Zenerdiodecircuits, kenmerken, berekeningen

Probeer Ons Instrument Voor Het Oplossen Van Problemen





Zenerdiodes - genoemd naar de uitvinder Dr. Carl Zener worden fundamenteel gebruikt in elektronische schakelingen voor het genereren van nauwkeurige spanningsreferenties. Dit zijn apparaten die in staat zijn om een ​​praktisch constante spanning over hen heen te creëren, ongeacht variaties in circuit- en spanningssituaties.

Uiterlijk vindt u zenerdiodes veel vergelijkbaar met standaarddiodes zoals 1N4148. Zenerdiodes werken ook door wisselstroom om te zetten in pulserende gelijkstroom, net als hun traditionele alternatieven. In tegenstelling tot standaard gelijkrichterdiodes, zijn zenerdiodes geconfigureerd met hun kathode direct verbonden met de plus van de voeding en anode met de negatieve voeding.



Kenmerken

In de standaardconfiguratie vertonen zenerdiodes een hoge weerstand onder een bepaalde, kritische spanning (bekend als de nulspanning). Wanneer deze specifieke kritische spanning wordt overschreden, daalt de actieve weerstand van de zenerdiode tot een extreem laag niveau.

En bij deze lage weerstandswaarde wordt een effectieve constante spanning vastgehouden over de zeners, en deze constante spanning kan naar verwachting behouden blijven ongeacht enige verandering in de bronstroom.



In eenvoudige bewoordingen, telkens wanneer de voeding over de zenerdiode de nominale zenerwaarde overschrijdt, geleidt en aardt de zenerdiode de overtollige spanning. Hierdoor daalt de spanning tot onder de zenerspanning die de zener UITschakelt, en de voeding probeert opnieuw de zenerspanning te overschrijden door de zener opnieuw in te schakelen. Deze cyclus herhaalt zich snel, wat uiteindelijk resulteert in het stabiliseren van de output tot exact op een constante zenerspanningswaarde.

Dit kenmerk wordt grafisch gemarkeerd in de onderstaande afbeelding, die aangeeft dat boven de 'zenerspanning' de sperspanning bijna constant blijft, zelfs met variaties in tegenstroom. Dientengevolge worden zenerdiodes vaak gebruikt om een ​​constante spanningsval of referentiespanning te krijgen met hun interne weerstand.

Zenerdiodes zijn ontworpen in veel wattage-waarden en met spanningswaarden die variëren van 2,7 volt tot 200 volt. (Meestal worden zenerdiodes met waarden ver boven 30 volt echter zelden gebruikt.)

Basis zenerdiodecircuit werken

Een standaard spanningsregelaarcircuit, dat een enkele weerstand en een zenerdiode gebruikt, is te zien in de volgende afbeelding. Laten we hier aannemen dat de waarde van de zenerdiode 4,7 V is en de voedingsspanning V in is 8,0 V.

De basiswerking van een zenerdiode kan worden verklaard met de volgende punten:

Bij afwezigheid van een belasting over de uitgang van de zenerdiode, kan een 4,7 volt worden gezien die over de zenerdiode valt, terwijl een afgesneden 2,4 volt wordt ontwikkeld over weerstand R.

Laten we ons nu eens voorstellen dat, voor het geval de ingangsspanning wordt gewijzigd, van 8,0 naar 9,0 V, de spanningsval over de Zener nog steeds de nominale 4,7 V handhaaft.

De spanningsval over de weerstand R kon echter worden verhoogd, van 2,4 V naar 3,4 V.

De spanningsval over een ideale Zener is naar verwachting vrij constant. In de praktijk kan het zijn dat de spanning over de zener iets toeneemt vanwege de dynamische weerstand van de zener.

De procedure waarmee de verandering in zenerspanning wordt berekend, is door de dynamische zener-weerstand te vermenigvuldigen met de verandering in zenerstroom.

De weerstand R1, in het bovenstaande basisregelaarontwerp, symboliseert de voorkeursbelasting die met de zener kan worden verbonden. R1 zal in dit verband een bepaalde hoeveelheid stroom trekken die door de Zener bewoog.

