Circuite diode Zener, caracteristici, calcule

Diodele Zener - numite după inventatorul său, Dr. Carl Zener, sunt utilizate în mod fundamental în circuitele electronice pentru a genera referințe precise de tensiune. Acestea sunt dispozitive capabile să creeze o tensiune practic constantă, indiferent de variațiile circuitului și ale situațiilor de tensiune.

Pe plan extern, puteți găsi diode zener similare cu diodele standard, cum ar fi 1N4148. Diodele Zener funcționează, de asemenea, rectificând AC în DC pulsant, la fel ca alternativele lor tradiționale. Cu toate acestea, spre deosebire de diodele redresoare standard, diodele zener sunt configurate cu catodul lor conectat direct cu pozitivul alimentării și cu anodul cu alimentarea negativă.

Caracteristici

În configurația sa standard, diodele Zener prezintă o rezistență ridicată sub o anumită tensiune critică (cunoscută sub numele de tensiunea Zerier). Când această tensiune critică specifică este depășită, rezistența activă a diodei Zener cade la un nivel extrem de scăzut.

Și la această valoare de rezistență scăzută, o tensiune constantă efectivă este menținută în Zeners și se poate aștepta ca această tensiune constantă să se păstreze indiferent de orice modificare a curentului sursă.

În cuvinte simple, ori de câte ori alimentarea prin dioda zener depășește valoarea zener nominală, dioda zener conduce și fundamentează excesul de tensiune. Datorită acestui fapt, tensiunea scade sub tensiunea zener care oprește zenerul, iar alimentarea încearcă din nou să depășească tensiunea zener, pornind din nou zenerul. Acest ciclu se repetă rapid, ceea ce duce în cele din urmă la stabilizarea ieșirii la o valoare de tensiune zener constantă.

Această caracteristică este evidențiată grafic în figura de mai jos, ceea ce indică faptul că deasupra „tensiunii Zener” tensiunea inversă continuă să fie aproape constantă chiar și cu variații ale curentului invers. Ca urmare, diodele Zener sunt adesea utilizate pentru a obține o cădere constantă de tensiune sau tensiune de referință, cu rezistența lor internă.

Diodele Zener sunt proiectate în multe puteri nominale și cu tensiuni nominale cuprinse între 2,7 volți și 200 volți. (Cu toate acestea, în cea mai mare parte, diodele Zener cu valori mult peste 30 de volți sunt aproape niciodată utilizate.)

Funcționarea circuitului de bază Zener Diode

Un circuit regulator de tensiune standard, care utilizează un singur rezistor și o diodă Zener, poate fi observat în următoarea imagine. Aici, să presupunem că valoarea diodei Zener este de 4,7 V și tensiunea de alimentare V in este de 8,0 V.

Funcționarea de bază a unei diode zener poate fi explicată cu următoarele puncte:

În absența unei sarcini pe ieșirea diodei zener, un 4,7 volți poate fi văzut căzut peste dioda Zener în timp ce o rezistență de 2,4 volți este dezvoltată pe rezistorul R.

Acum, în cazul în care tensiunea de intrare este modificată, să ne imaginăm, de la 8,0 la 9,0 V, va provoca căderea de tensiune în Zener să mențină în continuare valoarea nominală de 4,7 V.

Cu toate acestea, căderea de tensiune pe rezistorul R a putut fi văzută ridicată, de la 2,4 V, la 3,4 V.

Se poate aștepta ca căderea de tensiune pe un Zener ideal să fie destul de constantă. Practic, este posibil să constatați că tensiunea pe zener crește ușor din cauza rezistenței dinamice a Zenerului.

Procedura prin care se calculează modificarea tensiunii Zener este înmulțirea rezistenței dinamice zener cu modificarea curentului Zener.

Rezistorul R1, în proiectarea regulatorului de bază de mai sus, simbolizează sarcina preferată care poate fi conectată cu zenerul. R1 în această legătură va atrage o anumită cantitate de curent care se deplasa prin Zener.

