Zenerovy diodové obvody, charakteristiky, výpočty

Zenerovy diody - pojmenované podle svého vynálezce Dr. Carla Zenera se zásadně používají v elektronických obvodech pro generování přesných referencí napětí. Jedná se o zařízení, která jsou schopna vytvářet na nich prakticky konstantní napětí bez ohledu na kolísání obvodových a napěťových situací.

Externě můžete najít zenerovy diody hodně podobné standardním diodám, například 1N4148. Zenerovy diody také fungují tak, že usměrňují střídavý proud na pulzující stejnosměrný proud podobně jako jejich tradiční alternativy. Avšak na rozdíl od standardních usměrňovacích diod jsou zenerovy diody konfigurovány s jejich katodou přímo spojenou s kladným napájením a anodou se záporným napájením.

Vlastnosti

Ve své standardní konfiguraci vykazují Zenerovy diody vysoký odpor pod určitým kritickým napětím (známé jako Zerierovo napětí). Když je toto specifické kritické napětí překročeno, aktivní odpor Zenerovy diody klesne na extrémně nízkou úroveň.

A při této nízké hodnotě odporu se udržuje účinné konstantní napětí napříč Zeners a lze očekávat, že toto konstantní napětí zůstane bez ohledu na jakoukoli změnu zdrojového proudu.

Jednoduše řečeno, kdykoli napájení přes zenerovou diodu překročí jmenovitou hodnotu zenerovy diody, zenerova dioda vede a uzemňuje nadměrné napětí. Z tohoto důvodu napětí poklesne pod zenerovo napětí, které Zener vypne, a zdroj se znovu pokusí překročit zenerovo napětí, přičemž Zener znovu zapne. Tento cyklus se rychle opakuje, což nakonec vede ke stabilizaci výstupu přesně na konstantní hodnotu Zenerova napětí.

Tato charakteristika je graficky zvýrazněna na níže uvedeném obrázku, což naznačuje, že nad „Zenerovým napětím“ je reverzní napětí i nadále téměř konstantní i při změnách zpětného proudu. Výsledkem je, že se Zenerovy diody často používají k dosažení konstantního poklesu napětí nebo referenčního napětí s jejich vnitřním odporem.

Zenerovy diody jsou navrženy v mnoha příkonech as jmenovitým napětím v rozmezí od 2,7 V do 200 V. (Zenerovy diody s hodnotami vysoko nad 30 V se však většinou téměř nepoužívají.)

Základní obvod Zenerovy diody pracuje

Na následujícím obrázku je patrný standardní obvod regulátoru napětí, který využívá jediný odpor a Zenerovu diodu. Zde předpokládejme, že hodnota Zenerovy diody je 4,7 V a napájecí napětí V in je 8,0 V.

Základní fungování zenerovy diody lze vysvětlit následujícími body:

Při absenci zátěže na výstupu zenerovy diody je vidět, že přes Zenerovu diodu kleslo 4,7 voltu, zatímco na rezistoru R je vyvinuta mezní hodnota 2,4 voltu.

Nyní, v případě, že dojde ke změně vstupního napětí, představme si, že od 8,0 do 9,0 V způsobí pokles napětí napříč Zenerem, aby stále udržoval jmenovité 4,7 V.

Bylo však vidět pokles napětí na rezistoru R zvýšený z 2,4 V na 3,4 V.

Lze očekávat, že pokles napětí napříč ideálním Zenerem bude docela konstantní. V praxi můžete zjistit, že napětí na zenerově napětí se mírně zvyšuje z důvodu dynamického odporu Zenerova zdroje.

Postup, kterým se počítá změna Zenerova napětí, se vynásobí zenerovým dynamickým odporem se změnou Zenerova proudu.

Rezistor R1 ve výše uvedené základní konstrukci regulátoru symbolizuje preferovanou zátěž, která může být spojena se zenerem. R1 v této souvislosti bude čerpat určité množství proudu, který se pohyboval přes Zener.