Aangezien de stroom in Rs hoger zal zijn dan de stroom die de belasting binnenkomt, zal een hoeveelheid stroom door de zener blijven gaan, waardoor een perfect constante spanning over de zener en de belasting mogelijk wordt.

De aangegeven serieweerstand Rs moet zo worden bepaald dat de laagste stroom die de zener binnenkomt altijd hoger is dan het minimumniveau dat is gespecificeerd voor een stabiele regeling van de zener. Dit niveau begint net onder de 'knie' van de omgekeerde spanning / tegenstroomcurve, zoals geleerd uit het vorige grafische diagram hierboven.

U moet er bovendien voor zorgen dat de selectie van Rs ervoor zorgt dat de stroom die door de zenerdiode gaat, nooit het nominale vermogen overschrijdt: dit kan equivalent zijn aan de zenerspanning x zenerstroom. Het is de hoogste hoeveelheid stroom die door de zenerdiode kan gaan bij afwezigheid van de belasting R1.

Hoe zenerdiodes te berekenen

Het ontwerpen van een basis zenercircuit is eigenlijk eenvoudig en kan worden geïmplementeerd door middel van de volgende instructies:

  1. Bepaal de maximale en minimale belastingsstroom (Li), bijvoorbeeld 10 mA en 0 mA.
  2. Bepaal de maximale voedingsspanning die zich kan ontwikkelen, bijvoorbeeld een 12 V-niveau, en zorg er daarbij voor dat de minimale voedingsspanning altijd = 1,5 V + Vz (de zenerspanning) is.
  3. Zoals aangegeven in het ontwerp van de basisregelaar, is de vereiste uitgangsspanning die de equivalente zenerspanning Vz = 4,7 volt is, en de geselecteerde laagste Zener-stroom is 100 microampère ​Dit houdt in dat de maximaal beoogde Zener-stroom hier 100 microampère plus 10 milliampère is, wat 10,1 milliampère is.
  4. De serieweerstand Rs moet de minimale hoeveelheid stroom 10,1 mA toelaten, zelfs als de ingangsvoeding het laagste gespecificeerde niveau is, dat 1,5 V hoger is dan de geselecteerde zenerwaarde Vz, en kan worden berekend met behulp van de wet van Ohm als: Rs = 1,5 / 10,1 x 10-3= 148,5 ohm. De dichtstbijzijnde standaardwaarde lijkt 150 ohm te zijn, dus Rs kan 150 ohm zijn.
  5. Als de voedingsspanning stijgt tot 12 V, is de spanningsval over Rs Iz x Rs, waarbij Iz = stroom door de zener. Daarom krijgen we bij toepassing van de wet van Ohm Iz = 12 - 4.7 / 150 = 48.66 mA
  6. Het bovenstaande is de maximale stroom die door de zenerdiode mag gaan. Met andere woorden, de maximale stroom die mag vloeien tijdens maximale uitgangsbelasting of maximale gespecificeerde voedingsspanningsingang. Onder deze omstandigheden zal de zenerdiode een vermogen van Iz x Vz = 48,66 x 4,7 = 228 mW dissiperen. De dichtstbijzijnde standaardwaarde om hieraan te voldoen is 400 mW.

Effect van temperatuur op zenerdiodes

Naast spannings- en belastingsparameters zijn zenerdiodes ook redelijk goed bestand tegen temperatuurschommelingen om hen heen. Boven een bepaalde mate kan de temperatuur echter enige invloed hebben op het apparaat, zoals aangegeven in de onderstaande grafiek:

Het toont de curve van de zenerdiode-temperatuurcoëfficiënt. Hoewel bij hogere spanningen de coëfficiëntcurve reageert op ongeveer 0,1% per graad Celsius, beweegt deze door nul bij 5 V en wordt vervolgens negatief voor de lagere spanningsniveaus. Uiteindelijk bereikt het -0,04% per graad Celsius rond de 3,5 V.

Zener-diode gebruiken als temperatuursensor

Een goed gebruik van de gevoeligheid van de zenerdiode voor temperatuurverandering is om het apparaat toe te passen als een temperatuursensor, zoals weergegeven in het volgende diagram

Het diagram toont een brugnetwerk gebouwd met behulp van een paar weerstanden en een paar zenerdiodes met identieke kenmerken. Een van de zenerdiodes werkt als een referentiespanningsgenerator, terwijl de andere zenerdiode wordt gebruikt om de veranderingen in de temperatuurniveaus waar te nemen.

