Δίοδοι Zener

Εισαγωγή

Οι δίοδοι είναι γενικά γνωστές ως μια συσκευή που επιτρέπει τη ροή του ρεύματος προς μία κατεύθυνση (προς τα εμπρός) και προσφέρει αντίσταση στη ροή του ρεύματος όταν χρησιμοποιείται σε αντίστροφη προκατάληψη. Η Zener Diode (Ονομάστηκε από τον Αμερικανό επιστήμονα C. Zener που εξήγησε για πρώτη φορά τις αρχές λειτουργίας του) από την άλλη πλευρά, όχι μόνο επιτρέπει τη ροή του ρεύματος όταν χρησιμοποιείται στην μπροστινή μεροληψία, αλλά επιτρέπει επίσης τη ροή του ρεύματος όταν χρησιμοποιείται στην αντίστροφη προκατάληψη Μέχρι στιγμής η εφαρμοζόμενη τάση είναι πάνω από την τάση βλάβης που είναι γνωστή ως Τάση διακοπής Zener. Ή με άλλα λόγια, η τάση διακοπής είναι η τάση, στην οποία η δίοδος Zener αρχίζει να λειτουργεί σε αντίστροφη κατεύθυνση.

Λειτουργική αρχή της δίοδος Zener:

Σε κανονικές διόδους, η τάση διάσπασης είναι πολύ υψηλή και η δίοδος καταστρέφεται εντελώς εάν εφαρμόζεται τάση πάνω από τη δίοδο διάσπασης, αλλά στις διόδους Zener, η τάση κατανομής δεν είναι τόσο υψηλή και δεν οδηγεί σε μόνιμη βλάβη της διόδου zener εάν εφαρμόζεται η τάση.

Καθώς η αντίστροφη τάση που εφαρμόζεται στη δίοδο Zener αυξάνεται προς την καθορισμένη τάση διακοπής (Vz), ένα ρεύμα αρχίζει να ρέει μέσα από τη δίοδο και αυτό το ρεύμα είναι γνωστό ως ρεύμα Zener και αυτή η διαδικασία είναι γνωστή ως Avalanche Breakdown . Το ρεύμα αυξάνεται στο μέγιστο και σταθεροποιείται. Αυτό το ρεύμα παραμένει σταθερό στο ευρύτερο εύρος της εφαρμοζόμενης τάσης και επιτρέπει στη δίοδο Zener να αντέχει με υψηλότερη τάση χωρίς να υποστεί ζημιά. Αυτό το ρεύμα καθορίζεται από την αντίσταση της σειράς.

Εξετάστε τις παρακάτω εικόνες μιας κανονικής δίοδος σε δράση.

Για να δείξετε τις λειτουργίες της διόδου zener, εξετάστε τα δύο πειράματα (Α και Β) παρακάτω.

Στο Πείραμα Α, μια δίοδος zener 12V συνδέεται σε αντίστροφη μεροληψία όπως φαίνεται στην εικόνα και μπορεί να φανεί ότι η δίοδος zener μπλοκάρεσε την τάση αποτελεσματικά επειδή ήταν μικρότερη / ίση με την τάση διάσπασης της συγκεκριμένης διόδου zener και της λάμπας έτσι έμεινε μακριά.

Στο Πείραμα Β, μια χρησιμοποιούμενη δίοδος Zener 6v διεξάγει (ο λαμπτήρας ανάβει) σε αντίστροφη μεροληψία επειδή η εφαρμοζόμενη τάση είναι μεγαλύτερη από την τάση διακοπής της και έτσι δείχνει ότι η περιοχή διακοπής είναι η περιοχή λειτουργίας της διόδου zener.

Η χαρακτηριστική καμπύλη ρεύματος-τάσης της διόδου Zener φαίνεται παρακάτω.

Από το γράφημα, μπορεί να συναχθεί ότι η δίοδος zener που λειτουργεί με τη λειτουργία αντίστροφης μεροληψίας θα έχει μια αρκετά σταθερή τάση ανεξάρτητα από την ποσότητα του παρεχόμενου ρεύματος.

Εφαρμογές της διόδου Zener:

Οι δίοδοι Zener χρησιμοποιούνται σε τρεις κύριες εφαρμογές σε ηλεκτρονικά κυκλώματα.

1. Κανονισμός τάσης

2. Κλιπ κυματομορφής

3. Μετατροπέας τάσης

1. Δίοδος Zener ως ρυθμιστής τάσης

Αυτή είναι αναμφισβήτητα η πιο κοινή εφαρμογή των διόδων zener.

