Dioda Zenera - co to jest i do czego służy?

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-02 14:01

Dioda Zenera to dioda półprzewodnikowa o wyjątkowych właściwościach. Jeżeli zwykły półprzewodnik po ponownym włączeniu jest izolatorem, to pełni tę funkcję aż do pewnego wzrostu przyłożonego napięcia, po czym następuje przebicie odwracalne przypominające lawinę. Wraz z dalszym wzrostem prądu wstecznego przepływającego przez diodę Zenera napięcie pozostaje stałe z powodu proporcjonalnego spadku rezystancji. W ten sposób możliwe jest osiągnięcie trybu stabilizacji.

W stanie zamkniętym mały prąd upływowy najpierw przechodzi przez diodę Zenera. Element zachowuje się jak rezystor, którego rezystancja jest duża. Podczas awarii rezystancja diody Zenera staje się znikoma. Jeśli nadal będziemy zwiększać napięcie na wejściu, element zaczyna się nagrzewać, a gdy prąd przekroczy dopuszczalną wartość, nieodwracalneprzebicie termiczne. Jeśli sprawa nie zostanie do tego podniesiona, gdy napięcie zmieni się od zera do górnej granicy obszaru roboczego, właściwości diody Zenera są zachowane.

Gdy dioda Zenera jest bezpośrednio włączona, charakterystyka jest taka sama jak diody. Gdy plus jest połączony z regionem p, a minus jest połączony z regionem n, rezystancja przejścia jest niewielka i prąd przepływa przez nią swobodnie. Wzrasta wraz ze wzrostem napięcia wejściowego.

Dioda Zenera to specjalna dioda podłączona głównie w przeciwnym kierunku. Element jest pierwszy w stanie zamkniętym. W przypadku awarii elektrycznej dioda Zenera utrzymuje stałe napięcie w szerokim zakresie prądu.

Minus jest przyłożony do anody, a plus do katody. Poza stabilizacją (poniżej punktu 2) następuje przegrzanie i wzrasta prawdopodobieństwo awarii elementu.

Funkcje

Parametry Zenera są następujące:

• U_st - napięcie stabilizacji przy prądzie znamionowym I_st;
• I_{st min - minimalny prąd przebicia elektrycznego;}
• I_{st max - maksymalny dopuszczalny prąd;}
• TKN - współczynnik temperaturowy.

W przeciwieństwie do konwencjonalnej diody, dioda Zenera jest urządzeniem półprzewodnikowym, w którym obszary przebicia elektrycznego i termicznego są dość daleko od siebie pod względem charakterystyki prądowo-napięciowej.

Związany z maksymalnym dopuszczalnym prądem jest parametrem często określanym wtabele - rozpraszanie mocy:

P_max=I_{st max}∙ U_st.

Zależność diody Zenera od temperatury może być dodatnia lub ujemna. Łącząc szeregowo elementy o współczynnikach o różnych znakach powstają precyzyjne diody Zenera, które nie są zależne od grzania ani chłodzenia.

Schematy włączenia

Typowy obwód prostego stabilizatora, składający się z rezystancji statecznika R_{b i diody Zenera, która bocznikuje obciążenie.}

W niektórych przypadkach dochodzi do naruszenia stabilizacji.

1. Podanie do stabilizatora dużego napięcia ze źródła zasilania w obecności kondensatora filtrującego na wyjściu. Skoki prądu podczas ładowania mogą spowodować awarię diody Zenera lub zniszczenie rezystora R_b.
2. Zamknij ładowanie. Gdy do wejścia zostanie przyłożone maksymalne napięcie, prąd diody Zenera może przekroczyć dopuszczalny, co doprowadzi do jej nagrzania i zniszczenia. Tutaj ważne jest przestrzeganie strefy paszportu bezpiecznej pracy.
3. Rezystancja R_{b jest dobierana jako mała tak, aby przy minimalnym możliwym napięciu zasilania i maksymalnym dopuszczalnym prądzie przy obciążeniu, dioda Zenera znajdowała się w roboczej strefie regulacji.}

Obwody zabezpieczające tyrystor lub bezpieczniki są używane do ochrony stabilizatora.

Rezystor R_{b jest obliczany według wzoru:}

R_b=(U_pit - U_nom)(Ist _{+ I}n_).

