- Introduktion
- Operationsprincip for Zener Diode:
- Anvendelser af Zener-diode:
- 1. Zener-diode som spændingsregulator
- 2. Zener-diode som Waveform Clipper
- 3. Zener-diode som spændingsskifter
- Typer af Zener-dioder:
- Konklusion:
Introduktion
Dioder er generelt kendt som en enhed, der tillader strømmen af strøm i en retning (fremadspændt) og tilbyder modstand mod strømmen, når den anvendes i omvendt forspænding. Zener-diode (opkaldt efter den amerikanske videnskabsmand C. Zener, der først forklarede dens operationelle principper) tillader på den anden side ikke kun strømmen af strøm, når den bruges i fremadgående bias, men de tillader også strømmen af strøm, når den bruges i den omvendte bias indtil videre er den anvendte spænding over nedbrydningsspændingen kendt som Zener- nedbrydningsspændingen. Eller med andre ord Breakdown spænding er den spænding, hvorpå Zener Diode begynder at lede i omvendt retning.
Operationsprincip for Zener Diode:
I normale dioder er nedbrydningsspændingen meget høj, og dioden bliver helt beskadiget, hvis der anvendes en spænding over nedbrydningsdioden, men i Zener-dioder er nedbrydningsspændingen ikke så høj og fører ikke til permanent beskadigelse af zenerdioden, hvis spændingen tilføres.
Da den omvendte spænding, der påføres Zener-dioden, stiger mod den specificerede nedbrydningsspænding (Vz), begynder en strøm at strømme gennem dioden, og denne strøm er kendt som Zener- strømmen, og denne proces er kendt som lavinefordeling . Strømmen stiger til et maksimum og bliver stabiliseret. Denne strøm forbliver konstant over det bredere område af anvendt spænding og gør det muligt for Zener-dioden at modstå med højere spænding uden at blive beskadiget. Denne strøm bestemmes af seriemodstanden.
Overvej nedenstående billeder af en normal diode i aktion.
For at vise operationerne af zenerdioden skal du overveje de to eksperimenter (A og B) nedenfor.
I eksperiment A er en 12V zenerdiode forbundet i omvendt forspændt som vist på billedet, og det kan ses, at zenerdioden blokerede spændingen effektivt, fordi den var mindre / lig med nedbrydningsspændingen for den bestemte zenerdiode og lampen således holdt sig væk.
I eksperiment B leder en 6v Zener-diode, der anvendes (pæren tændes) i omvendt forspænding, fordi den påførte spænding er større end dens nedbrydningsspænding og viser således, at nedbrydningsområdet er det område, hvor zenerdioden fungerer.
Den nuværende spændingskarakteristik for Zener-dioden er vist nedenfor.
Fra grafen kan det udledes, at zenerdioden, der drives i omvendt forspændingstilstand, vil have en forholdsvis konstant spænding uanset strømforsyningen.
Anvendelser af Zener-diode:
Zener-dioder bruges i tre hovedapplikationer i elektroniske kredsløb;
1. Spændingsregulering
2. Waveform Clipper
3. Spændingsskifter
1. Zener-diode som spændingsregulator
Dette er uden tvivl den mest almindelige anvendelse af zener-dioder.
Denne anvendelse af zenerdioderne er stærkt afhængig af zenerdiodernes evne til at opretholde en konstant spænding uanset variationer i forsynings- eller belastningsstrøm. Den generelle funktion af en spændingsreguleringsanordning er at tilvejebringe en konstant udgangsspænding til en belastning, der er forbundet parallelt med den, uanset variationer i energien trukket af belastningen (Belastningsstrøm) eller variationer og ustabilitet i forsyningsspændingen.
Zener-dioden vil give konstant spænding, forudsat at strøm forbliver inden for området for den maksimale og minimale omvendte strøm.
Kredsløbsdiagrammet, der viser Zener-dioden, der bruges som en spændingsregulator, er vist nedenfor.
