Zenera diode shēmas, raksturojums, aprēķini

Zenera diodes, kas nosauktas pēc izgudrotāja Dr. Karla Zenera, tiek izmantotas elektroniskās shēmās precīzu sprieguma atsauču ģenerēšanai. Tās ir ierīces, kas spēj radīt praktiski nemainīgu spriegumu starp tām neatkarīgi no ķēdes un sprieguma situāciju izmaiņām.

Ārēji zenera diodes var būt daudz līdzīgas standarta diodēm, piemēram, 1N4148. Zenera diodes darbojas arī līdzsvarojot maiņstrāvu pulsējošā līdzstrāvā tāpat kā to tradicionālās alternatīvas. Tomēr pretēji standarta taisngriežu diodēm zenera diodes tiek konfigurētas ar to katodu, kas tieši savienots ar padeves pozitīvo, un anodu ar negatīvo padevi.

Raksturlielumi

Standarta konfigurācijā Zenera diodēm ir augsta pretestība zem noteikta kritiskā sprieguma (pazīstama kā Zerier spriegums). Pārsniedzot šo specifisko kritisko spriegumu, Zenera diodes aktīvā pretestība nokrītas līdz ārkārtīgi zemam līmenim.

Ar šo zemo pretestības vērtību Zeners tiek turēts efektīvs pastāvīgs spriegums, un var sagaidīt, ka šis nemainīgais spriegums saglabāsies neatkarīgi no avota strāvas izmaiņām.

Vienkārši sakot, ikreiz, kad barošana pāri zenera diodei pārsniedz nominālo zener vērtību, zenera diode vada un pamato lieko spriegumu. Tāpēc spriegums nokrītas zem zenera sprieguma, kas izslēdz zeneru, un barošana atkal mēģina pārsniegt zenera spriegumu, vēlreiz ieslēdzot zeneru. Šis cikls ātri atkārtojas, kā rezultātā izeja tiek stabilizēta tieši pie nemainīgas zenera sprieguma vērtības.

Šis raksturlielums ir grafiski izcelts zemāk redzamajā attēlā, kas norāda, ka virs 'Zenera sprieguma' reversais spriegums turpina būt gandrīz nemainīgs pat ar pretējās strāvas izmaiņām. Tā rezultātā Zenera diodes bieži izmanto, lai iegūtu pastāvīgu sprieguma kritumu vai standartspriegumu ar to iekšējo pretestību.

Zenera diodes ir konstruētas ar lielu jaudu un spriegumu, kas svārstās no 2,7 līdz 200 voltiem. (Tomēr pārsvarā gandrīz nekad netiek izmantotas Zener diodes, kuru vērtība ir krietni virs 30 voltiem.)

Zenera diode pamata ķēdes darbība

Standarta sprieguma regulatora ķēdi, izmantojot vienu rezistoru un Zenera diode, var redzēt šajā attēlā. Pieņemsim, ka Zenera diode ir 4,7 V un barošanas spriegums V in 8,0 V.

Zenera diode pamata darbību var izskaidrot ar šādiem punktiem:

Ja zenera diodes izejā nav slodzes, var redzēt, ka pāri Zenera diodei tiek nomests 4,7 volti, bet pretestībā R tiek izveidots nogriezts 2,4 volti.

Tagad, ja tiek mainīts ieejas spriegums, iedomāsimies, ka no 8,0 līdz 9,0 V sprieguma kritums pāri Zener joprojām saglabās nominālo 4,7 V.

Tomēr spēja sprieguma kritumu pret rezistoru R paaugstināt no 2,4 V līdz 3,4 V.

Var sagaidīt, ka ideālā Zener sprieguma kritums būs diezgan nemainīgs. Praktiski jums var šķist, ka spriegums pāri zeneram nedaudz palielinās Zener dinamiskās pretestības dēļ.

Procedūra, ar kuras palīdzību tiek aprēķināta Zenera sprieguma izmaiņa, reizinot zenera dinamisko pretestību ar Zenera strāvas izmaiņām.

Rezistors R1 iepriekš minētajā regulatora pamata konstrukcijā simbolizē vēlamo slodzi, kuru var savienot ar zeneru. R1 šajā sakarā piesaistīs noteiktu strāvas daudzumu, kas virzījās caur Zener.

