Кругови зенер диода, карактеристике, прорачуни

Зенер диоде - назване по проналазачу др. Царлу Зенеру, у основи се користе у електронским колима за генерисање прецизних референци напона. То су уређаји који су у стању да створе практично константан напон на њима, без обзира на варијације у струјним круговима и напону.

Споља, можда ћете наћи зенер диоде сличне стандардним диодама као што је 1Н4148. Зенер диоде такође раде тако што исправљају наизменичну струју у пулсирајући једносмерни ток, баш као и њихове традиционалне алтернативе. Међутим, супротно стандардним исправљачким диодама, зенер диоде су конфигурисане са својом катодом која је директно повезана са позитивним напајањем, а анода са негативним напајањем.

Карактеристике

У својој стандардној конфигурацији, Зенер диоде показују висок отпор испод одређеног, критичног напона (познатог као Зериер напон). Када се премаши овај специфични критични напон, активни отпор Зенер диоде пада на изузетно низак ниво.

И при овој ниској вредности отпора, ефективни константни напон се одржава преко Зенерс-а и може се очекивати да ће се тај константни напон задржати без обзира на било какву промену струје извора.

Једноставним речима, кад год напајање преко ценер диоде премаши номиналну вредност зенера, зенер диода проводи и уземљује вишак напона. Због тога напон пада испод ценер напона који искључује ценер, а напајање поново покушава да премаши ценер напон, поново укључујући зенер. Овај циклус се брзо понавља што на крају резултира стабилизацијом излаза на тачно константној вредности ценер-напона.

Ова карактеристика је графички истакнута на доњој слици која показује да је изнад 'Зенер-овог напона' реверзни напон и даље готово константан чак и са варијацијама у обрнутој струји. Као резултат, Зенер диоде се често користе за постизање константног пада напона или референтног напона, са својим унутрашњим отпором.

Зенер диоде су дизајниране у многим номиналним снагама и са напоном који се креће од 2,7 В до 200 В. (Међутим, углавном се Зенер диоде чија је вредност далеко изнад 30 Волти ретко користе.)

Основни рад Зенер диодног круга

Стандардни круг регулатора напона, који користи један отпорник и Зенер диоду, може се видети на следећој слици. Овде претпоставимо да је вредност Зенер диоде 4,7 В, а напон напајања В ин 8,0 В.

Основни рад ценер диоде може се објаснити следећим тачкама:

У недостатку оптерећења на излазу зенер диоде, може се видети пад од 4,7 Волта преко Зенер диоде, док се на отпорнику Р. развија одсечених 2,4 Волта.

Сада, у случају да је промењен улазни напон, замислимо, са 8,0 на 9,0 В, проузроковаће пад напона на Зенеру да и даље одржи називну 4,7 В.

Међутим, пад напона на отпорнику Р могао се видети повишен, са 2,4 В на 3,4 В.

Може се очекивати да ће пад напона на идеалном Зенеру бити прилично константан. Практично, можда ћете приметити да се напон на цијенеру лагано повећава због динамичког отпора Зенера.

Поступак кроз који се израчунава промена зенеровог напона помножава се зенеров динамички отпор са променом зенерове струје.

Отпорник Р1, у горе наведеном основном дизајну регулатора, симболизује пожељно оптерећење које може бити повезано са зенером. Р1 ће у вези с тим повући одређену количину струје која се кретала кроз Зенер.

Будући да ће струја у Рс бити већа од струје која улази у терет, количина струје ће и даље пролазити кроз Зенер омогућавајући савршено константан напон на Зенеру и оптерећењу.

Наведени серијски отпорник Рс треба одредити на такав начин да је најмања струја која улази у ценер увек већа од минималног нивоа одређеног за стабилну регулацију од зенера. Овај ниво започиње непосредно испод „колена“ криве обрнутог напона / реверзне струје како је научено из претходног графичког дијаграма изнад.

Морате додатно осигурати да одабир Рс осигурава да струја која пролази кроз Зенер диоду никада не прелази њену снагу: која може бити еквивалентна Зенеровом напону к Зенер струји. То је највећа количина струје која може проћи кроз Зенер диоду у одсуству оптерећења Р1.