En modstand, R1 er forbundet i serie med zenerdioden for at begrænse strømmen, der strømmer gennem dioden, og indgangsspændingen Vin (som skal være større end zenerspændingen) er forbundet over som vist på billedet og udgangsspændingen Vout, tages over zenerdioden med Vout = Vz (Zener Voltage). Da zener-diodens omvendte biasegenskaber er det, der er nødvendigt for at regulere spændingen, er den forbundet i omvendt bias-tilstand, hvor katoden er forbundet til den positive skinne i kredsløbet.
Der skal udvises forsigtighed, når man vælger værdien af modstanden R1, da en modstand med en lille værdi vil resultere i en stor diodestrøm, når belastningen er tilsluttet, og dette vil øge diodens effektafledningskrav, som kan blive højere end den maksimale effektværdi på zeneren og kan beskadige den.
Værdien af den modstand, der skal anvendes, kan bestemmes ved hjælp af nedenstående formel.
R 1 = (V i - V Z) / I Z Hvor; R1 er værdien af seriemodstanden. Vin er indgangsspændingen. Vz, som er den samme som Vout, er Zener-spændingen, og Iz er zener-strømmen.
Ved at bruge denne formel bliver det let at sikre, at værdien af den valgte modstand ikke fører til strømmen højere end hvad zeneren kan håndtere.
Et lille problem, der opleves med zener-diode-baserede reguleringskredsløb, er, at Zener undertiden genererer elektrisk støj på forsyningsskinnen, mens den prøver at regulere indgangsspændingen. Selvom dette muligvis ikke er et problem for de fleste applikationer, kan dette problem løses ved at tilføje en afkoblingskondensator med stor værdi over dioden. Dette hjælper med at stabilisere output fra zener.
2. Zener-diode som Waveform Clipper
En af anvendelserne af normale dioder er i anvendelsen af klip- og klemkredsløb, som er kredsløb, der bruges til at forme eller modificere en indgangs-AC-bølgeform eller -signal, der producerer et forskelligt formet udgangssignal afhængigt af specifikationen for klipper eller klemmer.
Clippers kredsløb er generelt kredsløb, der bruges til at forhindre udgangssignalet fra et kredsløb i at gå ud over en forudbestemt spændingsværdi uden at ændre nogen anden del af indgangssignalet eller bølgeformen.
Disse kredsløb sammen med klemmer anvendes i vid udstrækning i analoge tv- og FM-radiosendere til fjernelse af interferens (klemmekredsløb) og begrænsning af støjtoppe ved klipning af høje toppe.
Da Zener-dioder generelt opfører sig som normale dioder, når den påførte spænding ikke er lig med nedbrydningsspændingen, bruges de således også i klipningskredsløb.
Klippekredsløb kan være designet til at klippe signalet enten i de positive, negative eller begge regioner. Selvom dioden naturligvis klipper af den anden region ved 0,7 V, uanset om den var designet som en positiv eller negativ klipper.
Overvej for eksempel kredsløbet nedenfor.
Clipper-kredsløbet er designet til at klippe udgangssignalet ved 6,2 v, så en 6,2 v zenerdiode blev brugt. Zenerdioden forhindrer udgangssignalet i at gå ud over zenerspændingen uanset indgangsbølgeformen. Til dette særlige eksempel blev der anvendt en 20V indgangsspænding, og udgangsspændingen på den positive svingning var 6,2V i overensstemmelse med spændingen i zenerdioden. Under den negative svingning af vekselstrømmen opfører zenerdioden sig imidlertid som den normale diode og klipper udgangsspændingen ved 0,7V, i overensstemmelse med normale silikondioder.
For at implementere klipningskredsløbet for den negative svingning af vekselstrømskredsen såvel som den positive svingning på en sådan måde, at spændingen klemmes på forskellige niveauer på den positive og negative svingning, anvendes et dobbelt zener-klipningskredsløb. Kredsløbsdiagrammet til det dobbelte zener-klipningskredsløb er vist nedenfor.