Deoarece curentul în Rs va fi mai mare decât curentul care intră în sarcină, o cantitate de curent va continua să treacă prin Zener permițând o tensiune perfect constantă în Zener și sarcină.

Rezistorul de serie indicat Rs trebuie determinat în așa fel încât cel mai mic curent care intră în Zener să fie întotdeauna mai mare decât nivelul minim specificat pentru o reglare stabilă de la zener. Acest nivel începe chiar sub „genunchiul” curbei de tensiune inversă / curent invers așa cum s-a învățat din diagrama grafică anterioară de mai sus.

În plus, trebuie să vă asigurați că selectarea Rs asigură faptul că curentul care trece prin dioda Zener nu depășește niciodată puterea nominală: care poate fi echivalentă cu tensiunea Zener x curentul Zener. Este cea mai mare cantitate de curent care poate trece prin dioda Zener în absența sarcinii R1.

Cum se calculează diodele Zener

Proiectarea unui circuit zener de bază este de fapt simplă și poate fi implementată prin următoarele instrucțiuni:

1. Determinați curentul maxim și minim de sarcină (Li), de exemplu 10 mA și 0 mA.
2. Determinați tensiunea maximă de alimentare care se poate dezvolta, de exemplu un nivel de 12 V, asigurându-vă, de asemenea, că tensiunea minimă de alimentare este întotdeauna = 1,5 V + Vz (valoarea tensiunii zener).
3. Așa cum se indică în proiectarea regulatorului de bază, tensiunea de ieșire necesară, care este tensiunea Zener echivalentă Vz = 4,7 volți, și valoarea selectată cel mai mic curent Zener este de 100 de microampere . Acest lucru implică faptul că curentul maxim Zener dorit aici este de 100 microamperi plus 10 miliamperi, adică 10,1 miliamperi.
4. Rezistorul de serie R trebuie să permită cantitatea minimă de curent de 10,1 mA chiar și atunci când sursa de intrare este cel mai scăzut nivel specificat, care este cu 1,5 V mai mare decât valoarea zener selectată Vz și poate fi calculată folosind legea Ohms ca: Rs = 1,5 / 10,1 x 10^-3= 148,5 ohmi. Cea mai apropiată valoare standard pare să fie de 150 Ohm, deci Rs poate fi de 150 ohmi.
5. Dacă tensiunea de alimentare crește la 12 V, căderea de tensiune pe Rs va fi Iz x Rs, unde Iz = curent prin zener. Prin urmare, aplicând legea lui Ohm obținem Iz = 12 - 4,7 / 150 = 48,66 mA
6. Cel de mai sus este curentul maxim care va fi permis să treacă prin dioda zener. Cu alte cuvinte, curentul maxim care poate curge în timpul sarcinii maxime de ieșire sau a intrării maxime specificate a tensiunii de alimentare. În aceste condiții, dioda zener va disipa o putere de Iz x Vz = 48,66 x 4,7 = 228 mW. Cea mai apropiată valoare nominală a puterii standard pentru a îndeplini acest lucru este de 400 mW.

Efectul temperaturii asupra diodelor Zener

Împreună cu parametrii de tensiune și sarcină, diodele Zener sunt, de asemenea, destul de rezistente la variațiile de temperatură din jurul lor. Cu toate acestea, peste o anumită măsură, temperatura poate avea un anumit efect asupra dispozitivului, așa cum este indicat în graficul de mai jos:

Arată curba coeficientului de temperatură a diodei zener. Deși la tensiuni mai mari, curba coeficientului răspunde la aproximativ 0,1% pe grad Celsius, se deplasează prin zero la 5 V și apoi devine negativă pentru nivelurile de tensiune mai mici. În cele din urmă, atinge -0,04% pe grad Celsius la aproximativ 3,5 V.

Utilizarea diodei Zener ca senzor de temperatură

O utilizare bună a sensibilității diodei Zener la schimbarea temperaturii este aplicarea dispozitivului ca dispozitiv de senzor de temperatură, așa cum se arată în următoarea diagramă.