Како израчунати Зенер диоде

Дизајнирање основног ценер-кола је заправо једноставно и може се имплементирати путем следећих упутстава:

1. Одредите максималну и минималну струју оптерећења (Ли), на пример 10 мА и 0 мА.
2. Одредите максимални напон напајања који се може развити, на пример ниво од 12 В, такође водећи рачуна да је минимални напон напајања увек = 1,5 В + Вз (називна вредност зенер напона).
3. Као што је назначено у основном дизајну регулатора, потребан излазни напон који је еквивалент Зенер-овог напона Вз = 4,7 Волта, а изабрани најнижа Зенер струја је 100 микроампера . То имплицира да је максимална предвиђена Зенер-ова струја овде 100 микроампера плус 10 милиампера, што је 10,1 милиампера.
4. Серијски отпорник Рс мора дозволити минималну количину струје 10,1 мА, чак и када је улазно напајање најнижи наведени ниво, који је 1,5 В већи од изабране вредности зенера Вз, и може се израчунати користећи Охмов закон као: Рс = 1,5 / 10,1 к 10^-3= 148,5 Ома. Чини се да је најближа стандардна вредност 150 Охм, тако да Рс могу бити 150 охма.
5. Ако напон напајања порасте на 12 В, пад напона на Рс биће Из к Рс, где је Из = струја кроз ценер. Према томе, применом Охмовог закона добијамо Из = 12 - 4,7 / 150 = 48,66 мА
6. Изнад је максимална струја којој ће бити дозвољено да пролази кроз ценер диоду. Другим речима, максимална струја која може да тече током максималног излазног оптерећења или максимално назначеног улазног напона напајања. Под овим условима, ценер диода ће расипати снагу Из к Вз = 48,66 к 4,7 = 228 мВ. Најближа стандардна вредност номиналне снаге коју је потребно испунити је 400 мВ.

Утицај температуре на Зенер диоде

Заједно са параметрима напона и оптерећења, Зенер диоде су такође прилично отпорне на температурне промене око себе. Међутим, изнад одређеног степена температура може утицати на уређај, као што је приказано на доњем графикону:

Приказује кривуљу коефицијента температуре зенер диоде. Иако при вишим напонима крива коефицијента реагује на око 0,1% по степену Целзијуса, она се креће кроз нулу на 5 В, а затим постаје негативна за ниже нивое напона. На крају достиже -0,04% по степену Целзијуса на око 3,5 В.

Коришћење Зенер диоде као температурног сензора

Једна добра употреба осетљивости Зенер диоде на промену температуре је примена уређаја као уређаја са сензором температуре, као што је приказано на следећем дијаграму

Дијаграм приказује мрежу мостова изграђену помоћу пара отпорника и пара Зенер диода са идентичним карактеристикама. Једна од Зенер диода ради као референтни генератор напона, док се друга Зенер диода користи за детекцију промена нивоа температуре.

Стандардни Зенер од 10 В може имати температурни коефицијент од + 0,07% / ° Ц што може одговарати 7 мВ / ° Ц варијацијама у температури. Ово ће створити дисбаланс од око 7 мВ између два крака моста за сваку температуру у Целзијусовој варијацији. Мерач пуног ФСД од 50 мВ може се користити у назначеном положају за приказивање одговарајућих очитавања температуре.

Прилагођавање вредности Зенер диоде

За неке примене кола можда ће бити потребно имати прецизну ценер вредност која може бити нестандардна вредност или вредност која није лако доступна.

У таквим случајевима може се створити низ ценер диода које се затим могу користити за добијање жељене прилагођене вредности зенер диоде, као што је приказано доле:

У овом примеру, многе прилагођене, нестандардне ценер вредности могу се добити преко различитих терминала, као што је описано у следећој листи:

Можете користити друге вредности на назначеним позицијама да бисте добили многе друге прилагођене скупове излаза зенер диоде

Зенер диоде са напајањем наизменичном струјом

Зенерс диоде се обично користе са ДЦ напајањем, међутим ови уређаји такође могу бити дизајнирани за рад са АЦ напајањем. Неколико примена наизменичне струје зенер диода укључује звук, РФ кругове и друге облике АЦ система управљања.

Као што је приказано у доњем примеру, када се напајање наизменичном струјом користи са зенер диодом, зенер ће одмах провести чим АЦ сигнал пређе са нуле на негативну половину свог циклуса. Јер, сигнал је негативан, па ће наизменична струја бити преко кратког споја преко аноде на катоду зенера, што доводи до тога да 0 В изгледа као излаз.

