Диодни схеми на Zener, характеристики, изчисления

Ценерови диоди - кръстени на изобретателя си д-р Карл Зенер се използват основно в електронните схеми за генериране на точни референции на напрежението. Това са устройства, които могат да създават практически постоянно напрежение върху тях, независимо от вариациите в схемите и ситуациите на напрежение.

Външно може да намерите ценерови диоди, много подобни на стандартните диоди като 1N4148. Ценеровите диоди също работят, като коригират AC в пулсиращ DC, подобно на традиционните им алтернативи. Въпреки това, за разлика от стандартните изправителни диоди, ценеровите диоди са конфигурирани с техния катод, директно свързан с положителното на захранването, а анодът с отрицателното захранване.

Характеристики

В стандартната си конфигурация Zener диодите показват високо съпротивление под определено критично напрежение (известно като напрежение на Zerier). Когато това специфично критично напрежение бъде надвишено, активното съпротивление на ценеровия диод пада до изключително ниско ниво.

И при тази ниска стойност на съпротивлението се поддържа ефективно постоянно напрежение през Zeners и може да се очаква това постоянно напрежение да се запази независимо от всяка промяна в тока на източника.

С прости думи, когато захранването през ценеровия диод надвишава номиналната ценерова стойност, ценеровият диод провежда и основава излишното напрежение. Поради това напрежението пада под ценеровото напрежение, което изключва ценера и захранването отново се опитва да надвиши ценеровото напрежение, като отново включи ценера. Този цикъл се повтаря бързо, което в крайна сметка води до стабилизиране на изхода точно при постоянна ценерова стойност на напрежението.

Тази характеристика е графично подчертана на фигурата по-долу, което показва, че над „ценеровото напрежение“ обратното напрежение продължава да бъде почти постоянно дори при вариации на обратния ток. В резултат на това ценеровите диоди често се използват за получаване на постоянен спад на напрежението или референтно напрежение с тяхното вътрешно съпротивление.

Ценеровите диоди са проектирани в много мощности и с напрежения, които варират от 2,7 до 200 волта. (Въпреки това, най-вече, Zener диоди със стойности далеч над 30 волта почти не се използват.)

Основна ценерова диодна верига работи

На следващото изображение може да се види стандартна схема на регулатора на напрежението, използваща единичен резистор и ценеров диод. Тук, нека приемем, че стойността на ценеровия диод е 4.7 V, а захранващото напрежение V in е 8.0 V.

Основната работа на ценеровия диод може да се обясни със следните точки:

При отсъствие на натоварване през изхода на ценеровия диод, през ценеровия диод могат да се видят 4.7 волта, докато през резистора Р се развиват прекъснати 2.4 волта.

Сега, в случай че входното напрежение е променено, нека си представим, от 8,0 до 9,0 V, ще доведе до спадане на напрежението в ценеровия апарат, за да запази номиналните 4,7 V.

Обаче падането на напрежението на резистора R може да се види повишено от 2,4 V на 3,4 V.

Спадът на напрежението на идеалния ценеровик може да се очаква да бъде доста постоянен. На практика може да откриете, че напрежението на ценера леко се увеличава поради динамичното съпротивление на ценера.

Процедурата, чрез която се изчислява промяната в ценеровото напрежение, е чрез умножаване на динамичното съпротивление на ценеровите променливи с промяната на ценеровия ток.

Резисторът R1, в горната основна конструкция на регулатора, символизира предпочитания товар, който може да бъде свързан с ценера. R1 в тази връзка ще изтече определено количество ток, който се е движел през ценера.

Тъй като токът в Rs ще бъде по-висок от тока, постъпващ в товара, количество ток ще продължи да преминава през Zener, което позволява напълно постоянно напрежение на Zener и товара.

Посоченият сериен резистор Rs трябва да бъде определен по такъв начин, че най-ниският ток, постъпващ в ценера, винаги да е по-висок от минималното ниво, посочено за стабилно регулиране от ценера. Това ниво започва точно под „коляното“ на кривата на обратно напрежение / обратен ток, както е научено от предишната графична диаграма по-горе.

Освен това трябва да се уверите, че изборът на Rs гарантира, че токът, преминаващ през ценеровия диод, никога не надхвърля неговата номинална мощност: което може да е еквивалентно на ценеровото напрежение x ценеровия ток. Това е най-голямото количество ток, което може да премине през ценеровия диод при липса на товара R1.