Een standaard 10 V Zener kan een temperatuurcoëfficiënt hebben van + 0,07% / ° C, wat kan overeenkomen met 7 mV / ° C variatie in temperatuur. Dit zorgt voor een onbalans van ongeveer 7 mV tussen de twee armen van de brug voor elke graad Celsius variatie in de temperatuur. Een 50 mV volledige FSD-meter kan op de aangegeven positie worden gebruikt voor het weergeven van de bijbehorende temperatuurmetingen.

Zenerdiode-waarde aanpassen

Voor sommige circuittoepassingen kan het nodig zijn om een ​​precieze zenerwaarde te hebben die een niet-standaardwaarde kan zijn, of een waarde die niet direct beschikbaar is.

Voor dergelijke gevallen kan een reeks zenerdiodes worden gemaakt die vervolgens kunnen worden gebruikt om een ​​gewenste aangepaste zenerdiodewaarde te verkrijgen, zoals hieronder weergegeven:

In dit voorbeeld kunnen veel aangepaste, niet-standaard zener-waarden worden verkregen over de verschillende terminals, zoals beschreven in de volgende lijst:

U kunt andere waarden op de aangegeven posities gebruiken om veel andere aangepaste sets zenerdiode-uitvoer te krijgen

Zenerdiodes met AC-voeding

Zenerdiodes worden normaal gesproken gebruikt met DC-voedingen, maar deze apparaten kunnen ook worden ontworpen om te werken met AC-voedingen. Enkele AC-toepassingen van zenerdiodes zijn audio, RF-circuits en andere vormen van AC-regelsystemen.

Zoals in het onderstaande voorbeeld wordt getoond, wanneer een AC-voeding wordt gebruikt met een zenerdiode, zal de zener onmiddellijk geleiden zodra het AC-signaal van nul naar de negatieve helft van zijn cyclus gaat. Omdat het signaal negatief is, wordt de AC kortgesloten via de anode naar de kathode van de zener, waardoor 0 V aan de uitgang verschijnt.

Wanneer de AC-voeding over de positieve helft van de cyclus beweegt, geleidt de zener pas als de AC naar het zenerspanningsniveau klimt. Wanneer het AC-signaal de zenerspanning overschrijdt, geleidt de zener en stabiliseert de uitgang tot een niveau van 4,7 V, totdat de AC-cyclus terugvalt naar nul.

Onthoud dat als u zener gebruikt met een AC-ingang, u ervoor zorgt dat Rs wordt berekend volgens de AC-piekspanning.

In het bovenstaande voorbeeld is de uitgang niet symmetrisch, maar een pulserende 4,7 V DC. Om een ​​symmetrische 4.7 V AC aan de uitgang te krijgen, kunnen twee back-to-back zeners worden aangesloten zoals weergegeven in het onderstaande diagram

Zener-diode-ruis onderdrukken

Hoewel zenerdiodes een snelle en gemakkelijke manier bieden om gestabiliseerde uitgangen met vaste spanning te creëren, heeft het een nadeel dat gevoelige audiocircuits zoals eindversterkers kan beïnvloeden.

Zenerdiodes genereren ruis tijdens het gebruik vanwege hun junctie lawine-effect tijdens het schakelen, variërend van 10 uV tot 1 mV. Dit kan worden onderdrukt door een condensator parallel aan de zenerdiode toe te voegen, zoals hieronder weergegeven:

De waarde van de condensator kan tussen 0,01 uF en 0,1 uF liggen, waardoor ruisonderdrukking met een factor 10 mogelijk is en de best mogelijke spanningsstabilisatie wordt gehandhaafd.

De volgende grafiek toont het effect van de condensator voor het verminderen van zenerdioderuis.

Zener gebruiken voor het filteren van rimpelspanning

Zenerdiodes kunnen ook worden toegepast als effectieve rimpelspanningsfilters, net zoals ze worden gebruikt voor AC-spanningsstabilisatie.

