) și oferă rezistență la fluxul de curent atunci când sunt utilizate în polarizare inversă. Dioda Zener (denumită după omul de știință american C. Zener, care a explicat pentru prima dată principiile sale operaționale), pe de altă parte, nu numai că permite fluxul de curent atunci când este utilizat în polarizare directă, dar permit și fluxul de curent atunci când este utilizat în polarizarea inversată până acum tensiunea aplicată este peste tensiunea de avarie cunoscută sub numele de tensiunea de avarie Zener. Sau cu alte cuvinte Tensiunea de defalcare este tensiunea pe care dioda Zener începe să conducă în direcție inversă.

Principiul operațional al diodei Zener:

În diodele normale, tensiunea de avarie este foarte mare și dioda se deteriorează total dacă se aplică o tensiune peste dioda de avarie, dar în diodele Zener, tensiunea de avarie nu este la fel de mare și nu duce la deteriorarea permanentă a diodei zener dacă se aplică tensiunea.

Pe măsură ce tensiunea inversă aplicată diodei Zener crește către tensiunea de rupere specificată (Vz), un curent începe să curgă prin diodă și acest curent este cunoscut sub numele de curent Zener și acest proces este cunoscut sub numele de avalanșă . Curentul crește la maxim și se stabilizează. Acest curent rămâne constant pe o gamă mai largă de tensiune aplicată și permite diodei Zener să reziste la o tensiune mai mare fără a se deteriora. Acest curent este determinat de rezistorul de serie.

Luați în considerare imaginile de mai jos ale unei diode normale în acțiune.

Pentru a arăta operațiunile diodei zener, luați în considerare cele două experimente (A și B) de mai jos.

În Experimentul A, o diodă zener de 12V este conectată în polarizare inversă, așa cum se arată în imagine și se poate observa că dioda zener a blocat tensiunea în mod eficient, deoarece era mai mică / egală cu tensiunea de rupere a diodei zener particulare și a lămpii astfel a rămas oprit.

În Experimentul B, o diodă Zener 6v utilizată conduce (becul se aprinde) invers polarizat, deoarece tensiunea aplicată este mai mare decât tensiunea sa de avarie și astfel arată că regiunea de avarie este regiunea de funcționare a diodei zener.

Curent-tensiune curba caracteristică diodă Zener este prezentată mai jos.

Din grafic, se poate deduce că dioda zener acționată în modul polarizare inversă va avea o tensiune destul de constantă, indiferent de cantitatea de curent furnizată.

Aplicații ale diodei Zener:

Diodele Zener sunt utilizate în trei aplicații principale în circuitele electronice;

1. Regulamentul tensiunii

2. Formă de undă Clipper

3. Schimbator de tensiune

1. Zener Diode ca regulator de tensiune

Aceasta este, probabil, cea mai comună aplicație a diodelor zener.

Această aplicație a diodelor zener se bazează în mare măsură pe capacitatea diodelor zener de a menține o tensiune constantă, indiferent de variațiile curentului de alimentare sau de încărcare. Funcția generală a unui dispozitiv de reglare a tensiunii este de a furniza o tensiune de ieșire constantă unei sarcini conectate în paralel cu acesta, indiferent de variațiile energiei trase de sarcină (curent de sarcină) sau de variațiile și instabilitatea tensiunii de alimentare.

Dioda Zener va furniza tensiune constantă, cu condiția ca curentul să rămână în intervalul curentului invers maxim și minim.

Schema de circuit care arată dioda Zener utilizată ca regulator de tensiune este prezentată mai jos.

Un rezistor, R1 este conectat în serie cu dioda zener pentru a limita cantitatea de curent care curge prin diodă și tensiunea de intrare Vin (care trebuie să fie mai mare decât tensiunea zener) este conectată, așa cum se arată în imagine și tensiunea de ieșire Vout, este preluat de-a lungul diodei zener cu Vout = Vz (Zener Voltage). Deoarece caracteristicile de polarizare inversă ale diodei zener sunt ceea ce este necesar pentru reglarea tensiunii, aceasta este conectată în modul de polarizare inversă, catodul fiind conectat la șina pozitivă a circuitului.