Vzhledem k tomu, že proud v Rs bude vyšší než proud vstupující do zátěže, bude množství proudu i nadále procházet Zenerem, což umožňuje dokonale konstantní napětí přes Zener a zátěž.

Uvedený sériový rezistor Rs by měl být určen takovým způsobem, aby nejnižší proud vstupující do Zenerova proudu byl vždy vyšší než minimální úroveň specifikovaná pro stabilní regulaci ze Zenerova obvodu. Tato úroveň začíná těsně pod „kolenem“ křivky zpětného napětí / zpětného proudu, jak vyplývá z předchozího grafického diagramu výše.

Musíte se také ujistit, že výběr R zajistí, že proud procházející Zenerovou diodou nikdy nepřekročí její výkon: což může být ekvivalentní Zenerovu napětí x Zenerovu proudu. Je to nejvyšší množství proudu, které může projít Zenerovou diodou při absenci zátěže R1.

Jak vypočítat Zenerovy diody

Návrh základního zenerova obvodu je ve skutečnosti jednoduchý a lze jej implementovat pomocí následujících pokynů:

1. Určete maximální a minimální zatěžovací proud (Li), například 10 mA a 0 mA.
2. Určete maximální napájecí napětí, které se může vyvinout, například úroveň 12 V, a také zajistěte, aby minimální napájecí napětí bylo vždy = 1,5 V + Vz (jmenovité napětí Zenerova napětí).
3. Jak je uvedeno v základním návrhu regulátoru, požadované výstupní napětí, které je ekvivalentním Zenerovým napětím Vz = 4,7 voltu, a zvolené nejnižší Zenerův proud je 100 mikroampérů . To znamená, že maximální zamýšlený Zenerův proud je zde 100 mikroampérů plus 10 miliampérů, což je 10,1 miliampérů.
4. Sériový rezistor Rs musí umožňovat minimální množství proudu 10,1 mA, i když je vstupní napájení nejnižší specifikovanou úrovní, která je o 1,5 V vyšší než zvolená zenerova hodnota Vz, a lze jej vypočítat pomocí Ohmova zákona jako: Rs = 1,5 / 10,1 x 10^-3= 148,5 ohmů. Nejbližší standardní hodnota se zdá být 150 Ohm, takže Rs může být 150 ohmů.
5. Pokud napájecí napětí stoupne na 12 V, bude pokles napětí na Rs Iz x Rs, kde Iz = proud zenerem. Při použití Ohmova zákona tedy dostaneme Iz = 12 - 4,7 / 150 = 48,66 mA
6. Výše uvedený je maximální proud, který bude umožněn průchod zenerovou diodou. Jinými slovy, maximální proud, který může protékat během maximálního výstupního zatížení nebo maximálního specifikovaného vstupu napájecího napětí. Za těchto podmínek zenerova dioda rozptýlí výkon Iz x Vz = 48,66 x 4,7 = 228 mW. Nejbližší standardní hodnota jmenovitého výkonu k dosažení tohoto cíle je 400 mW.

Vliv teploty na Zenerovy diody

Spolu s parametry napětí a zátěže jsou Zenerovy diody také docela odolné vůči teplotním výkyvům kolem nich. Teplota však může do určité míry ovlivnit zařízení, jak je uvedeno v níže uvedeném grafu:

Ukazuje křivku teplotního koeficientu zenerovy diody. Ačkoli při vyšších napětích reaguje křivka koeficientu kolem 0,1% na stupeň Celsia, pohybuje se nulou při 5 V a poté se pro nižší úrovně napětí stává záporným. Nakonec dosáhne -0,04% na stupeň Celsia při přibližně 3,5 V.

