„Zener“ diodų grandinės, charakteristikos, skaičiavimai

„Zener“ diodai, pavadinti išradėjo dr. Carlo Zenerio vardu, iš esmės naudojami elektroninėse grandinėse, kad būtų sukurtos tikslios įtampos nuorodos. Tai yra įtaisai, galintys sukurti praktiškai pastovią įtampą tarp jų, neatsižvelgiant į grandinės ir įtampos pokyčius.

Išoriškai „zener“ diodai gali būti labai panašūs į standartinius diodus, pvz., 1N4148. „Zener“ diodai taip pat veikia išlygindami kintamą srovę į pulsuojančią nuolatinę srovę, kaip ir jų tradicinės alternatyvos. Tačiau, priešingai nei standartiniai lygintuvo diodai, zenerio diodai yra sukonfigūruoti taip, kad jų katodas būtų tiesiogiai sujungtas su tiekimo teigiamais dalimis, o anodas - su neigiamuoju.

Charakteristikos

Standartinėje konfigūracijoje „Zener“ diodai pasižymi dideliu atsparumu žemiau tam tikros, kritinės įtampos (žinomos kaip „Zerier“ įtampa). Kai viršijama ši specifinė kritinė įtampa, aktyvusis Zenerio diodo varža nukrinta iki ypač žemo lygio.

Esant tokiai mažai varžos vertei, „Zeners“ yra palaikoma efektyvi pastovi įtampa, ir galima tikėtis, kad ši pastovi įtampa išliks, neatsižvelgiant į bet kokius šaltinio srovės pokyčius.

Paprastais žodžiais tariant, kai tiekimas per zenerio diodą viršija nominalią zenerio vertę, zenerio diodas vykdo įtampos perteklių ir įžemina jį. Dėl to įtampa nukrenta žemiau zenerio įtampos, kuri išjungia zenerį, ir maitinimas vėl bando viršyti zenerio įtampą, vėl įjungdamas zenerį. Šis ciklas greitai kartojasi, o tai lemia išėjimo stabilizavimą ties pastovia zenerio įtampos verte.

Ši charakteristika grafiškai paryškinta žemiau esančiame paveiksle, kuris rodo, kad virš „Zenerio įtampos“ atvirkštinė įtampa ir toliau yra beveik pastovi, net ir esant atvirkštinės srovės pokyčiams. Dėl to „Zener“ diodai dažnai naudojami norint gauti pastovų įtampos kritimą arba etaloninę įtampą su jų vidine varža.

„Zener“ diodai suprojektuoti pagal daugelio galių vardinę įtampą, kuri svyruoja nuo 2,7 iki 200 voltų. (Tačiau dažniausiai „Zener“ diodai, kurių vertė yra gerokai didesnė nei 30 voltų, beveik niekada nenaudojami.)

Pagrindinės „Zener“ diodų grandinės veikimas

Standartinę įtampos reguliatoriaus grandinę, naudojant vieną rezistorių ir „Zener“ diodą, galima pamatyti šiame paveikslėlyje. Tarkime, kad „Zener“ diodo vertė yra 4,7 V, o maitinimo įtampa V in - 8,0 V.

Pagrindinį zenerio diodo veikimą galima paaiškinti šiais punktais:

Nesant apkrovos visam „zener“ diodo išėjimui, galima pastebėti, kad per „Zener“ diodą nukrito 4,7 voltai, o rezistoriuje R sukurtas 2,4 voltų atjungimas.

Dabar, jei įvesties įtampa bus pakeista, įsivaizduokime, kad nuo 8,0 iki 9,0 V įtampos kritimas visoje „Zener“ vis tiek išlaikys 4,7 V.

Tačiau buvo galima pastebėti, kad rezistoriaus R įtampos kritimas padidėjo nuo 2,4 V iki 3,4 V.

Galima tikėtis, kad įtampos kritimas per idealų „Zener“ bus gana pastovus. Praktiškai galite pastebėti, kad įtampa visoje zeneryje šiek tiek padidėja dėl dinaminio „Zener“ pasipriešinimo.

Procedūra, pagal kurią apskaičiuojamas „Zener“ įtampos pokytis, yra „zener“ dinaminės varžos padauginimas iš „Zener“ srovės pokyčio.

Rezistorius R1 aukščiau pateiktame pagrindiniame reguliatoriaus modelyje simbolizuoja pageidaujamą apkrovą, kuri gali būti sujungta su zeneriu. R1 šiuo atžvilgiu ims tam tikrą srovės kiekį, kuris judėjo per „Zener“.