Када се напајање наизменичном струјом креће кроз позитивну половину циклуса, ценер не спроводи док се АЦ не попне до нивоа зенер напона. Када АЦ сигнал пређе ценер напон, зенер проводи и стабилизује излаз на ниво од 4,7 В, све док се циклус наизменичне струје не спусти на нулу.

Запамтите, док користите зенер са АЦ улазом, уверите се да се Рс израчунава према вршном напону наизменичне струје.

У горњем примеру, излаз није симетричан, већ пулсирајући ДЦ од 4,7 В. Да би се на излазу добио симетрични напон од 4,7 В, могла би се повезати два зенера, како је приказано на доњем дијаграму

Сузбијање буке са Зенер диоде

Иако ценер диоде пружају брз и једноставан начин за стварање стабилизованих излаза фиксног напона, он има један недостатак који може утицати на осетљиве аудио кругове попут појачала снаге.

Зенер диоде генеришу буку током рада због свог ефекта споја лавине током пребацивања, у распону од 10 уВ до 1 мВ. То се може сузбити додавањем кондензатора паралелно са зенер диодом, као што је приказано доле:

Вредност кондензатора може бити између 0,01 уФ и 0,1 уФ, што ће омогућити сузбијање буке за фактор 10 и одржаваће најбољу могућу стабилизацију напона.

Следећи графикон приказује ефекат кондензатора за смањење шума зенер диоде.

Коришћење Зенера за филтрирање таласа напона

Зенер диоде се такође могу применити као ефикасни филтри напон таласа, баш као што се користе за стабилизацију наизменичног напона.

Због изузетно ниске динамичке импедансе, зенер диоде могу да раде попут валовитог филтера на потпуно исти начин као и филтрирни кондензатор.

Веома импресивно таласасто филтрирање може се добити повезивањем Зенер диоде преко терета, са било којим извором једносмерне струје. Овде напон мора бити једнак нивоу нивоа таласа.

У већини примена кола ово може деловати подједнако ефикасно као типични кондензатор за заглађивање који има капацитет од неколико хиљада микрофарада, што резултира значајним смањењем нивоа валовитог напона који је постављен на једносмерни излаз.

Како повећати капацитет руковања напајањем са Зенер диодама

Једноставан начин да се повећа капацитет руковања напајањем зенер диоде је вероватно само паралелно повезивање, као што је приказано доле:

Међутим, практично ово можда није тако једноставно како изгледа и можда неће радити како је предвиђено. То је зато што, као и било који други полупроводнички уређај, зенери такође никада немају потпуно идентичне карактеристике, па један од зенера може водити пре него што други провлачи кроз себе читаву струју, да би на крају био уништен.

Брзи начин за решавање овог проблема може бити додавање серијских отпорника ниских вредности са сваком Зенер диодама, као што је приказано доле, што ће омогућити свакој Зенер диоди да равномерно дели струју кроз компензационе падове напона које генеришу отпорници Р1 и Р2:

Иако се капацитет руковања снагом може повећати паралелним повезивањем Зенер диода, много побољшани приступ може бити додавање шанта БЈТ заједно са Зенер диодом конфигурисаном као референтни извор. Погледајте следећи пример шеме за исти.

Додавањем ранжирног транзистора не само да се повећава капацитет управљања ценер-ом за фактор 10, већ се побољшава ниво регулације напона на излазу, који може бити висок као назначено струјно појачање транзистора.

Овај тип регулатора зенер-транзистора са ранжирним транзисторима може се користити у експерименталне сврхе јер коло има 100% заштиту од кратког споја. Упркос томе, дизајн је прилично неефикасан, јер транзистор може расипати значајну количину струје у одсуству оптерећења.

За још боље резултате, а серијски пролазни транзистор Тип регулатора као што је приказано доле изгледа боља опција и пожељнија.

У овом колу Зенер диода ствара референтни напон за серијски пролазни транзистор, који у суштини ради као емитер фолловер . Као резултат, напон емитора се одржава између неколико десетина волта основног напона транзистора, као што га ствара Зенер диода. Због тога транзистор ради као серијска компонента и омогућава ефикасну контролу варијација напона напајања.