Použití Zenerovy diody jako snímače teploty

Dobrým využitím citlivosti Zenerovy diody na změnu teploty je použití zařízení jako zařízení teplotního senzoru, jak je znázorněno v následujícím diagramu

Diagram ukazuje můstkovou síť vytvořenou pomocí dvojice rezistorů a dvojice Zenerových diod se stejnými vlastnostmi. Jedna ze zenerových diod funguje jako generátor referenčního napětí, zatímco druhá zenerova dioda se používá ke snímání změn teplotních úrovní.

Standardní 10 V Zener může mít teplotní koeficient + 0,07% / ° C, který může odpovídat teplotním změnám 7 mV / ° C. Tím se vytvoří nerovnováha kolem 7 mV mezi dvěma rameny můstku pro každou změnu teploty o jeden stupeň Celsia. Pro zobrazení příslušných odečtů teploty lze v indikované poloze použít 50 mV plný FSD měřič.

Přizpůsobení hodnoty Zenerovy diody

U některých obvodových aplikací může být nutné mít přesnou zenerovu hodnotu, což může být nestandardní hodnota nebo hodnota, která není snadno dostupná.

V takových případech lze vytvořit řadu zenerových diod, které lze poté použít k získání požadované vlastní hodnoty zenerových diod, jak je uvedeno níže:

V tomto příkladu lze na různých terminálech získat mnoho přizpůsobených nestandardních zenerových hodnot, jak je popsáno v následujícím seznamu:

Můžete použít další hodnoty v uvedených pozicích a získat mnoho dalších přizpůsobených sad výstupu zenerovy diody

Zenerovy diody se střídavým napájením

Diody Zeners se běžně používají se stejnosměrným napájením, ale tato zařízení mohou být také navržena pro práci se střídavým napájením. Několik střídavých aplikací zenerových diod zahrnuje audio, vysokofrekvenční obvody a další formy řídicích systémů střídavého proudu.

Jak je ukázáno v níže uvedeném příkladu, když je použito střídavé napájení se zenerovou diodou, zener bude okamžitě provádět, jakmile AC signál projde z nuly do záporné poloviny svého cyklu. Protože je signál záporný, střídavý proud bude zkratován z anody na katodu zenerovy sondy, což způsobí, že 0 V se objeví jako výstup.

Když se zdroj střídavého proudu pohybuje napříč kladnou polovinou cyklu, zenerovo chování neprobíhá, dokud střídavé napětí nevystoupá na úroveň zenerova napětí. Když střídavý signál překročí zenerovo napětí, zener vede a stabilizuje výstup na úroveň 4,7 V, dokud střídavý cyklus neklesne zpět na nulu.

Nezapomeňte, že když používáte zener se vstupem střídavého proudu, ujistěte se, že Rs se počítá podle špičkového napětí střídavého proudu.

Ve výše uvedeném příkladu není výstup symetrický, spíše pulzující 4,7 V DC. Za účelem získání symetrického 4,7 V střídavého proudu na výstupu lze připojit dva zády k sobě, jak je znázorněno na následujícím diagramu

Potlačování hluku Zenerovy diody

Ačkoli zenerovy diody poskytují rychlý a snadný způsob vytváření stabilizovaných výstupů pevného napětí, má jednu nevýhodu, která může ovlivnit citlivé zvukové obvody, jako jsou výkonové zesilovače.

Zenerovy diody generují při provozu hluk díky lavinovému efektu spojení při přepínání v rozsahu od 10 uV do 1 mV. To lze potlačit přidáním kondenzátoru paralelně se zenerovou diodou, jak je znázorněno níže:

Hodnota kondenzátoru může být mezi 0,01 uF a 0,1 uF, což umožní potlačení šumu o faktor 10 a bude udržovat nejlepší možnou stabilizaci napětí.

Následující graf ukazuje účinek kondenzátoru na snížení šumu zenerovy diody.

Použití Zenerova filtru pro zvlnění napětí

Zenerovy diody lze také použít jako efektivní filtry zvlnění napětí, stejně jako se používají pro stabilizaci střídavého napětí.