Kadangi srovė Rs bus didesnė už srovę, patenkančią į apkrovą, srovės kiekis ir toliau eis per „Zener“, leidžiantis visiškai pastovią įtampą per „Zener“ ir apkrovą.

Nurodytas serijinis rezistorius Rs turėtų būti nustatytas taip, kad mažiausia srovė, patenkanti į „Zener“, visada būtų didesnė už minimalų lygį, nurodytą stabiliam „zener“ reguliavimui. Šis lygis prasideda tiesiai prieš atvirkštinės įtampos / atvirkštinės srovės kreivės „kelį“, kaip sužinota iš ankstesnės grafinės diagramos.

Be to, turite įsitikinti, kad pasirinkus R, užtikrinama, kad srovė, einanti per „Zener“ diodą, niekada neviršytų jo galios: tai gali būti lygi „Zener“ įtampai x „Zener“ srovei. Tai yra didžiausias srovės kiekis, kuris gali praeiti per „Zener“ diodą, jei nėra apkrovos R1.

Kaip apskaičiuoti „Zener“ diodus

Suprojektuoti pagrindinę „zener“ grandinę iš tikrųjų yra paprasta ir ją galima įgyvendinti vadovaujantis šiomis instrukcijomis:

1. Nustatykite didžiausią ir mažiausią apkrovos srovę (Li), pavyzdžiui, 10 mA ir 0 mA.
2. Nustatykite didžiausią galimą maitinimo įtampą, pavyzdžiui, 12 V lygį, taip pat užtikrindami, kad mažiausia maitinimo įtampa visada būtų = 1,5 V + Vz („Zener“ įtampos reitingas).
3. Kaip nurodyta pagrindiniame reguliatoriaus projekte, reikalinga išėjimo įtampa, kuri yra ekvivalentinė Zenerio įtampa Vz = 4,7 voltai, ir pasirinkta mažiausia „Zener“ srovė yra 100 mikroampų . Tai reiškia, kad didžiausia numatyta „Zener“ srovė čia yra 100 mikroampų plius 10 miliamperų, ​​tai yra 10,1 miliampero.
4. Nuoseklusis rezistorius Rs turi leisti mažiausią srovės kiekį 10,1 mA, net jei įvesties maitinimas yra žemiausias nurodytas lygis, kuris yra 1,5 V didesnis už pasirinktą zenerio vertę Vz, ir gali būti apskaičiuojamas pagal omų dėsnį: Rs = 1,5 / 10,1 x 10^-3= 148,5 omai. Atrodo, kad artimiausia standartinė vertė yra 150 omų, taigi Rs gali būti 150 omų.
5. Jei maitinimo įtampa pakyla iki 12 V, įtampos kritimas per Rs bus Iz x Rs, kur Iz = srovė per zenerį. Todėl taikydami Ohmo dėsnį gauname Iz = 12 - 4,7 / 150 = 48,66 mA
6. Aukščiau yra didžiausia srovė, kuriai bus leidžiama praeiti per „zener“ diodą. Kitaip tariant, didžiausia srovė, kuri gali tekėti per maksimalią išėjimo apkrovą arba didžiausią nurodytą maitinimo įtampos įėjimą. Šiomis sąlygomis zenerio diodas išsklaidys Iz x Vz = 48,66 x 4,7 = 228 mW galią. Artimiausia standartinė galios vertė šiam tikslui pasiekti yra 400 mW.

Temperatūros poveikis „Zener“ diodams

Kartu su įtampos ir apkrovos parametrais „Zener“ diodai taip pat yra gana atsparūs temperatūros svyravimams aplink juos. Tačiau aukščiau temperatūra gali turėti tam tikrą įtaką prietaisui, kaip nurodyta toliau pateiktoje diagramoje:

Tai rodo zenerio diodo temperatūros koeficiento kreivę. Nors esant aukštesnei įtampai, koeficiento kreivė reaguoja maždaug 0,1% vienam Celsijaus laipsniui, tačiau esant 5 V, ji juda per nulį ir tada žemesnės įtampos lygiui tampa neigiama. Galų gale jis pasiekia -0,04% vienam Celsijaus laipsniui esant maždaug 3,5 V.