Как да изчислим ценерови диоди

Проектирането на основна ценерова верига всъщност е просто и може да бъде изпълнено чрез следните инструкции:

1. Определете максималния и минималния ток на натоварване (Li), например 10 mA и 0 mA.
2. Определете максималното захранващо напрежение, което може да се развие, например ниво 12 V, като също така се уверите, че минималното захранващо напрежение винаги е = 1,5 V + Vz (номинално напрежение на ценеровите).
3. Както е посочено в основния дизайн на регулатора, необходимото изходно напрежение, което е еквивалентно ценерово напрежение Vz = 4,7 волта, и избраното най-ниският ценеров ток е 100 микроампера . Това предполага, че максималният предвиден ценеров ток тук е 100 микроампера плюс 10 милиампера, което е 10,1 милиампера.
4. Серийният резистор Rs трябва да позволява минималното количество ток 10,1 mA, дори когато входното захранване е най-ниското определено ниво, което е с 1,5 V по-високо от избраната ценерова стойност Vz, и може да бъде изчислено, като се използва законът на Ома като: Rs = 1,5 / 10,1 х 10^-3= 148,5 ома. Изглежда, че най-близката стандартна стойност е 150 Ohm, така че Rs може да бъде 150 ohm.
5. Ако захранващото напрежение се повиши до 12 V, спадът на напрежението в Rs ще бъде Iz x Rs, където Iz = ток през ценера. Следователно, прилагайки закона на Ом, получаваме Iz = 12 - 4.7 / 150 = 48.66 mA
6. Горното е максималният ток, който ще бъде разрешен да премине през ценеровия диод. С други думи, максималният ток, който може да изтече по време на максимално изходно натоварване или максимално определено входно напрежение. При тези условия ценеровият диод ще разсейва мощност от Iz x Vz = 48,66 x 4,7 = 228 mW. Най-близката стандартна стойност за номинална мощност, за да се постигне това, е 400 mW.

Ефект на температурата върху ценеровите диоди

Заедно с параметрите на напрежението и натоварването, ценеровите диоди също са доста устойчиви на температурни колебания около тях. Въпреки това, в известна степен температурата може да окаже някакво влияние върху устройството, както е показано на графиката по-долу:

Той показва кривата на температурния коефициент на ценеровия диод. Въпреки че при по-високи напрежения кривата на коефициента реагира на около 0,1% на градус по Целзий, тя се движи през нула при 5 V и след това се превръща в отрицателна за по-ниските нива на напрежение. В крайна сметка достига -0,04% на градус по Целзий при около 3,5 V.

Използване на Zener Diode като температурен сензор

Едно добро използване на чувствителността на ценеровия диод към промяна на температурата е прилагането на устройството като устройство с температурен сензор, както е показано на следващата диаграма

Диаграмата показва мостова мрежа, изградена с помощта на двойка резистори и двойка ценерови диоди с идентични характеристики. Един от ценеровите диоди работи като генератор на еталонно напрежение, докато другият ценеров диод се използва за отчитане на промените в температурните нива.

Стандартният 10 V Zener може да има температурен коефициент от + 0,07% / ° C, който може да съответства на 7 mV / ° C вариация в температурата. Това ще създаде дисбаланс от около 7 mV между двете рамена на моста за всяка една градусова промяна в температурата по Целзий. 50 mV пълен FSD метър може да се използва в посоченото положение за показване на съответните температурни показания.

Персонализиране на ценерови диодни стойности

За някои верижни приложения може да се наложи да има точна ценерова стойност, която може да е нестандартна стойност или стойност, която не е лесно достъпна.

В такива случаи може да се създаде масив от ценерови диоди, които след това да се използват за получаване на желана персонализирана стойност на ценерови диоди, както е показано по-долу:

В този пример могат да бъдат получени много персонализирани, нестандартни ценерови стойности в различните терминали, както е описано в следващия списък:

Можете да използвате други стойности в посочените позиции, за да получите много други персонализирани набори изход на ценерови диоди

Ценерови диоди с променливотоково захранване

Диодите Zeners обикновено се използват с DC захранвания, но тези устройства могат да бъдат проектирани да работят и с AC променливи. Няколко приложения за променлив ток на ценерови диоди включват аудио, RF схеми и други форми на системи за управление на променлив ток.

Както е показано в примера по-долу, когато се използва захранване с променлив ток с ценеров диод, ценерът незабавно ще проведе, веднага щом променливотоковият сигнал премине от нула към отрицателната половина на своя цикъл. Тъй като сигналът е отрицателен, следователно AC ще бъде късо през анода до катода на ценера, което води до 0 V да се появи изходът.