Aktualnydioda Zenera I_st jest wybierana spośród dopuszczalnych wartości maksymalnych i minimalnych, w zależności od napięcia wejściowego U_pit i prądu obciążenia I _n.

Wybór Zenera

Elementy mają duży rozrzut napięcia stabilizującego. Aby uzyskać dokładną wartość U_{n, diody Zenera są wybierane z tej samej partii. Istnieją typy o węższym zakresie parametrów. Dzięki dużemu rozpraszaniu mocy elementy są instalowane na grzejnikach.}

W celu obliczenia parametrów diody Zenera wymagane są dane początkowe, na przykład:

• U_{pit=12-15 V - napięcie wejściowe;}
• U_{st=9 V - stabilizowane napięcie;}
• R_{n=50-100 mA - obciążenie.}

Parametry są typowe dla urządzeń o niskim poborze mocy.

Dla minimalnego napięcia wejściowego 12 V, prąd na obciążeniu jest ustawiany na maksimum - 100 mA. Zgodnie z prawem Ohma można znaleźć całkowite obciążenie obwodu:

R_{∑=12 V / 0,1 A=120 omów.}

Na diodzie Zenera spadek napięcia wynosi 9 V. Dla prądu 0,1 A równoważne obciążenie będzie:

R_{eq=9 V / 0,1 A=90 omów.}

Teraz możesz określić opór balastu:

R_{b=120 omów - 90 omów=30 omów.}

Jest wybierany ze standardowego wiersza, w którym wartość jest taka sama jak obliczona.

Maksymalny prąd płynący przez diodę Zenera jest określany z uwzględnieniem odłączenia obciążenia, aby nie zawodziło, jeśli jakikolwiek przewód zostanie odlutowany. Spadek napięcia na rezystorze wyniesie:

U_{R=15 - 9=6 B.}

Następnie określany jest prąd płynący przez rezystor:

I_{R=6/30=0, 2 A.}

Ponieważ dioda Zenera jest z nią połączona szeregowo, I_c=I_{R=0,2 A.}

Rozpraszanie mocy będzie wynosić P=0,2∙9=1,8 W.

Zgodnie z uzyskanymi parametrami dobierana jest odpowiednia dioda Zenera D815V.

Symetryczna dioda Zenera

Tyrystor diodowy symetryczny to urządzenie przełączające, które przewodzi prąd przemienny. Cechą jego pracy jest spadek napięcia do kilku woltów po włączeniu w zakresie 30-50 V. Można go zastąpić dwiema konwencjonalnymi diodami Zenera połączonymi przeciwbieżnie. Urządzenia są używane jako elementy przełączające.

Analog diody Zenera

Gdy nie można znaleźć odpowiedniego elementu, używają analogu diody Zenera na tranzystorach. Ich zaletą jest możliwość regulacji napięcia. Do tego celu można użyć wielostopniowych wzmacniaczy prądu stałego.

Na wejściu zainstalowany jest dzielnik napięcia z rezystorem trymującym R1. Jeśli napięcie wejściowe wzrasta, na podstawie tranzystora VT1 również wzrasta. Jednocześnie wzrasta prąd płynący przez tranzystor VT2, co kompensuje wzrost napięcia, utrzymując w ten sposób stabilne napięcie na wyjściu.

Oznakowanie diod Zenera

Produkowane są szklane diody Zenera i diody Zenera w plastikowych obudowach. W pierwszym przypadku są do nich przypisane 2 liczby, pomiędzy którymi znajduje się litera V. Napis 9V1 oznacza, żeU_{st=9, 1 V.}

Na plastikowej obudowie napisy są odszyfrowywane za pomocą arkusza danych, w którym można również znaleźć inne parametry.

Ciemny pierścień na obudowie wskazuje katodę, do której podłączony jest plus.

Wniosek

Dioda Zenera to dioda o specjalnych właściwościach. Zaletą diod Zenera jest wysoki poziom stabilizacji napięcia z szerokim zakresem zmian prądu roboczego, a także proste schematy połączeń. Aby ustabilizować małe napięcie, urządzenia są włączane w kierunku do przodu i zaczynają działać jak zwykłe diody.