Tā kā strāva Rs būs lielāka nekā strāva, kas nonāk slodzē, strāvas daudzums turpinās iet caur Zener, ļaujot pilnīgi pastāvīgam spriegumam pāri Zener un slodzei.

Norādītie sērijas rezistori Rs jānosaka tā, lai zemākā strāva, kas nonāk Zener, vienmēr būtu augstāka par minimālo līmeni, kas noteikts stabilai regulēšanai no Zener. Šis līmenis sākas tieši zem apgrieztās sprieguma / reversās strāvas līknes “ceļa”, kā uzzināts no iepriekšējās iepriekšējās grafiskās diagrammas.

Jums papildus jāpārliecinās, ka R atlase nodrošina, ka strāva, kas iet caur Zenera diode, nekad nepārsniedz tās jaudas līmeni: kas var būt līdzvērtīgs Zenera spriegumam x Zenera strāvai. Tas ir lielākais strāvas daudzums, kas var iziet cauri Zenera diodei, ja nav slodzes R1.

Kā aprēķināt Zenera diodes

Pamata zener ķēdes projektēšana faktiski ir vienkārša, un to var īstenot, izmantojot šādas instrukcijas:

1. Nosakiet maksimālo un minimālo slodzes strāvu (Li), piemēram, 10 mA un 0 mA.
2. Nosakiet maksimālo barošanas spriegumu, kas var attīstīties, piemēram, 12 V līmeni, vienlaikus nodrošinot, ka minimālais barošanas spriegums vienmēr ir = 1,5 V + Vz (zenera sprieguma vērtējums).
3. Kā norādīts regulatora pamata projektā, nepieciešamais izejas spriegums, kas ir ekvivalents Zenera spriegums Vz = 4,7 volti, un izvēlētais zemākā Zener strāva ir 100 mikroampi . Tas nozīmē, ka maksimālā paredzētā Zener strāva šeit ir 100 mikroampi plus 10 miliamps, kas ir 10,1 miliamps.
4. Sērijveida rezistoram Rs jānodrošina minimālais strāvas daudzums 10,1 mA, pat ja ieejas padeve ir zemākā noteiktā līmenī, kas ir par 1,5 V augstāka par izvēlēto zenera vērtību Vz, un to var aprēķināt, izmantojot Ohma likumu: Rs = 1,5 / 10,1 x 10^-3= 148,5 omi. Šķiet, ka tuvākā standarta vērtība ir 150 omi, tāpēc Rs var būt 150 omi.
5. Ja barošanas spriegums palielinās līdz 12 V, sprieguma kritums pāri Rs būs Iz x Rs, kur Iz = strāva caur zeneru. Tāpēc, piemērojot Ohma likumu, mēs iegūstam Iz = 12 - 4,7 / 150 = 48,66 mA
6. Iepriekš minētā ir maksimālā strāva, kurai ļaus iziet caur zenera diode. Citiem vārdiem sakot, maksimālā strāva, kas var plūst maksimālās izejas slodzes vai maksimālās norādītās barošanas sprieguma ieejas laikā. Šādos apstākļos zenera diode izkliedēs Iz x Vz = 48,66 x 4,7 = 228 mW jaudu. Tuvākā standarta jaudas vērtība, lai to izpildītu, ir 400 mW.

Temperatūras ietekme uz Zenera diodēm

Zenera diodes kopā ar sprieguma un slodzes parametriem ir arī diezgan izturīgas pret temperatūras svārstībām ap tām. Tomēr augstāk par temperatūru ierīce var nedaudz ietekmēt, kā norādīts zemāk redzamajā diagrammā:

Tas parāda zenera diode temperatūras koeficienta līkni. Lai gan pie augstāka sprieguma koeficienta līkne reaģē ar aptuveni 0,1% uz Celsija grādu, tā 5 V robežās pārvietojas caur nulli un pēc tam zemākiem sprieguma līmeņiem kļūst negatīva. Galu galā tas sasniedz -0,04% uz Celsija grādu pie aptuveni 3,5 V.

Izmantojot temperatūras sensoru Zenera diode

Viens labs Zenera diode jutības pret temperatūras izmaiņām pielietojums ir ierīces lietošana kā temperatūras sensora ierīce, kā parādīts šajā diagrammā

Diagrammā parādīts tilta tīkls, kas izveidots, izmantojot rezistoru pāri un Zenera diodes ar identiskām īpašībām. Viena no zenera diodēm darbojas kā atskaites sprieguma ģenerators, bet otra zenera diode tiek izmantota temperatūras līmeņa izmaiņu uztveršanai.