Zenerio diodo naudojimas kaip temperatūros jutiklis

Vienas geras „Zener“ diodo jautrumo temperatūros pokyčiams panaudojimas yra prietaiso naudojimas kaip temperatūros jutiklio įtaisas, kaip parodyta šioje diagramoje

Diagramoje parodytas tiltinis tinklas, sukurtas naudojant porą rezistorių ir porą „Zener“ diodų, turinčių identiškas charakteristikas. Vienas iš „zener“ diodų veikia kaip etaloninės įtampos generatorius, o kitas „zener“ diodas naudojamas temperatūros pokyčių jutimui.

Standartinio 10 V „Zener“ temperatūros koeficientas gali būti + 0,07% / ° C, o tai gali atitikti 7 mV / ° C temperatūros pokyčius. Tai sukurs maždaug 7 mV disbalansą tarp dviejų tilto šakų kiekvienam temperatūros pokyčiui pagal Celsijaus laipsnį. Norint parodyti atitinkamus temperatūros rodmenis, nurodytoje padėtyje galima naudoti 50 mV pilną FSD skaitiklį.

„Zener“ diodo vertės pritaikymas

Tam tikroje grandinės programoje gali reikėti turėti tikslią „zener“ vertę, kuri gali būti nestandartinė vertė arba vertė, kurios nėra lengva gauti.

Tokiais atvejais galima sukurti „zener“ diodų masyvą, kuris vėliau gali būti naudojamas norimai pritaikytai „zener“ diodo vertei gauti, kaip parodyta žemiau:

Šiame pavyzdyje galima gauti daug pritaikytų, nestandartinių „zener“ verčių įvairiuose terminaluose, kaip aprašyta šiame sąraše:

Norėdami naudoti daug kitų pritaikytų „zener“ diodų išvesties rinkinių, galite naudoti kitas reikšmes nurodytose pozicijose

„Zener“ diodai su kintama srove

„Zeners“ diodai paprastai naudojami su nuolatinės srovės maitinimo šaltiniais, tačiau šie įrenginiai taip pat gali būti sukurti dirbti su kintamosios srovės šaltiniais. Keletas „zener“ diodų kintamosios srovės programų yra garso, RF grandinės ir kitos kintamosios srovės valdymo sistemų formos.

Kaip parodyta žemiau pateiktame pavyzdyje, kai kintamosios srovės maitinimas naudojamas su zenerio diodu, zeneris akimirksniu dirbs, kai tik kintamosios srovės signalas pereis nuo nulio link neigiamos savo ciklo pusės. Nes signalas yra neigiamas, todėl kintamosios srovės jungiklis per anodą ir zenerio katodą bus sutrumpintas, todėl išėjimas pasirodys 0 V.

Kai kintamosios srovės šaltinis juda per teigiamą ciklo pusę, zeneris neveikia, kol kintamosios srovės srovė nepakyla iki zenerio įtampos lygio. Kai kintamosios srovės signalas kerta zenerio įtampą, zeneris vykdo ir stabilizuoja išėjimą iki 4,7 V lygio, kol kintamosios srovės ciklas vėl nukrenta iki nulio.

Atminkite, kad naudodamas „zener“ su kintamosios srovės įėjimu, įsitikinkite, kad Rs apskaičiuojamas pagal kintamosios srovės didžiausią įtampą.

Ankstesniame pavyzdyje išvestis nėra simetriška, veikiau pulsuojanti 4,7 V DC. Kad išėjime gautų simetrišką 4,7 V kintamą srovę, būtų galima sujungti du atgal į galą esančius zenerius, kaip parodyta toliau pateiktoje diagramoje

Slopinantis „Zener“ diodo triukšmą

Nors „zener“ diodai suteikia greitą ir lengvą būdą sukurti stabilizuotas pastovios įtampos išvestis, jis turi vieną trūkumą, kuris gali turėti įtakos jautrioms garso grandinėms, tokioms kaip galios stiprintuvai.

„Zener“ diodai veikdami sukelia triukšmą dėl jų jungties lavinos efekto perjungimo metu, svyruoja nuo 10 uV iki 1 mV. Tai galima nutraukti pridedant kondensatorių lygiagrečiai su „zener“ diodu, kaip parodyta žemiau:

Kondensatoriaus vertė gali būti nuo 0,01uF iki 0,1uF, o tai leis slopinti triukšmą 10 kartų ir palaikys geriausią įmanomą įtampos stabilizavimą.

Šioje diagramoje parodytas kondensatoriaus poveikis mažinant zenerio diodo triukšmą.