Díky extrémně nízké dynamické impedanci mohou zenerovy diody fungovat jako zvlněný filtr úplně stejně jako filtrační kondenzátor.

Velmi působivé zvlnění filtrování lze dosáhnout připojením Zenerovy diody přes zátěž s jakýmkoli zdrojem stejnosměrného proudu. Zde musí být napětí stejné jako úroveň zvlnění koryta.

Ve většině obvodových aplikací to může fungovat stejně efektivně jako typický vyhlazovací kondenzátor s kapacitou několika tisíc mikrofarad, což má za následek výrazné snížení úrovně zvlnění napětí překrývajícího se na stejnosměrném výstupu.

Jak zvýšit kapacitu zpracování energie Zenerovy diody

Snadný způsob, jak zvýšit kapacitu zpracování energie zenerových diod, je pravděpodobně jen paralelní připojení, jak je znázorněno níže:

Prakticky to však nemusí být tak jednoduché, jak to vypadá, a nemusí to fungovat podle plánu. Důvodem je, že stejně jako každé jiné polovodičové zařízení, ani zenery nikdy nepřicházejí s přesně identickými charakteristikami, proto jeden z zenerů může vést dříve, než druhý protáhne celý proud sám sebou a nakonec se zničí.

Rychlým způsobem, jak čelit tomuto problému, může být přidání rezistorů s nízkými hodnotami ke každému zenerovým diodám, jak je znázorněno níže, což umožní každé zenerově diodě rovnoměrně sdílet proud prostřednictvím kompenzace úbytků napětí generovaných odpory R1 a R2:

I když lze kapacitu manipulace s výkonem zvýšit paralelním připojením Zenerových diod, mnohem vylepšeným přístupem může být přidání bočníku BJT ve spojení se zenerovou diodou nakonfigurovanou jako referenční zdroj. Podívejte se na následující příklad schématu pro stejné.

Přidání bočního tranzistoru nejen zvyšuje kapacitu zpracování zenerovy energie o faktor 10, ale dále zlepšuje úroveň regulace napětí na výstupu, která může být stejně vysoká jako specifikovaný proudový zisk tranzistoru.

Tento typ Zenerova regulátoru bočních tranzistorů lze použít pro experimentální účely, protože obvod je vybaven 100% ochranou proti zkratu. To znamená, že konstrukce je poměrně neúčinná, protože tranzistor může při absenci zátěže rozptýlit značné množství proudu.

Pro ještě lepší výsledky, a sériový tranzistor typ regulátoru, jak je znázorněno níže, vypadá lépe a výhodněji.

V tomto obvodu vytváří Zenerova dioda referenční napětí pro sériový tranzistor, který v podstatě funguje jako sledovač emitorů . Výsledkem je, že napětí emitoru je udržováno mezi několika desetinami voltu základního napětí tranzistoru vytvořeného Zenerovou diodou. V důsledku toho tranzistor pracuje jako sériová součást a umožňuje efektivní řízení kolísání napájecího napětí.

Celý zatěžovací proud nyní běží přes tento sériový tranzistor. Výkonová kapacita tohoto typu konfigurace je zcela stanovena hodnotou a specifikací tranzistorů a také závisí na účinnosti a kvalitě použitého chladiče.

Z výše uvedeného provedení lze dosáhnout vynikající regulace pomocí rezistoru řady 1k. Regulaci lze zvýšit s faktorem 10 nahrazením normálního zeneru speciální nízko dynamickou zenerovou diodou, jako je 1N1589).

V případě, že chcete, aby výše uvedený obvod poskytoval regulovaný výstup s proměnným napětím, lze toho snadno dosáhnout použitím 1K potenciometru přes Zenerovu diodu. To umožňuje nastavit proměnné referenční napětí na základně sériového tranzistoru.

Tato úprava však může mít za následek nižší účinnost regulace v důsledku určitého posunovacího efektu vytvořeného potenciometrem.