Standarta 10 V Zener temperatūras koeficients var būt + 0,07% / ° C, kas var atbilst 7 mV / ° C temperatūras svārstībām. Tas radīs aptuveni 7 mV nelīdzsvarotību starp abām tilta svirām katrai atsevišķai temperatūras svārstībai pēc Celsija. Norādītajā pozīcijā atbilstošo temperatūras rādījumu rādīšanai var izmantot 50 mV pilnu FSD skaitītāju.

Zenera diode vērtības pielāgošana

Dažām shēmas lietojumprogrammām var būt nepieciešama precīza zenera vērtība, kas var būt nestandarta vērtība vai vērtība, kas nav viegli pieejama.

Šādos gadījumos var izveidot zenera diodu masīvu, ko pēc tam var izmantot, lai iegūtu vēlamo pielāgoto zenera diode vērtību, kā parādīts zemāk:

Šajā piemērā dažādos terminālos var iegūt daudzas pielāgotas, nestandarta zener vērtības, kā aprakstīts šajā sarakstā:

Jūs varat izmantot citas vērtības norādītajās pozīcijās, lai iegūtu daudz citu pielāgotu zener diode izejas komplektu

Zenera diodes ar maiņstrāvas padevi

Zeners diodes parasti lieto kopā ar līdzstrāvas avotiem, tomēr šīs ierīces var veidot arī darbam ar maiņstrāvas avotiem. Daži zenera diodes maiņstrāvas lietojumi ietver audio, RF shēmas un cita veida maiņstrāvas vadības sistēmas.

Kā parādīts zemāk esošajā piemērā, kad maiņstrāvas padevi lieto kopā ar zenera diode, zener nekavējoties darbosies, tiklīdz maiņstrāvas signāls pāriet no nulles uz cikla negatīvo pusi. Tā kā signāls ir negatīvs, tāpēc maiņstrāva caur anodu līdz zenera katodam tiks saīsināta, izraisot 0 V parādīšanos.

Kad maiņstrāvas padeve virzās pāri pozitīvajai cikla pusei, zener nedarbojas, kamēr maiņstrāva nav uzkāpusi līdz zenera sprieguma līmenim. Kad maiņstrāvas signāls šķērso zenera spriegumu, zeneris vada un stabilizē izeju līdz 4,7 V līmenim, līdz maiņstrāvas cikls atkal nokrīt līdz nullei.

Atcerieties, ka, izmantojot zeneru ar maiņstrāvas ieeju, pārliecinieties, ka Rs tiek aprēķināts atbilstoši maiņstrāvas maksimālajam spriegumam.

Iepriekš minētajā piemērā izeja nav simetriska, drīzāk pulsējoša 4,7 V DC. Lai iegūtu simetrisku 4,7 V maiņstrāvu pie izejas, varētu savienot divus aizmugurējos zenerus, kā parādīts zemāk redzamajā diagrammā

Zenera diode trokšņa slāpēšana

Lai gan zenera diodes nodrošina ātru un ērtu veidu, kā izveidot stabilizētas fiksētas sprieguma izejas, tam ir viens trūkums, kas var ietekmēt jutīgas audio shēmas, piemēram, jaudas pastiprinātājus.

Zenera diodes, darbojoties, rada troksni, jo to savienojuma lavīnas efekts pārslēgšanās laikā svārstās no 10 uV līdz 1 mV. To var nomākt, pievienojot kondensatoru paralēli zenera diode, kā parādīts zemāk:

Kondensatora vērtība var būt no 0,01uF līdz 0,1uF, kas ļaus trokšņu slāpēšanu ar koeficientu 10 un saglabās vislabāko iespējamo sprieguma stabilizāciju.

Šajā diagrammā parādīts kondensatora efekts zenera diode trokšņa samazināšanai.

Zener izmantošana pulsācijas sprieguma filtrēšanai

Zenera diodes var izmantot arī kā efektīvus pulsācijas sprieguma filtrus, tāpat kā tos izmanto maiņstrāvas sprieguma stabilizēšanai.