Trebuie avut grijă la selectarea valorii rezistorului R1, deoarece un rezistor cu valoare mică va avea ca rezultat un curent mare de diodă atunci când sarcina este conectată și acest lucru va crește necesarul de disipare a puterii diodei care ar putea deveni mai mare decât puterea maximă zenerului și l-ar putea deteriora.

Valoarea rezistenței care trebuie utilizată poate fi determinată folosind formula de mai jos.

R ₁ = (V _în - V _Z) / I _Z Unde; R1 este valoarea rezistenței în serie. Vin este tensiunea de intrare. Vz care este același cu Vout este tensiunea Zener, iar Iz este curentul zener.

Prin utilizarea acestei formule devine ușor să vă asigurați că valoarea rezistorului selectat nu duce la un flux de curent mai mare decât ceea ce poate face Zener.

O mică problemă cu circuitele de reglare bazate pe diode zener este că Zener generează uneori zgomot electric pe șina de alimentare, încercând în același timp să regleze tensiunea de intrare. Deși acest lucru nu poate fi o problemă pentru majoritatea aplicațiilor, această problemă poate fi rezolvată prin adăugarea unui condensator de decuplare de valoare mare pe diodă. Acest lucru ajută la stabilizarea ieșirii zenerului.

2. Zener Diode ca forma de undă Clipper

Una dintre utilizările diodelor normale este în aplicarea circuitelor de tăiere și de prindere, care sunt circuite care sunt utilizate pentru a modela sau modifica o formă de undă sau un semnal de curent alternativ de intrare, producând un semnal de ieșire de formă diferită, în funcție de specificațiile tunsorului sau clemerei.

Circuitele Clippers sunt în mod generic circuite care sunt utilizate pentru a împiedica semnalul de ieșire al unui circuit să depășească o valoare de tensiune prestabilită fără a schimba nicio altă parte a semnalului de intrare sau a formei de undă.

Aceste circuite împreună cu cleme sunt utilizate pe scară largă în televizoarele analogice și emițătoarele radio FM pentru îndepărtarea interferențelor (circuite de prindere) și limitarea vârfurilor de zgomot prin tăierea vârfurilor înalte.

Deoarece diodele Zener se comportă generic ca niște diode normale atunci când tensiunea aplicată nu este egală cu tensiunea de rupere, ele sunt, de asemenea, utilizate în circuitele de tăiere.

Circuitele de decupare ar putea fi proiectate pentru a decupa semnalul fie în regiunile pozitive, negative, fie în ambele. Deși dioda se va decupa în mod natural de cealaltă regiune la 0,7 V, indiferent dacă a fost proiectată ca un dispozitiv de tăiere pozitiv sau negativ.

De exemplu, luați în considerare circuitul de mai jos.

Circuitul de tăiere este conceput pentru a tăia semnalul de ieșire la 6,2v, deci a fost utilizată o diodă zener de 6,2v. Dioda zener împiedică semnalul de ieșire să depășească tensiunea zener, indiferent de forma de undă de intrare. Pentru acest exemplu particular, a fost utilizată o tensiune de intrare de 20v, iar tensiunea de ieșire pe oscilația pozitivă a fost de 6,2v în concordanță cu tensiunea diodei zener. Cu toate acestea, în timpul oscilației negative a tensiunii de curent alternativ, dioda zener se comportă la fel ca dioda normală și fixează tensiunea de ieșire la 0,7 V, în concordanță cu diodele de silicon normale.

Pentru a implementa circuitul de decupare pentru oscilația negativă a circuitului de curent alternativ, precum și oscilația pozitivă în așa fel încât tensiunea să fie decupată la diferite niveluri pe oscilația pozitivă și negativă, se utilizează un circuit de decupare zener dublu. Schema circuitului pentru circuitul de decupare zener dublu este prezentată mai jos.

În circuitul de decupare de mai sus, tensiunea Vz2 reprezintă tensiunea pe oscilația negativă a sursei AC la care se dorește să fie decupat semnalul de ieșire, în timp ce tensiunea Vz1 reprezintă tensiunea pe oscilația pozitivă a sursei AC la care tensiunea de ieșire se dorește a fi decupată.