Diagrama arată o rețea de punte construită folosind o pereche de rezistențe și o pereche de diode Zener având caracteristici identice. Una dintre diodele zener funcționează ca un generator de tensiune de referință, în timp ce cealaltă diodă zener este utilizată pentru detectarea modificărilor nivelurilor de temperatură.

Un Zener standard de 10 V poate avea un coeficient de temperatură de + 0,07% / ° C care poate corespunde unei variații a temperaturii de 7 mV / ° C. Acest lucru va crea un dezechilibru de aproximativ 7 mV între cele două brațe ale podului pentru fiecare variație de grad Celsius a temperaturii. Un contor FSD complet de 50 mV poate fi utilizat în poziția indicată pentru afișarea citirilor de temperatură corespunzătoare.

Personalizarea valorii diodei Zener

Pentru unele aplicații de circuit, poate fi necesar să aveți o valoare zener precisă, care poate fi o valoare nestandardă sau o valoare care nu este disponibilă imediat.

Pentru astfel de cazuri poate fi creată o serie de diode zener care pot fi apoi utilizate pentru obținerea unei valori de diode zener personalizate dorite, așa cum se arată mai jos:

În acest exemplu, multe valori zener personalizate, non standard, ar putea fi achiziționate la diferite terminale, așa cum este descris în următoarea listă:

Puteți utiliza alte valori în pozițiile indicate pentru a obține multe alte seturi personalizate de ieșire diodă zener

Diodele Zener cu alimentare de curent alternativ

Diodele Zeners sunt utilizate în mod normal cu sursele de curent continuu, însă aceste dispozitive pot fi proiectate și pentru a funcționa cu sursele de curent alternativ. Câteva aplicații AC ale diodelor zener includ audio, circuite RF și alte forme de sisteme de control AC.

Așa cum se arată în exemplul de mai jos când o sursă de curent alternativ este utilizată cu o diodă zener, zenerul va conduce instantaneu imediat ce semnalul de curent alternativ trece de la zero către jumătatea negativă a ciclului său. Deoarece, semnalul este negativ, prin urmare, AC va fi scurtcircuitat prin anodul către catodul zenerului, determinând ieșirea de 0 V.

Când alimentarea cu curent alternativ se deplasează în jumătatea pozitivă a ciclului, zenerul nu conduce până când AC nu urcă până la nivelul de tensiune zener. Când semnalul de curent alternativ traversează tensiunea zenerului, zenerul conduce și stabilizează ieșirea la un nivel de 4,7 V, până când ciclul de curent alternativ cade înapoi la zero.

Amintiți-vă, în timp ce utilizați zener cu o intrare AC, asigurați-vă că Rs este calculat conform tensiunii de vârf AC.

În exemplul de mai sus, ieșirea nu este simetrică, ci mai degrabă un puls de 4,7 V DC. Pentru a obține o ieșire simetrică de 4,7 V c.a., doi zeneri spate în spate ar putea fi conectați așa cum este descris în diagrama de mai jos

Suprimarea zgomotului diodei Zener

Deși diodele zener oferă o modalitate rapidă și ușoară de a crea ieșiri stabilizate de tensiune fixă, are un dezavantaj care poate afecta circuitele audio sensibile, cum ar fi amplificatoarele de putere.

Diodele Zener generează zgomot în timpul funcționării datorită efectului lor de avalanșă de joncțiune în timpul comutării, variind de la 10 uV la 1 mV. Acest lucru poate fi suprimat prin adăugarea unui condensator în paralel cu dioda zener, așa cum se arată mai jos:

Valoarea condensatorului poate fi cuprinsă între 0,01 uF și 0,1 uF, ceea ce va permite suprimarea zgomotului cu un factor de 10 și va menține cea mai bună stabilizare de tensiune posibilă.

Următorul grafic arată efectul condensatorului pentru reducerea zgomotului diodei zener.

Utilizarea Zener pentru filtrarea tensiunii Ripple

Diodele Zener pot fi, de asemenea, aplicate ca filtre eficiente de tensiune de ondulare, la fel cum sunt utilizate pentru stabilizarea tensiunii de curent alternativ.