Αυτή η εφαρμογή των διόδων zener βασίζεται σε μεγάλο βαθμό στην ικανότητα των διόδων zener να διατηρούν σταθερή τάση ανεξάρτητα από τις διακυμάνσεις του ρεύματος τροφοδοσίας ή φορτίου. Η γενική λειτουργία μιας συσκευής ρύθμισης τάσης είναι να παρέχει μια σταθερή τάση εξόδου σε ένα φορτίο συνδεδεμένο παράλληλα με αυτό ανεξάρτητα από τις μεταβολές στην ενέργεια που αντλείται από το φορτίο (Ρεύμα φορτίου) ή τις μεταβολές και την αστάθεια στην τάση τροφοδοσίας.

Η δίοδος Zener θα παρέχει σταθερή τάση υπό την προϋπόθεση ότι το ρεύμα παραμένει εντός του εύρους του μέγιστου και του ελάχιστου αντίστροφου ρεύματος.

Το διάγραμμα κυκλώματος που δείχνει ότι η δίοδος Zener χρησιμοποιείται ως ρυθμιστής τάσης φαίνεται παρακάτω.

Μια αντίσταση, το R1 συνδέεται σε σειρά με τη δίοδο zener για να περιορίσει την ποσότητα ρεύματος που ρέει μέσω της διόδου και η τάση εισόδου Vin (η οποία πρέπει να είναι μεγαλύτερη από την τάση zener) συνδέεται απέναντι όπως φαίνεται στην εικόνα και στην τάση εξόδου Vout, λαμβάνεται κατά μήκος της διόδου zener με Vout = Vz (Τάση Zener). Δεδομένου ότι τα χαρακτηριστικά της αντίστροφης πόλωσης της διόδου zener είναι αυτά που χρειάζονται για τη ρύθμιση της τάσης, συνδέεται σε κατάσταση αντίστροφης μεροληψίας, με την κάθοδο να συνδέεται με τη θετική ράγα του κυκλώματος.

Πρέπει να ληφθεί μέριμνα κατά την επιλογή της τιμής της αντίστασης R1, καθώς μια αντίσταση μικρής τιμής θα έχει ως αποτέλεσμα ένα μεγάλο ρεύμα διόδου όταν είναι συνδεδεμένο το φορτίο και αυτό θα αυξήσει την απαίτηση απόσβεσης ισχύος της διόδου που θα μπορούσε να γίνει υψηλότερη από τη μέγιστη βαθμολογία ισχύος το zener και θα μπορούσε να το καταστρέψει.

Η τιμή της αντίστασης που θα χρησιμοποιηθεί μπορεί να προσδιοριστεί χρησιμοποιώντας τον παρακάτω τύπο.

R ₁ = (V _in - V _Z) / I _Z Πού; Το R1 είναι η τιμή της αντίστασης της σειράς. Το Vin είναι η τάση εισόδου. Vz που είναι ίδιο με το Vout είναι η τάση Zener και το Iz είναι το ρεύμα zener.

Χρησιμοποιώντας αυτόν τον τύπο καθίσταται εύκολο να διασφαλιστεί ότι η τιμή της επιλεγμένης αντίστασης δεν οδηγεί στη ροή ρεύματος υψηλότερη από αυτήν που μπορεί να χειριστεί το zener.

Ένα μικρό πρόβλημα που αντιμετωπίστηκε με τα κυκλώματα ρυθμιστή με βάση τη δίοδο zener είναι ότι το Zener δημιουργεί μερικές φορές ηλεκτρικό θόρυβο στη ράγα τροφοδοσίας ενώ επιχειρεί να ρυθμίσει την τάση εισόδου. Αν και αυτό μπορεί να μην είναι πρόβλημα για τις περισσότερες εφαρμογές, αυτό το πρόβλημα μπορεί να λυθεί με την προσθήκη ενός πυκνωτή αποσύνδεσης μεγάλης αξίας στη δίοδο. Αυτό βοηθά στη σταθεροποίηση της εξόδου του zener.

2. Zener Diod ως Waveform Clipper

Μία από τις χρήσεις των κανονικών διόδων είναι η εφαρμογή κυκλωμάτων αποκοπής και σύσφιξης τα οποία είναι κυκλώματα που χρησιμοποιούνται για τη διαμόρφωση ή την τροποποίηση μιας κυματομορφής ή σήματος εναλλασσόμενου ρεύματος εισόδου, παράγοντας ένα σήμα εξόδου διαφορετικού σχήματος ανάλογα με τις προδιαγραφές του κουρευτή ή του clamper.