Читава струја оптерећења сада пролази преко овог серијског транзистора. Капацитет руковања снагом ове врсте конфигурације утврђује се у потпуности вредношћу и спецификацијама транзистора, а такође зависи од ефикасности и квалитета коришћеног хладњака.

Одлична регулација се може постићи из горњег дизајна помоћу отпорника серије 1к. Регулација би се могла повећати са фактором 10 заменом нормалног ценера посебном ниско динамичком ценер диодом као што је 1Н1589).

У случају да желите да горњи круг обезбеди променљиви напон регулисан излаз, то се лако може постићи коришћењем 1К потенциометра преко Зенер диоде. Ово омогућава подешавање променљивог референтног напона у основи серијског транзистора.

Међутим, ова модификација може резултирати нижом ефикасношћу регулације услед неког ранжирног ефекта створеног потенциометром.

Круг сталне струје Зенер диоде

Једноставно напајање константне струје регулисано Зенером може се пројектовати кроз један транзистор као отпорник променљиве серије. Доња слика приказује основни дијаграм кола.

Овде можете видети парове пролаза круга, један преко зенер диоде повезан у серију са одступајућим отпорником, док је други пут кроз отпорнике Р1, Р2 и серијски транзистор.

У случају да струја одступа од свог првобитног опсега, то ствара пропорционалну промену нивоа одступања Р3, што заузврат доводи до тога да се отпор серијског транзистора пропорционално повећава или смањује.

Ово подешавање отпора транзистора резултира аутоматском корекцијом излазне струје на жељени ниво. Тачност контроле струје у овом дизајну биће око +/- 10% као одговор на излазне услове који се могу кретати између кратког споја и оптерећења до 400 Охм.

Преклопни круг секвенцијалног релеја помоћу Зенер диоде

Ако имате апликацију у којој је потребно да се низ релеја редно преклапају један за другим на прекидачу за напајање, уместо да се сви заједно активирају, онда се следећи дизајн може показати врло корисним.

Овде се узастопно увећавајуће зенер диоде инсталирају у серију са групом релеја заједно са појединачним отпорницима серије мале вредности. Када се напајање укључи, ценер диоде проводе једну за другом у низу у све већем редоследу њихових ценер вредности. То резултира укључивањем релеја у редоследу по жељи апликације. Вредности отпорника могу бити 10 ома или 20 ома у зависности од вредности отпора завојнице релеја.

Круг зенер диоде за заштиту од пренапона

Због њихових карактеристика осетљивих на напон, могуће је комбиновати Зенер диоде са струјом осетљивом на струју осигурача како би се заштитиле кључне компоненте круга од високонапонских удара и додатно елиминисале гњаваже због честог прегоревања осигурача, што се може догодити нарочито када оцена осигурача је веома близу спецификацијама радне струје кола.

Спајањем правилно оцењене Зенер-диоде преко терета, може се користити осигурач који је одговарајуће назначен да може дуже време да обрађује предвиђену струју оптерећења. У овој ситуацији, претпоставимо да се улазни напон повећа до мере која премашује Зенер-ов напон пробоја - примораваће Зенер-диоду да проводи. То ће проузроковати нагли пораст струје која дува осигурач готово тренутно.

Предност овог кола је у томе што спречава да осигурач често дува и непредвидљиво, због своје блиске вредности осигурача на струју оптерећења. Уместо тога, осигурач прегори само када напон и струја истински порасту изнад одређеног нивоа који није сигуран.

Круг за заштиту од поднапона помоћу Зенер диоде

Релеј и одговарајуће одабрана зенер диода довољни су за стварање тачног заштитног круга ниског напона или прекида поднапона за било коју жељену примену. Шема кола је представљена у наставку:

Операција је заправо врло једноставна, напајање Вин које се добија од мреже мостова трансформатора пропорционално варира у зависности од улазних варијација наизменичне струје. То подразумева, ако претпоставимо да 220 В одговара 12 В од трансформатора, онда 180 В треба да одговара 9,81 В и тако даље. Према томе, ако се претпоставља да је праг прекида ниског напона 180 В, онда ће одабир зенер диоде као уређаја од 10 В прекинути рад релеја кад год улазни наизменични напон падне испод 180 В.