Datorită impedanței sale dinamice extrem de scăzute, diodele zener sunt capabile să funcționeze ca un filtru ondulat la fel ca condensatorul filtrului.

Filtrarea foarte impresionantă a ondulării poate fi obținută prin conectarea unei diode Zener peste sarcină, cu orice sursă de curent continuu. Aici, tensiunea trebuie să fie aceeași cu nivelul de undă.

În majoritatea aplicațiilor de circuite, acest lucru poate funcționa la fel de eficient ca un condensator tipic de netezire cu o capacitate de câteva mii de microfarade, rezultând o reducere semnificativă a nivelului de tensiune de ondulare suprapus la ieșirea de curent continuu.

Cum se mărește capacitatea de manipulare a puterii diodei Zener

O modalitate ușoară de a crește capacitatea de manipulare a puterii diodei zener este probabil să le conectați în paralel, așa cum se arată mai jos:

Cu toate acestea, practic acest lucru nu poate fi la fel de simplu pe cât pare și poate să nu funcționeze așa cum se intenționează. Acest lucru se datorează faptului că, la fel ca orice alt dispozitiv semiconductor, zenerii nu vin niciodată cu caracteristici exact identice, prin urmare, unul dintre zeneri poate conduce înainte ca celălalt să treacă întregul curent prin el însuși, în cele din urmă fiind distrus.

O modalitate rapidă de a contracara această problemă poate fi adăugarea unor rezistențe de serie cu valori mici cu fiecare diodă zener așa cum se arată mai jos, ceea ce va permite fiecărei diode zener să împartă curentul în mod uniform prin căderi de tensiune compensatoare generate de rezistențele R1 și R2:

Deși, capacitatea de manipulare a puterii poate fi mărită prin conectarea diodelor Zener în paralel, o abordare mult îmbunătățită poate fi adăugarea unui șunt BJT împreună cu o diodă zener configurată ca sursă de referință. Vă rugăm să consultați următorul exemplu schematic pentru același lucru.

Adăugarea unui tranzistor de șunt nu numai că mărește capacitatea de manipulare a puterii zenerului cu un factor de 10, ci îmbunătățește și mai mult nivelul de reglare a tensiunii la ieșire, care poate fi la fel de mare ca și câștigul de curent specificat al tranzistorului.

Acest tip de regulator zener cu tranzistor de șunt poate fi utilizat în scopuri experimentale, deoarece circuitul are o instalație 100% rezistentă la scurtcircuit. Acestea fiind spuse, proiectarea este destul de ineficientă, deoarece tranzistorul poate disipa o cantitate semnificativă de curent în absența unei sarcini.

Pentru rezultate și mai bune, a tranzistor de serie tipul de regulator așa cum se arată mai jos pare o opțiune mai bună și preferabilă.

În acest circuit, dioda Zener creează o tensiune de referință pentru tranzistorul de trecere în serie, care, în esență, funcționează ca un adept emițător . Ca rezultat, tensiunea emițătorului este menținută între câteva zecimi de volt din tensiunea de bază a tranzistorului, creată de dioda Zener. În consecință, tranzistorul funcționează ca o componentă de serie și permite controlul eficient al variațiilor de tensiune de alimentare.

Întregul curent de încărcare rulează acum prin intermediul acestui tranzistor de serie. Capacitatea de gestionare a puterii acestui tip de configurație este stabilită în totalitate de valoarea și specificația tranzistoarelor și depinde, de asemenea, de eficiența și calitatea radiatorului utilizat.

Reglarea excelentă ar putea fi obținută din designul de mai sus, folosind un rezistor din seria 1k. Reglarea ar putea fi mărită cu un factor de 10 prin înlocuirea zenerului normal cu o diodă zener specială cu dinamică redusă, cum ar fi un 1N1589).

În cazul în care doriți ca circuitul de mai sus să furnizeze o ieșire reglată de tensiune variabilă, acesta ar putea fi realizat cu ușurință utilizând un potențiometru de 1K pe dioda Zener. Acest lucru permite reglarea unei tensiuni variabile de referință la baza tranzistorului de serie.