Τα κυκλώματα Clippers γενικά είναι κυκλώματα που χρησιμοποιούνται για να αποτρέψουν το σήμα εξόδου ενός κυκλώματος να υπερβεί μια προκαθορισμένη τιμή τάσης χωρίς να αλλάξει οποιοδήποτε άλλο μέρος του σήματος εισόδου ή της κυματομορφής.

Αυτά τα κυκλώματα μαζί με τους σφιγκτήρες χρησιμοποιούνται ευρέως σε αναλογικούς πομπούς τηλεόρασης και ραδιοφώνου FM για την απομάκρυνση των παρεμβολών (κυκλώματα σύσφιξης) και τον περιορισμό των κορυφών θορύβου με αποκοπή υψηλών κορυφών.

Δεδομένου ότι οι δίοδοι Zener συμπεριφέρονται γενικά όπως οι κανονικές δίοδοι όταν η εφαρμοζόμενη τάση δεν είναι ίση με την τάση διακοπής, χρησιμοποιούνται επίσης έτσι σε κυκλώματα αποκοπής.

Τα κυκλώματα αποκοπής θα μπορούσαν να σχεδιαστούν για να κλιπ του σήματος είτε στη θετική, αρνητική είτε και στις δύο περιοχές. Παρόλο που η δίοδος θα αποκοπεί φυσικά από την άλλη περιοχή στα 0,7V ανεξάρτητα από το εάν έχει σχεδιαστεί ως θετική ή αρνητική κουρευτική μηχανή.

Για παράδειγμα, εξετάστε το παρακάτω κύκλωμα.

Το κύκλωμα ψαλιδιού έχει σχεδιαστεί για να κλιπ το σήμα εξόδου στα 6,2v, έτσι χρησιμοποιήθηκε μια δίοδος zener 6,2v. Η δίοδος zener εμποδίζει το σήμα εξόδου να υπερβεί την τάση zener ανεξάρτητα από την κυματομορφή εισόδου. Για αυτό το συγκεκριμένο παράδειγμα, χρησιμοποιήθηκε τάση εισόδου 20v και η τάση εξόδου στη θετική ταλάντευση ήταν 6,2v συνεπής με την τάση της διόδου zener. Ωστόσο, κατά τη διάρκεια της αρνητικής μεταβολής της τάσης AC, η δίοδος zener συμπεριφέρεται ακριβώς όπως η κανονική δίοδος και κλιπ της τάσης εξόδου στα 0,7V, σύμφωνα με τις κανονικές διόδους σιλικόνης.

Για την υλοποίηση του κυκλώματος αποκοπής για την αρνητική ταλάντωση του κυκλώματος AC καθώς και για τη θετική ταλάντωση με τέτοιο τρόπο ώστε η τάση να περικοπεί σε διαφορετικά επίπεδα στη θετική και αρνητική ταλάντευση, χρησιμοποιείται ένα κύκλωμα αποκοπής διπλού zener. Το διάγραμμα κυκλώματος για το κύκλωμα αποκοπής διπλού zener φαίνεται παρακάτω.

Στο κύκλωμα αποκοπής παραπάνω, η τάση Vz2 αντιπροσωπεύει την τάση στην αρνητική ταλάντωση της πηγής AC στην οποία το σήμα εξόδου επιθυμείται να περικοπεί, ενώ η τάση Vz1 αντιπροσωπεύει την τάση στη θετική ταλάντωση της πηγής AC στην οποία η τάση εξόδου είναι επιθυμητό να περικοπεί.

3. Δίοδος Zener ως μετασχηματιστής τάσης

Η αλλαγή τάσης είναι μια από τις απλούστερες αλλά ενδιαφέρουσες εφαρμογές της διόδου zener. Εάν είχατε εμπειρία ειδικά με τη σύνδεση ενός αισθητήρα 3.3v σε ένα 5V MCU και έχετε δει από πρώτο χέρι τα λάθη στις αναγνώσεις κ.λπ., αυτό μπορεί να τους οδηγήσει, θα εκτιμήσετε τη σημασία των μετατοπίσεων τάσης. Οι μετατοπιστές τάσης συμβάλλουν στη μετατροπή του σήματος από τη μία τάση στην άλλη και με την ικανότητα της διόδου zener να διατηρεί σταθερή τάση εξόδου στην περιοχή βλάβης, τα καθιστά ιδανικό συστατικό για τη λειτουργία.

Σε έναν μεταγωγέα τάσης με βάση τη δίοδο zener, το κύκλωμα, μειώνει την τάση εξόδου, με τιμή ίση με την τάση κατανομής της συγκεκριμένης δίοδος zener που χρησιμοποιείται. Το διάγραμμα κυκλώματος για τη μετατόπιση τάσης απεικονίζεται παρακάτω.