Vanwege de extreem lage dynamische impedantie kunnen zenerdiodes werken als een rimpelfilter op dezelfde manier als een filtercondensator.

Zeer indrukwekkende rimpelfiltering kan worden verkregen door een zenerdiode over de belasting aan te sluiten, met elke gelijkstroombron. Hier moet de spanning hetzelfde zijn als het rimpel-dalniveau.

In de meeste circuittoepassingen kan dit net zo effectief werken als een typische afvlakcondensator met een capaciteit van enkele duizenden microfarad, wat resulteert in een aanzienlijke vermindering van het niveau van de rimpelspanning die op de DC-uitgang wordt gesuperponeerd.

Hoe de capaciteit van de zenerdiode te vergroten

Een gemakkelijke manier om de capaciteit van de zenerdiode te vergroten, is waarschijnlijk door ze gewoon parallel aan te sluiten, zoals hieronder wordt weergegeven:

In de praktijk is dit echter niet zo eenvoudig als het eruit ziet en werkt het mogelijk niet zoals bedoeld. Dit komt omdat zeners, net als elk ander halfgeleiderapparaat, ook nooit exact identieke kenmerken hebben, daarom kan een van de zeners geleiden voordat de andere de volledige stroom door zichzelf trekt en uiteindelijk vernietigd worden.

Een snelle manier om dit probleem op te lossen, kan zijn om serieweerstanden met lage waarden toe te voegen aan elke zenerdiode, zoals hieronder weergegeven, waardoor elke zenerdiode de stroom gelijkmatig kan delen door spanningsdalingen die worden gegenereerd door de weerstanden R1 en R2 te compenseren:

Hoewel de vermogensbehandelingscapaciteit kan worden vergroot door zenerdiodes parallel aan te sluiten, kan een sterk verbeterde benadering zijn om een ​​shunt BJT toe te voegen in combinatie met een zenerdiode die is geconfigureerd als een referentiebron. Zie hiervoor het volgende voorbeeldschema.

Het toevoegen van een shunttransistor verhoogt niet alleen het vermogen van de zener met een factor 10, het verbetert ook het spanningsregelingsniveau van de uitgang, dat even hoog kan zijn als de gespecificeerde stroomversterking van de transistor.

Dit type shunttransistor zenerregelaar kan voor experimentele doeleinden worden gebruikt, omdat het circuit 100% kortsluitvast is. Dat gezegd hebbende, het ontwerp is nogal inefficiënt omdat de transistor een aanzienlijke hoeveelheid stroom kan dissiperen als er geen belasting is.

Voor nog betere resultaten, een serie pass transistor type regelaar, zoals hieronder weergegeven, lijkt een betere optie en verdient de voorkeur.

In dit circuit creëert de zenerdiode een referentiespanning voor de seriedoorgangstransistor, die in wezen werkt als een zender volger ​Als resultaat wordt de emitterspanning gehandhaafd tussen enkele tienden van een volt van de basisspanning van de transistor zoals gecreëerd door de zenerdiode. De transistor werkt dus als een seriecomponent en maakt een effectieve beheersing van de voedingsspanningsvariaties mogelijk.

De gehele belastingsstroom loopt nu via deze serietransistor. De belastingscapaciteit van dit type configuratie wordt volledig bepaald door de waarde en de specificatie van de transistors, en hangt ook af van de efficiëntie en kwaliteit van de gebruikte heatsink.

Een uitstekende regeling kan worden bereikt met het bovenstaande ontwerp met behulp van een 1k-serieweerstand. De regeling zou met een factor 10 kunnen worden verhoogd door de normale zener te vervangen door een speciale laagdynamische zenerdiode zoals een 1N1589).

Als u wilt dat het bovenstaande circuit een variabele spanningsgeregelde uitgang biedt, kan dit eenvoudig worden bereikt door een 1K-potentiometer over de zenerdiode te gebruiken. Hierdoor kan aan de basis van de serietransistor een variabele referentiespanning worden ingesteld.

Deze wijziging kan echter resulteren in een lagere regelingsefficiëntie vanwege een bepaald rangeereffect dat door de potentiometer wordt gecreëerd.