Когато захранването с променлив ток се движи през положителната половина на цикъла, ценерът не провежда, докато променливият се изкачи до нивото на ценеровото напрежение. Когато променливотоковият сигнал пресича ценеровото напрежение, ценеровият проводник провежда и стабилизира изхода до ниво от 4,7 V, докато променливият цикъл спадне обратно до нула.

Не забравяйте, че докато използвате ценер с променлив вход, уверете се, че Rs се изчислява според пиковото напрежение на променлив ток.

В горния пример изходът не е симетричен, а по-скоро пулсиращ 4.7 V DC. За да се получат симетрични 4,7 V AC на изхода, могат да се свържат два зенера назад, както е показано на диаграмата по-долу

Потискане на шума от ценерови диоди

Въпреки че ценеровите диоди осигуряват бърз и лесен начин за създаване на стабилизирани изходи с фиксирано напрежение, той има един недостатък, който може да засегне чувствителни аудио вериги като усилватели на мощността.

Ценеровите диоди генерират шум по време на работа поради своя лавинен ефект на свързване при превключване, вариращ от 10 uV до 1 mV. Това може да бъде потиснато чрез добавяне на кондензатор паралелно на ценеровия диод, както е показано по-долу:

Стойността на кондензатора може да бъде между 0,01uF и 0,1uF, което ще позволи потискане на шума с коефициент 10 и ще поддържа възможно най-добрата стабилизация на напрежението.

Следващата графика показва ефекта на кондензатора за намаляване на шума на ценеровите диоди.

Използване на Zener за филтриране на пулсиращото напрежение

Ценеровите диоди могат да се прилагат и като ефективни пулсационни филтри за напрежение, точно както се използват за стабилизация на променливотоково напрежение.

Поради изключително ниския си динамичен импеданс, ценеровите диоди могат да работят като пулсационен филтър по същия начин, както филтърният кондензатор.

Много впечатляващо пулсационно филтриране може да се получи чрез свързване на ценеров диод през товара с всеки източник на постоянен ток. Тук напрежението трябва да бъде същото като нивото на пулсациите.

В повечето приложения на веригата това може да работи толкова ефективно, колкото типичен изглаждащ кондензатор с капацитет от няколко хиляди микрофарада, което води до значително намаляване на нивото на пулсационно напрежение, насложено върху изхода на постоянен ток.

Как да увеличим капацитета за захранване с ценерови диоди

Лесен начин за увеличаване на капацитета за управление на захранването от ценерови диоди е вероятно просто да ги свържете паралелно, както е показано по-долу:

На практика обаче това може да не е толкова просто, колкото изглежда и може да не работи по предназначение. Това е така, защото точно както всяко друго полупроводниково устройство, зенерите също никога не идват с абсолютно идентични характеристики, поради което единият от зенерите може да проведе преди другия да изтегли целия ток през себе си, като в крайна сметка да бъде унищожен.

Бърз начин за противодействие на този проблем може да бъде добавянето на серийни резистори с ниски стойности с всеки ценерови диоди, както е показано по-долу, което ще позволи на всеки ценеров диод да разпределя тока равномерно чрез компенсиращи спада на напрежението, генерирани от резисторите R1 и R2:

Въпреки че капацитетът за захранване може да бъде увеличен чрез паралелно свързване на ценерови диоди, много по-подобрен подход може да бъде добавянето на шунт BJT заедно с ценеров диод, конфигуриран като референтен източник. Моля, вижте следната примерна схема за същото.

Добавянето на шунтов транзистор не само повишава капацитета на ценерово управление на мощността с коефициент 10, а още повече подобрява нивото на регулиране на напрежението на изхода, което може да бъде толкова високо, колкото определеното усилване на тока на транзистора.

Този тип стабилизатор на шунтиращ транзисторен ценерови регулатор може да се използва за експериментални цели, тъй като веригата разполага със 100% доказателство за късо съединение. Въпреки това, дизайнът е доста неефективен, тъй като транзисторът може да разсее значително количество ток при липса на товар.

За още по-добри резултати, а транзистор от серия тип регулатор, както е показано по-долу, изглежда по-добър вариант и за предпочитане.

В тази схема ценеровият диод създава еталонно напрежение за серийно преминаващия транзистор, който по същество работи като последовател на излъчвателя . В резултат на това емитерното напрежение се поддържа между няколко десети от волта от базовото напрежение на транзистора, създадено от ценеровия диод. Следователно транзисторът работи като сериен компонент и позволява ефективен контрол на вариациите на захранващото напрежение.