Εξετάστε το πείραμα παρακάτω,

Το κύκλωμα περιγράφει έναν μεταγωγέα τάσης με βάση τη δίοδο 3,3v zener. Η τάση εξόδου (3.72V) του κυκλώματος δίνεται αφαιρώντας την τάση διακοπής (3.3V) της διόδου zener από την τάση εισόδου (7V).

Vout = Vin –Vz

Vout = 7 - 3.3 = 3.7v

Η αλλαγή τάσης όπως περιγράφεται παραπάνω έχει πολλές εφαρμογές στη σύγχρονη σχεδίαση ηλεκτρονικών κυκλωμάτων, καθώς ο μηχανικός σχεδιασμού ενδέχεται να χρειαστεί να εργαστεί με έως και τρία διαφορετικά επίπεδα τάσης κατά τη διάρκεια της διαδικασίας σχεδιασμού.

Τύποι διόδων Zener:

Οι δίοδοι Zener κατηγοριοποιούνται σε τύπους με βάση διάφορες παραμέτρους που περιλαμβάνουν:

1. Ονομαστική τάση
2. Διασπορά ισχύος
3. Προώθηση ρεύματος κίνησης
4. Μπροστινή τάση
5. Τύπος συσκευασίας
6. Μέγιστο αντίστροφο ρεύμα

Ονομαστική τάση

Η ονομαστική τάση λειτουργίας μιας διόδου zener είναι επίσης γνωστή ως τάση κατανομής της διόδου zener, ανάλογα με την εφαρμογή για την οποία θα χρησιμοποιηθεί η δίοδος, αυτό είναι συχνά τα πιο σημαντικά κριτήρια για την επιλογή διόδων Zener.

Εξουδετέρωση ισχύος

Αυτό αντιπροσωπεύει τη μέγιστη ισχύ που μπορεί να διαλύσει το ρεύμα zener. Η υπέρβαση αυτής της βαθμολογίας ισχύος οδηγεί σε υπερβολική αύξηση της θερμοκρασίας της διόδου zener που θα μπορούσε να την καταστρέψει και να οδηγήσει σε αποτυχία των πραγμάτων που συνδέονται με αυτήν σε ένα κύκλωμα. Έτσι, αυτός ο παράγοντας θα πρέπει να λαμβάνεται υπόψη κατά την επιλογή της διόδου λαμβάνοντας υπόψη τη χρήση.

Μέγιστο ρεύμα Zener

Αυτό είναι το μέγιστο ρεύμα που μπορεί να περάσει μέσω της διόδου zener στην τάση zener χωρίς να προκαλέσει ζημιά στη συσκευή.

Ελάχιστο ρεύμα Zener

Αυτό αναφέρεται στο ελάχιστο απαιτούμενο ρεύμα για να αρχίσει να λειτουργεί η δίοδος zener στην περιοχή κατανομής.

Άλλες παράμετροι που χρησιμεύουν ως προδιαγραφές για τη δίοδο, όλες πρέπει να εξεταστούν πλήρως προτού ληφθεί απόφαση σχετικά με τον τύπο για το είδος της διόδου zener που απαιτείται για αυτόν τον ιδιαίτερο σχεδιασμό.

Συμπέρασμα:

Εδώ είναι 5 σημεία που δεν πρέπει ποτέ να ξεχάσετε τη δίοδο zener.

1. Η δίοδος zener είναι σαν μια συνηθισμένη δίοδος μόνο που έχει ντόπινξει για να έχει μια απότομη τάση διακοπής.
2. Η δίοδος Zener διατηρεί μια σταθερή τάση εξόδου ανεξάρτητα από την τάση εισόδου, υπό την προϋπόθεση ότι δεν υπάρχει υπέρβαση του μέγιστου ρεύματος zener.
3. Όταν συνδέεται σε μεροληψία προς τα εμπρός, η δίοδος zener συμπεριφέρεται ακριβώς όπως η κανονική δίοδος σιλικόνης. Πραγματοποιείται με την ίδια πτώση τάσης 0,7v που συνοδεύει τη χρήση της κανονικής διόδου.
4. Η προεπιλεγμένη λειτουργική κατάσταση της διόδου zener βρίσκεται στην περιοχή κατανομής (αντίστροφη μεροληψία). Σημαίνει ότι αρχίζει πραγματικά να λειτουργεί όταν η εφαρμοζόμενη τάση είναι υψηλότερη από την τάση Zener σε αντίστροφη μεροληψία.
5. Η δίοδος zener χρησιμοποιείται κυρίως σε εφαρμογές που περιλαμβάνουν, ρύθμιση τάσης, κυκλώματα αποκοπής και μετατοπιστές τάσης.