Circuit met constante stroom zenerdiode

Een eenvoudige Zener-geregelde constante stroomtoevoer kan via een enkele transistor worden ontworpen als een variabele serieweerstand. De onderstaande afbeelding toont het basiscircuitschema.

Je kunt hier een aantal circuitpassages zien, één via de zenerdiode die in serie is geschakeld met de instelweerstand, terwijl het andere pad door de weerstanden R1, R2 en de serietransistor loopt.

In het geval dat de stroom afwijkt van het oorspronkelijke bereik, creëert dit een evenredige verandering in het voorspanningsniveau van R3, waardoor de weerstand van de serietransistor proportioneel toeneemt of afneemt.

Deze aanpassing van de weerstand van de transistor resulteert in een automatische correctie van de uitgangsstroom naar het gewenste niveau. De nauwkeurigheid van de stroomregeling in dit ontwerp zal ongeveer +/- 10% zijn in reactie op een outputconditie die kan variëren tussen een kortsluiting en een belasting tot 400 Ohm.

Sequentieel relais-schakelcircuit met behulp van zenerdiode

Als u een toepassing heeft waarbij een set relais opeenvolgend achter elkaar moet worden geschakeld op de aan / uit-schakelaar in plaats van dat ze allemaal tegelijk worden geactiveerd, dan kan het volgende ontwerp erg handig zijn.

Hier worden opeenvolgend oplopende zenerdiodes in serie geïnstalleerd met een groep relais samen met individuele laagwaardige serieweerstanden. Wanneer de stroom is ingeschakeld, geleiden de zenerdiodes de een na de ander in volgorde in oplopende volgorde van hun zenerwaarden. Dit resulteert in het inschakelen van het relais in de volgorde zoals gewenst door de applicatie. De waarden van de weerstanden kunnen 10 ohm of 20 ohm zijn, afhankelijk van de weerstandswaarde van de relaisspoel.

Zenerdiodecircuit voor overspanningsbeveiliging

Vanwege hun spanningsgevoelige karakteristiek is het mogelijk om zenerdiodes te combineren met de stroomgevoelige karakteristiek van zekeringen om cruciale circuitcomponenten te beschermen tegen hoge spanningspieken, en bovendien om het gedoe van het vaak doorbranden van zekeringen te elimineren, wat vooral kan gebeuren bij een zekeringswaarde ligt zeer dicht bij de bedrijfsstroomspecificatie van het circuit.

Door een correct beoordeelde zenerdiode over de belasting te verbinden, kan een zekering worden gebruikt die geschikt is om de beoogde belastingsstroom gedurende langere perioden aan te kunnen. Stel dat in deze situatie de ingangsspanning toeneemt in een mate die de zenerdoorslagspanning overschrijdt - de zenerdiode zal dwingen te geleiden. Dit zal een plotselinge toename van de stroom veroorzaken, waardoor de zekering bijna onmiddellijk doorbrandt.

Het voordeel van deze schakeling is dat het voorkomt dat de zekering vaak en onvoorspelbaar doorbrandt vanwege de nauwe smeltwaarde ten opzichte van de belastingsstroom. In plaats daarvan springt de zekering alleen door als de spanning en stroom echt boven een gespecificeerd onveilig niveau stijgen.

Onderspanningsbeveiligingscircuit met behulp van zenerdiode

Een relais en een juist geselecteerde zenerdiode zijn voldoende om een ​​nauwkeurig beschermingscircuit voor lage spanning of onderspanning te creëren voor elke gewenste toepassing. Het schakelschema wordt hieronder weergegeven:

De bediening is eigenlijk heel eenvoudig, de voeding Vin die wordt verkregen van een transformatorbrugnetwerk varieert proportioneel, afhankelijk van de variaties in de AC-ingang. Dat houdt in dat, als de 220 V overeenkomt met 12 V van de transformator, 180 V moet overeenkomen met 9,81 V enzovoort. Als daarom wordt aangenomen dat 180 V de uitschakeldrempel voor lage spanning is, zal het selecteren van de zenerdiode als een 10 V-apparaat de relaiswerking onderbreken wanneer de AC-ingang onder 180 V daalt.




Vorige: Transistor berekenen als een schakelaar Volgende: Glasvezelcircuit - zender en ontvanger