„Zener“ naudojimas pulsacijos įtampos filtravimui

„Zener“ diodai taip pat gali būti naudojami kaip efektyvūs pulsaciniai įtampos filtrai, kaip jie naudojami kintamosios įtampos stabilizavimui.

Dėl itin mažos dinaminės varžos zenerio diodai gali veikti kaip pulsacinis filtras taip pat, kaip ir filtro kondensatorius.

Labai įspūdingą bangų filtravimą galima pasiekti prijungus „Zener“ diodą per apkrovą su bet kuriuo nuolatinės srovės šaltiniu. Čia įtampa turi būti tokia pati kaip bangavimo lovio lygis.

Daugumoje grandinių programų tai gali veikti taip pat efektyviai, kaip tipinis išlyginamasis kondensatorius, turintis kelis tūkstančius mikrofaradų talpos, todėl žymiai sumažėja bangų įtampos lygis, uždėtas ant nuolatinės srovės išvesties.

Kaip padidinti „Zener“ diodų galios valdymą

Lengvas būdas padidinti „zener“ diodų galios apdorojimo pajėgumus yra tiesiog lygiagrečiai sujungti juos, kaip parodyta žemiau:

Tačiau praktiškai tai gali būti ne taip paprasta, kaip atrodo, ir gali neveikti taip, kaip numatyta. Taip yra todėl, kad kaip ir bet kuris kitas puslaidininkinis įtaisas, taip pat ir zeneriai niekada neturi tiksliai identiškų savybių, todėl vienas iš zenerių gali praleisti, kol kitas pats per save ištraukia visą srovę, galiausiai sunaikinamas.

Greitas būdas išspręsti šią problemą gali būti mažų verčių serijos rezistorių pridėjimas prie kiekvieno zenerio diodo, kaip parodyta žemiau, o tai leis kiekvienam zenerio diodui tolygiai dalytis srove per kompensuojančius įtampos kritimus, kuriuos sukuria rezistoriai R1 ir R2:

Nors energijos apdorojimo pajėgumus galima padidinti lygiagrečiai jungiant „Zener“ diodus, daug patobulintas būdas gali būti šunto BJT pridėjimas kartu su „zener“ diodu, sukonfigūruotu kaip etaloninis šaltinis. Žr. Šį pavyzdinį schemos pavyzdį.

Pridedant šuntinį tranzistorių, ne tik padidinamas „zener“ galios apdorojimo pajėgumas 10 kartų, bet ir dar labiau pagerinamas išėjimo įtampos reguliavimo lygis, kuris gali būti toks pat didelis, kaip ir nurodytas tranzistoriaus srovės stiprinimas.

Šio tipo šunto tranzistoriaus zenerio reguliatorius gali būti naudojamas eksperimentiniams tikslams, nes grandinėje yra 100% trumpasis jungimas. Tai reiškia, kad dizainas yra gana neefektyvus, nes tranzistorius gali išsklaidyti didelę srovės dalį, jei nėra apkrovos.

Norėdami pasiekti dar geresnių rezultatų, a serijinis tranzistorius reguliatoriaus tipas, kaip parodyta žemiau, atrodo geresnis pasirinkimas ir pageidautinas.

Šioje grandinėje Zenerio diodas sukuria nuoseklųjį tranzistorių etaloninę įtampą, kuri iš esmės veikia kaip skleidėjo pasekėjas . Dėl to emiterio įtampa palaikoma tarp kelių dešimtųjų tranzistoriaus bazinės įtampos voltų, sukurtų Zenerio diodo. Taigi tranzistorius veikia kaip nuoseklus komponentas ir leidžia efektyviai valdyti maitinimo įtampos pokyčius.

Visa apkrovos srovė dabar eina per šios serijos tranzistorių. Tokio tipo konfigūracijos galios perkėlimo galia visiškai nustatoma pagal tranzistorių vertę ir specifikaciją, taip pat priklauso nuo naudojamo radiatoriaus efektyvumo ir kokybės.

Puikiai reguliuojant galima pasiekti aukščiau pateiktą dizainą naudojant 1k serijos rezistorių. Reguliavimą būtų galima padidinti koeficientu 10, pakeitus įprastą zenerį specialiu mažo dinaminio zenerio diodu, tokiu kaip 1N1589).

Jei norite, kad pirmiau nurodyta grandinė teiktų kintamą įtampą reguliuojančią išvestį, ją lengvai galima pasiekti naudojant 1K potenciometrą visame „Zener“ diode. Tai leidžia koreguoti kintamą etaloninę įtampą nuosekliojo tranzistoriaus pagrinde.