Obvod Zenerovy diody s konstantním proudem

Jednoduché Zenerovo regulované napájení konstantním proudem lze navrhnout prostřednictvím jediného tranzistoru jako rezistor s proměnnou sérií. Obrázek níže ukazuje základní schéma zapojení.

Zde můžete vidět dvojici průchodů obvodu, jeden přes zenerovou diodu zapojenou do série s předpínacím odporem, zatímco druhá cesta je přes rezistory R1, R2 a sériový tranzistor.

V případě, že se proud odchyluje od původního rozsahu, vytváří proporcionální změnu úrovně předpětí R3, což zase způsobuje úměrné zvyšování nebo snižování odporu sériového tranzistoru.

Toto nastavení odporu tranzistoru vede k automatické korekci výstupního proudu na požadovanou úroveň. Přesnost řízení proudu v tomto provedení bude kolem +/- 10% v reakci na výstupní podmínky, které se mohou pohybovat mezi zkratem a zatížením až 400 Ohm.

Spínací obvod sekvenčního relé pomocí Zenerovy diody

Pokud máte aplikaci, kde je vyžadováno postupné přepínání sady relé na vypínači místo toho, aby se všechny aktivovaly společně, může se následující design ukázat jako docela užitečný.

Zde se postupně zvyšují zenerovy diody instalované v sérii se skupinou relé spolu s jednotlivými nízkohodnotovými sériovými odpory. Když je ZAPNUTO napájení, zenerovy diody vedou jednu po druhé postupně v rostoucím pořadí jejich zenerových hodnot. Výsledkem je postupné sepnutí relé podle požadavků aplikace. Hodnoty odporů mohou být 10 ohmů nebo 20 ohmů v závislosti na hodnotě odporu cívky relé.

Zenerova diodový obvod pro ochranu proti přepětí

Vzhledem k jejich napěťově citlivé charakteristice je možné kombinovat Zenerovy diody s charakteristikami pojistek citlivými na proud k ochraně rozhodujících komponent obvodu před vysokonapěťovými přepětími a navíc k eliminaci potíží s častým přepínáním pojistek, k čemuž může dojít zejména při jmenovitém stavu pojistky je velmi blízko specifikaci provozního proudu obvodu.

Spojením správně dimenzované Zenerovy diody přes zátěž lze použít pojistku, která je vhodně dimenzována pro dlouhodobý zvládnutí zamýšleného zátěžového proudu. V této situaci předpokládejme, že se vstupní napětí zvýší do té míry, že překročí Zenerovo průrazné napětí - vynutí Zenerovu diodu k vedení. To způsobí náhlý nárůst proudu, který vyfukuje pojistku téměř okamžitě.

Výhodou tohoto obvodu je, že brání tomu, aby pojistka často a nepředvídatelně spalovala kvůli své blízké hodnotě fixace zátěžovému proudu. Místo toho pojistka vybuchne, pouze když napětí a proud skutečně vzroste nad stanovenou nebezpečnou úroveň.

Ochranný obvod podpětí pomocí Zenerovy diody

Relé a vhodně zvolená zenerova dioda jsou dostatečné k vytvoření přesného ochranného obvodu nízkého napětí nebo podpětí pro jakékoli požadované použití. Schéma zapojení je uvedeno níže:

Operace je ve skutečnosti velmi jednoduchá, napájení Vin, které je získáváno ze sítě transformátorového můstku, se mění úměrně v závislosti na vstupních střídavých změnách. To znamená, že pokud předpokládáme, že 220 V odpovídá 12 V od transformátoru, pak 180 V by mělo odpovídat 9,81 V atd. Pokud se tedy předpokládá, že 180 V je prahová hodnota pro vypnutí nízkého napětí, pak výběr zenerovy diody jako 10 V zařízení přeruší činnost relé, kdykoli vstupní AC poklesne pod 180 V.