Sakarā ar ārkārtīgi zemo dinamisko pretestību zenera diodes spēj darboties kā pulsācijas filtrs tāpat kā filtra kondensators.

Ļoti iespaidīgu pulsācijas filtrēšanu var iegūt, savienojot Zenera diodi pāri slodzei ar jebkuru līdzstrāvas avotu. Šeit spriegumam jābūt tādam pašam kā pulsācijas silei.

Lielākajā daļā ķēžu lietojumu tas var darboties tikpat efektīvi kā tipisks izlīdzināšanas kondensators ar vairāku tūkstošu mikrofaradu ietilpību, kā rezultātā ievērojami samazinās pulsācijas sprieguma līmenis, kas uzklāts uz līdzstrāvas izejas.

Kā palielināt Zener diode jaudas apstrādes jaudu

Vienkāršs veids, kā palielināt zenera diode jaudas apstrādes jaudu, iespējams, ir vienkārši savienot tos paralēli, kā parādīts zemāk:

Tomēr praktiski tas var nebūt tik vienkārši, kā izskatās, un var nedarboties, kā paredzēts. Tas notiek tāpēc, ka tāpat kā jebkurai citai pusvadītāju ierīcei, arī zeneriem nekad nav precīzi identiskas īpašības, tāpēc viens no zeneriem var vadīt, pirms otrs caur sevi velk visu strāvu, galu galā iznīcinot.

Ātrs veids, kā novērst šo problēmu, var būt zemu vērtību sērijas rezistoru pievienošana katram zenera diodam, kā parādīts zemāk, kas ļaus katram zenera diodim vienmērīgi sadalīt strāvu, kompensējot sprieguma kritumus, ko rada rezistori R1 un R2:

Lai gan jaudas apstrādes jaudu var palielināt, paralēli savienojot Zener diodes, daudz uzlabota pieeja var būt šunta BJT pievienošana kopā ar zenera diode, kas konfigurēts kā atskaites avots. Lūdzu, skatiet to pašu shematisko piemēru.

Šunta tranzistora pievienošana ne tikai palielina zenera jaudas apstrādes jaudu ar koeficientu 10, bet arī uzlabo izejas sprieguma regulēšanas līmeni, kas var būt tikpat augsts kā tranzistora norādītais strāvas pieaugums.

Šāda veida šunta tranzistora zenera regulatoru var izmantot eksperimentāliem mērķiem, jo ​​ķēdē ir 100% īssavienojuma droša iekārta. Tas nozīmē, ka dizains ir diezgan neefektīvs, jo tranzistors var izkliedēt ievērojamu strāvas daudzumu, ja nav slodzes.

Lai iegūtu vēl labākus rezultātus, a sērijas tranzistors regulatora tips, kā parādīts zemāk, izskatās labāks un vēlams.

Šajā ķēdē Zenera diode rada atsauces spriegumu virknes pārejas tranzistoram, kas būtībā darbojas kā izstarotājs sekotājs . Tā rezultātā izstarotāja spriegums tiek uzturēts starp dažām desmitdaļām tranzistora bāzes sprieguma volta, ko rada Zenera diode. Rezultātā tranzistors darbojas kā virknes komponents un ļauj efektīvi kontrolēt barošanas sprieguma svārstības.

Caur šīs sērijas tranzistoru tagad darbojas visa slodzes strāva. Šāda veida konfigurācijas jaudas apstrādes jaudu pilnībā nosaka tranzistoru vērtība un specifikācija, un tā ir atkarīga arī no izmantotā radiatora efektivitātes un kvalitātes.

Lielisku regulējumu varēja panākt, izmantojot iepriekš minēto konstrukciju, izmantojot 1k sērijas rezistoru. Regulējumu varētu palielināt ar koeficientu 10, aizstājot parasto zeneru ar īpašu zema dinamiskā zenera diode, piemēram, 1N1589

Gadījumā, ja vēlaties, lai iepriekš minētā ķēde nodrošinātu mainīgu sprieguma regulētu izeju, to var viegli sasniegt, izmantojot 1K potenciometru visā Zenera diodē. Tas ļauj regulēt mainīgu atsauces spriegumu virknes tranzistora pamatnē.

Tomēr šī modifikācija var izraisīt zemāku regulēšanas efektivitāti, pateicoties potenciometra radītajam manevrēšanas efektam.