Целият ток на натоварване сега преминава през този сериен транзистор. Капацитетът за захранване на този тип конфигурация се определя изцяло от стойността и спецификацията на транзисторите, а също така зависи от ефективността и качеството на използвания радиатор.

Отличната регулация може да бъде постигната от горния дизайн, като се използва резистор от серия 1k. Регулирането може да бъде увеличено с коефициент 10, като се замени нормалният ценер със специален нискодинамичен ценеров диод като 1N1589).

В случай, че искате горната схема да осигури изход с регулируемо напрежение, това може лесно да бъде постигнато чрез използване на 1K потенциометър през ценеровия диод. Това позволява да се регулира променливо референтно напрежение в основата на серийния транзистор.

Тази модификация обаче може да доведе до по-ниска ефективност на регулиране поради някакъв маневрения ефект, създаден от потенциометъра.

Постоянен ток на ценерови диодни вериги

Обикновено регулирано от Zener захранване с постоянен ток може да бъде проектирано чрез единичен транзистор като резистор с променлива серия. Фигурата по-долу показва основната електрическа схема.

Тук можете да видите двойки верижни проходи, един през ценеровия диод, свързан последователно с отклоняващия резистор, докато другият път е през резисторите R1, R2 и серийния транзистор.

В случай че токът се отклонява от първоначалния си диапазон, той създава пропорционална промяна в нивото на отклонение на R3, което от своя страна води до пропорционално нарастване или намаляване на съпротивлението на серийния транзистор.

Тази настройка на съпротивлението на транзистора води до автоматична корекция на изходния ток до желаното ниво. Точността на текущия контрол при този дизайн ще бъде около +/- 10% в отговор на изходни условия, които могат да варират между късо съединение и натоварване до 400 Ohm.

Последователна верига за превключване на реле с използване на ценеров диод

Ако имате приложение, при което набор от релета трябва да се превключват последователно един след друг на превключвателя на захранването, вместо всички да се активират заедно, тогава следващият дизайн може да се окаже доста удобен.

Тук последователно нарастващи ценерови диоди са инсталирани последователно с група релета заедно с отделни резистори от ниска стойност. Когато захранването е включено, ценеровите диоди провеждат последователно един след друг в нарастващ ред на своите ценерови стойности. Това води до включване на релето последователно, както желае приложението. Стойностите на резисторите могат да бъдат 10 ома или 20 ома в зависимост от стойността на съпротивлението на намотката на релето.

Ценерова диодна верига за защита от пренапрежение

Поради тяхната характеристика, чувствителна на напрежение, е възможно да се комбинират ценерови диоди с текущата чувствителна характеристика на предпазителите за предпазване на ключови компоненти на веригата от пренапрежения с високо напрежение и допълнително елиминиране на неприятностите на предпазителите от често изгаряне, което може да се случи особено когато номинал на предпазителите е много близо до спецификациите на работния ток на веригата.

Чрез присъединяване на правилно номиниран ценеров диод през товара, може да се използва предпазител, който е подходящо номинален за справяне с предвидения ток на натоварване за продължителни периоди. В тази ситуация, да предположим, че входното напрежение се увеличава до степен, която надвишава напрежението на пробив на ценерови - ще принуди ценеровия диод да проведе. Това ще доведе до внезапно увеличаване на тока, който изгаря предпазителя почти мигновено.

Предимството на тази схема е, че предпазва предпазителя да не духа често и непредсказуемо поради неговата близка стойност на топене към тока на товара. Вместо това предпазителят изгаря само когато напрежението и токът наистина се повишат над определено ниво на опасност.

Верига за защита от понижено напрежение, използваща Zener Diode

Релето и подходящо избраният ценерови диод са достатъчни, за да създадат точна верига за защита от ниско напрежение или под напрежение за всяко желано приложение. Схемата на веригата е представена по-долу:

Операцията всъщност е много проста, захранването Vin, което се получава от трансформаторна мостова мрежа, варира пропорционално в зависимост от входящите вариации на променлив ток. Това предполага, че ако предположим, че 220 V съответства на 12 V от трансформатора, тогава 180 V трябва да съответства на 9,81 V и т.н. Следователно, ако 180 V се приема като праг за изключване на ниско напрежение, тогава избирането на ценеровият диод като 10 V устройство ще прекъсне работата на релето, когато входният променлив ток падне под 180 V.