Cu toate acestea, această modificare poate avea ca rezultat o eficiență de reglare mai mică, datorită unui anumit efect de manevră creat de potențiometru.

Circuit cu diodă Zener de curent constant

O simplă sursă de curent constant reglată de Zener poate fi proiectată printr-un singur tranzistor ca rezistor de serie variabilă. Figura de mai jos demonstrează schema circuitului de bază.

Puteți vedea câteva pasaje de circuit aici, unul prin dioda zener conectată în serie cu rezistorul de polarizare, în timp ce cealaltă cale este prin rezistențele R1, R2 și tranzistorul de serie.

În cazul în care curentul se abate de la intervalul inițial, creează o schimbare proporțională a nivelului de polarizare a lui R3, ceea ce determină la rândul său creșterea sau scăderea proporțională a rezistenței tranzistorului de serie.

Această ajustare a rezistenței tranzistorului are ca rezultat o corecție automată a curentului de ieșire la nivelul dorit. Precizia controlului curentului în acest design va fi de aproximativ +/- 10% ca răspuns la condiții de ieșire care pot varia între un scurtcircuit și o încărcare de până la 400 Ohm.

Circuit de comutare a releuului secvențial folosind dioda Zener

Dacă aveți o aplicație în care este necesar ca un set de relee să fie comutat secvențial unul după altul pe comutatorul de alimentare în loc să se activeze toate împreună, atunci următorul design se poate dovedi destul de util.

Aici, diodele zener cu creștere secvențială sunt instalate în serie cu un grup de relee împreună cu rezistențe individuale din serie de valoare mică. Când alimentarea este pornită, diodele zener conduc una după alta în ordine în creștere a valorilor lor zener. Acest lucru are ca rezultat pornirea releului în ordine după cum dorește aplicația. Valorile rezistențelor pot fi de 10 ohmi sau 20 ohmi, în funcție de valoarea rezistenței bobinei releului.

Circuit cu diode Zener pentru protecție la supratensiune

Datorită caracteristicii lor sensibile la tensiune, este posibilă combinarea diodelor Zener cu caracteristica sensibilă la curent a siguranțelor pentru protejarea componentelor cruciale ale circuitului de supratensiuni de înaltă tensiune și eliminarea suplimentară a problemelor de siguranță de la suflarea frecventă, ceea ce se poate întâmpla mai ales atunci când o siguranță nominală este foarte aproape de specificația curentului de funcționare a circuitului.

Prin alăturarea unei diode Zener corect cotate peste sarcină, poate fi utilizată o siguranță adecvată pentru a gestiona curentul de sarcină dorit pentru perioade prelungite. În această situație, să presupunem că tensiunea de intrare crește într-o măsură care depășește tensiunea de rupere Zener - va forța dioda Zener să conducă. Acest lucru va determina o creștere bruscă a curentului care suflă siguranța aproape instantaneu.

Avantajul acestui circuit este că împiedică siguranța să sufle frecvent și imprevizibil datorită valorii sale de fuziune apropiate de curentul de sarcină. În schimb, siguranța suflă numai atunci când tensiunea și curentul crește cu adevărat dincolo de un nivel nesigur specificat.

Circuit de protecție la subtensiune folosind dioda Zener

Un releu și o diodă zener selectată corespunzător sunt suficiente pentru a crea un circuit de protecție precis de joasă tensiune sau sub tensiune pentru orice aplicație dorită. Schema circuitului este prezentată mai jos:

Operațiunea este de fapt foarte simplă, alimentarea cu Vin care este achiziționată dintr-o rețea de poduri de transformare variază proporțional în funcție de variațiile de intrare AC. Asta implică, dacă presupunem că 220 V corespunde la 12 V de la transformator, atunci 180 V ar trebui să corespundă la 9,81 V și așa mai departe. Prin urmare, dacă se presupune că 180 V este pragul de întrerupere a tensiunii joase, atunci selectarea diodei zener ca dispozitiv de 10 V va întrerupe funcționarea releului ori de câte ori intrarea CA scade sub 180 V.