3. Zener Diode ca Voltage Shifter

Schimbatorul de tensiune este una dintre cele mai simple, dar interesante aplicații ale diodei zener. Dacă ați avut experiență în special în conectarea unui senzor de 3,3 V la un MCU de 5 V și ați văzut din prima mână erorile din citiri etc., că acest lucru poate duce la ele, veți aprecia importanța schimbătorilor de tensiune. Schimbatoarele de tensiune ajută la convertirea semnalului de la o tensiune la alta și, cu capacitatea diodei zener de a menține o tensiune de ieșire constantă în regiunea de avarie, le face o componentă ideală pentru operație.

Într-un schimbător de tensiune bazat pe dioda zenerică, circuitul scade tensiunea de ieșire, cu o valoare egală cu tensiunea de rupere a diodei zener specifice care este utilizată. Schema circuitului pentru schimbătorul de tensiune este ilustrată mai jos.

Luați în considerare experimentul de mai jos,

Circuitul descrie un schimbător de tensiune bazat pe diode zener de 3,3v. Tensiunea de ieșire (3,72V) a circuitului este dată prin scăderea tensiunii de rupere (3,3V) a diodei zener din tensiunea de intrare (7V).

Vout = Vin –Vz

Vout = 7 - 3,3 = 3,7v

Schimbatorul de tensiune, așa cum am descris mai devreme, are mai multe aplicații în proiectarea modernă a circuitelor electronice, deoarece inginerul de proiectare poate fi nevoit să lucreze cu până la trei niveluri de tensiune diferite, uneori în timpul procesului de proiectare.

Tipuri de diode Zener:

Diodele Zener sunt clasificate în tipuri pe baza mai multor parametri care includ;

1. Tensiunea nominală
2. Disiparea puterii
3. Curent de transmisie înainte
4. Tensiunea înainte
5. Tipul ambalajului
6. Curent invers maxim

Tensiunea nominală

Tensiunea nominală de funcționare a unei diode zener este, de asemenea, cunoscută sub numele de tensiunea de avarie a diodei zener, în funcție de aplicația pentru care urmează să fie utilizată dioda, acesta fiind adesea cel mai important criteriu pentru selectarea diodei Zener.

Disiparea puterii

Aceasta reprezintă cantitatea maximă de putere pe care curentul zener o poate disipa. Depășirea acestei puteri conduce la creșterea excesivă a temperaturii diodei zener, care ar putea să o deterioreze și să conducă la defectarea lucrurilor conectate la aceasta într-un circuit. Astfel, acest factor ar trebui luat în considerare la selectarea diodei, având în vedere utilizarea.

Curent maxim Zener

Acesta este curentul maxim care poate fi trecut prin dioda zener la tensiunea zener fără a deteriora dispozitivul.

Curent minim Zener

Aceasta se referă la curentul minim necesar pentru ca dioda zener să înceapă să funcționeze în regiunea de avarie.

Alți parametri care servesc drept specificație pentru diodă trebuie să fie luați în considerare pe deplin înainte de a se lua o decizie cu privire la tipul diodei zener necesare pentru acel design particular.

Concluzie:

Iată 5 puncte pe care nu trebuie să le uitați niciodată despre dioda zener.

1. O diodă zener este ca o diodă obișnuită doar că a fost dopată pentru a avea o tensiune de rupere ascuțită.
2. Dioda Zener menține o tensiune de ieșire stabilă, indiferent de tensiunea de intrare, cu condiția să nu fie depășit curentul zener maxim.
3. Când este conectat în polarizare directă, dioda zener se comportă exact ca dioda normală din silicon. Conduce cu aceeași cădere de tensiune de 0,7v care însoțește utilizarea diodei normale.
4. Starea operațională implicită a diodei zener se află în regiunea de defalcare (polarizată inversată). Înseamnă că de fapt începe să funcționeze atunci când tensiunea aplicată este mai mare decât tensiunea Zener în polarizare inversă.
5. Dioda zener este utilizată mai ales în aplicații care implică, reglarea tensiunii, circuite de tăiere și schimbătoare de tensiune.