I afklipningskredsløbet ovenfor repræsenterer spændingen Vz2 spændingen på den negative svingning af vekselstrømskilden, ved hvilken udgangssignalet ønskes klippet, mens spænding Vz1 repræsenterer spændingen på den positive svingning af vekselstrømskilden, ved hvilken udgangsspændingen ønskes klippet.
3. Zener-diode som spændingsskifter
Spændingsskifteren er en af de enkleste, men interessante anvendelser af zenerdioden. Hvis du især har haft erfaring med at tilslutte en 3.3v sensor til en 5V MCU og har set førstehånds fejlene i aflæsninger osv., At dette kan føre til dem, vil du forstå vigtigheden af spændingsskiftere. Spændingsskiftere hjælper med at konvertere signal fra en spænding til en anden, og med zenerdiodeens evne til at opretholde en konstant udgangsspænding i nedbrydningsområdet, gør det dem til en ideel komponent til operationen.
I en zenerdiode-baseret spændingsskifter sænker kredsløbet udgangsspændingen med en værdi svarende til nedbrydningsspændingen for den bestemte zenerdiode, der bruges. Kredsløbsdiagrammet for spændingsskifteren er illustreret nedenfor.
Overvej eksperimentet nedenfor,
Kredsløbet beskriver en 3,3 v zenerdiode-baseret spændingsskifter. Kredsløbets udgangsspænding (3,72 V) gives ved at trække zenerdiodeens nedbrydningsspænding (3,3 V) fra indgangsspændingen (7 V).
Vout = Vin –Vz
Vout = 7 - 3.3 = 3.7v
Spændingsskifteren som beskrevet tidligere har flere anvendelser i moderne elektroniske kredsløb, da designingeniøren muligvis skal arbejde med op til tre forskellige spændingsniveauer til tider under designprocessen.
Typer af Zener-dioder:
Zener-dioder er kategoriseret i typer baseret på flere parametre, der inkluderer;
- Nominel spænding
- Effekttab
- Fremadgående strøm
- Fremadspænding
- Emballagetype
- Maksimal omvendt strøm
Nominel spænding
Den nominelle driftsspænding for en zenerdiode er også kendt som zenerdiodeens nedbrydningsspænding, afhængigt af den anvendelse, som dioden skal bruges til, er dette ofte det vigtigste kriterium for valg af zenerdiode.
Effekttab
Dette repræsenterer den maksimale mængde effekt, som zenerstrømmen kan sprede. Overskridelse af denne effektklasse fører til overdreven stigning i temperaturen på zenerdioden, som kan beskadige den og føre til svigt af de ting, der er forbundet med den i et kredsløb. Således skal denne faktor overvejes, når dioden vælges med brug i tankerne.
Maksimal zenerstrøm
Dette er den maksimale strøm, der kan ledes gennem zenerdioden ved zenerspændingen uden at beskadige enheden.
Minimum Zener Strøm
Dette refererer til den minimumstrøm, der kræves for, at zenerdioden kan begynde at fungere i nedbrydningsområdet.
Andre parametre, der fungerer som specifikationen for dioden, skal alle overvejes fuldt ud, før der træffes beslutning om typen af den slags zenerdiode, der er nødvendig til det særlige design.
Konklusion:
Her er 5 punkter, du aldrig bør glemme zenerdioden.
- En zenerdiode er kun som en almindelig diode, at den er blevet doteret for at have en skarp nedbrydningsspænding.
- Zener-dioden opretholder en stabil udgangsspænding uanset indgangsspændingen, forudsat at den maksimale zener-strøm ikke overskrides.
- Når den er tilsluttet i forspænding, opfører zenerdioden sig nøjagtigt som den normale silikondiode. Den udfører med det samme 0,7 v spændingsfald, der ledsager brugen af den normale diode.
- Zenerdiodeens standarddriftstilstand er i nedbrydningsområdet (omvendt forspændt). Det betyder, at det faktisk begynder at arbejde, når den påførte spænding er højere end Zener-spændingen i omvendt forspændt.
- Zenerdioden bruges mest i applikationer, der involverer, spændingsregulering, klipningskredsløb og spændingsskiftere.