Pastāvīgas strāvas Zenera diode ķēde

Vienkāršu Zener regulētu pastāvīgas strāvas padevi var projektēt caur vienu tranzistoru kā mainīgas sērijas rezistoru. Zemāk redzamais attēls parāda pamata ķēdes shēmu.

Šeit jūs varat redzēt ķēdes eju pārus, vienu caur zenera diode, kas sērijveidā savienots ar novirzes rezistoru, bet otrs ceļš ir caur rezistoriem R1, R2 un virknes tranzistoriem.

Gadījumā, ja strāva novirzās no sākotnējā diapazona, tas rada proporcionālas izmaiņas R3 novirzes līmenī, kas savukārt liek sērijveida tranzistora pretestībai proporcionāli palielināties vai samazināties.

Šī tranzistora pretestības korekcija rada automātisku izejas strāvas korekciju līdz vēlamajam līmenim. Strāvas vadības precizitāte šajā konstrukcijā būs aptuveni +/- 10%, reaģējot uz izejas apstākļiem, kas var svārstīties starp īssavienojumu un slodzi līdz 400 Ohm.

Secīga releja komutācijas shēma, izmantojot Zener diode

Ja jums ir lietojumprogramma, kurā releju kopa ir jāmaina secīgi pēc kārtas uz strāvas slēdzi, nevis jāaktivizē visi kopā, tad šāds dizains var izrādīties diezgan ērts.

Šeit secīgi pieaugošās zenera diodes tiek uzstādītas virknē ar releju grupu kopā ar atsevišķiem mazvērtīgiem sērijas rezistoriem. Kad barošana ir ieslēgta, zenera diodes secīgi darbojas secīgi, palielinot to zener vērtību. Tā rezultātā relejs ieslēdzas secībā, kā to vēlas lietojumprogramma. Rezistoru vērtības var būt 10 omi vai 20 omi atkarībā no releja spoles pretestības vērtības.

Zenera diode ķēde aizsardzībai pret pārspriegumu

Sakarā ar to sprieguma jutīgo raksturlielumu, ir iespējams apvienot Zenera diodes ar strāvas jutīgo drošinātāju raksturojumu, lai pasargātu svarīgas ķēdes sastāvdaļas no augstsprieguma lēcieniem un papildus novērstu drošinātāju problēmu bieži pūst, kas var notikt it īpaši, ja drošinātāju vērtējums ir ļoti tuvu ķēdes darba strāvas specifikācijai.

Savienojot pareizi nominētu Zener diode pāri slodzei, var izmantot drošinātāju, kas ir piemērots, lai ilgstoši darbotos ar paredzēto slodzes strāvu. Šajā situācijā pieņemsim, ka ieejas spriegums palielinās tādā mērā, ka tas pārsniedz Zenera sadalīšanās spriegumu - piespiedīs Zenera diode vadīt. Tas izraisīs pēkšņu strāvas palielināšanos, kas gandrīz uzreiz izdedzina drošinātāju.

Šīs ķēdes priekšrocība ir tā, ka tā novērš drošinātāja biežu un neparedzamu noplūdi, jo tā tuvu ir drošinātāja vērtība slodzes strāvai. Tā vietā drošinātājs izdeg tikai tad, kad spriegums un strāva patiešām pārsniedz noteikto nedrošo līmeni.

Zemsprieguma aizsardzības ķēde, izmantojot Zener diode

Relejs un atbilstoši izvēlēts zenera diode ir pietiekams, lai izveidotu precīzu zema sprieguma vai zem sprieguma izslēgtu aizsardzības ķēdi jebkuram vēlamajam lietojumam. Shēmas shēma ir parādīta zemāk:

Darbība faktiski ir ļoti vienkārša, piegāde Vin, kas iegūta no transformatoru tiltu tīkla, proporcionāli mainās atkarībā no ieejas maiņstrāvas izmaiņām. Tas nozīmē, ja pieņemsim, ka 220 V atbilst 12 V no transformatora, tad 180 V jāatbilst 9,81 V un tā tālāk. Tāpēc, ja tiek pieņemts, ka 180 V ir zema sprieguma izslēgšanas slieksnis, tad, izvēloties zenera diode kā 10 V ierīci, releja darbība tiks pārtraukta ikreiz, kad ieejas maiņstrāva samazināsies zem 180 V.