Tačiau dėl šio modifikavimo gali sumažėti reguliavimo efektyvumas dėl potenciometro sukurto manevravimo efekto.

Nuolatinės srovės „Zener“ diodų grandinė

Paprastas „Zener“ reguliuojamas nuolatinės srovės maitinimas gali būti suprojektuotas per vieną tranzistorių kaip kintamosios eilės rezistorius. Žemiau pateiktame paveikslėlyje parodyta pagrindinė schema.

Čia galite pamatyti grandinių kanalų poras, vieną per zenerio diodą, nuosekliai sujungtą su įtempimo rezistoriumi, o kitas kelias yra per rezistorius R1, R2 ir nuoseklųjį tranzistorių.

Tuo atveju, kai srovė nukrypsta nuo pradinio diapazono, tai sukuria proporcingą R3 šališkumo lygio pokytį, dėl kurio nuoseklusis tranzistoriaus varža proporcingai didėja arba mažėja.

Dėl šio tranzistoriaus varžos reguliavimo automatiškai ištaisoma išėjimo srovė iki norimo lygio. Pagal šį dizainą dabartinio valdymo tikslumas bus apie +/- 10%, atsižvelgiant į išėjimo sąlygas, kurios gali būti tarp trumpojo jungimo ir apkrovos iki 400 Ohm.

Nuoseklios relės perjungimo grandinė naudojant „Zener“ diodą

Jei turite programą, kuriai esant reikalingas relių rinkinys vienas po kito įjungti maitinimo jungiklį, o ne įjungti visus kartu, tada šis dizainas gali pasirodyti gana patogus.

Čia nuosekliai didinantys „zener“ diodai montuojami nuosekliai su grupe relių kartu su atskirais mažos vertės serijiniais rezistoriais. Įjungus maitinimą, „zener“ diodai vienas po kito eina didėjančia jų „zener“ reikšmių tvarka. Dėl to relė įjungiama eilės tvarka, kaip to pageidauja programa. Rezistorių vertės gali būti 10 omų arba 20 omų, priklausomai nuo relės ritės varžos vertės.

„Zener“ diodų grandinė apsaugai nuo viršįtampio

Dėl įtampai jautrios charakteristikos galima sujungti „Zener“ diodus su srovei jautriomis saugiklių charakteristikomis, kad apsaugotumėte svarbius grandinės komponentus nuo aukštos įtampos viršįtampių ir papildomai pašalintumėte saugiklių vargą nuo pūtimo dažnai, o tai gali atsitikti ypač tada, kai saugiklių galia yra labai arti grandinės veikimo srovės specifikacijos.

Sujungus teisingai įvertintą „Zener“ diodą per apkrovą, galima naudoti saugiklį, kuris yra tinkamas tam, kad ilgą laiką valdytų numatytą apkrovos srovę. Esant tokiai situacijai, tarkime, kad įėjimo įtampa padidės tiek, kad viršytų „Zener“ skilimo įtampą - privers „Zener“ diodą veikti. Tai sukels staigų srovės padidėjimą, kuris beveik akimirksniu išpučia saugiklį.

Šios grandinės privalumas yra tai, kad jis neleidžia saugikliui dažnai ir nenuspėjamai pūsti dėl to, kad jo vertė yra artima apkrovos srovei. Vietoj to, saugiklis įsijungia tik tada, kai įtampa ir srovė tikrai padidėja virš nurodyto nesaugaus lygio.

Apsaugos nuo įtampos grandinė naudojant „Zener“ diodą

Relės ir tinkamai parinkto „zener“ diodo pakanka, kad būtų sukurta tiksli žemos įtampos arba žemos įtampos išjungta apsaugos grandinė bet kuriai pageidaujamai programai. Grandinės schema pateikta žemiau:

Operacija iš tikrųjų yra labai paprasta, tiekimas Vin, gaunamas iš transformatoriaus tilto tinklo, proporcingai skiriasi priklausomai nuo įėjimo kintamosios srovės pokyčių. Tai reiškia, kad jei manoma, kad 220 V atitinka 12 V iš transformatoriaus, tada 180 V turėtų atitikti 9,81 V ir pan. Todėl, jei laikoma, kad 180 V yra žemos įtampos nutraukimo slenkstis, tada pasirinkus zenerio diodą kaip 10 V įtaisą, relės veikimas nutrūks, kai įėjimo kintama srovė nukris žemiau 180 V.