Zener-diodes

Invoering

Diodes staan over het algemeen bekend als een apparaat dat de stroom in één richting laat stromen (voorwaarts voorgespannen) en weerstand biedt tegen de stroom bij gebruik in tegengestelde richting. Zener Diode (vernoemd naar de Amerikaanse wetenschapper C. Zener die voor het eerst de werkingsprincipes uitlegde) laat niet alleen de stroom van stroom toe bij gebruik in voorwaartse voorspanning, maar ze laten ook de stroom stromen bij gebruik in de omgekeerde voorspanning tot dusverre ligt de aangelegde spanning boven de doorslagspanning die bekend staat als de zener doorslagspanning. Of met andere woorden Doorslagspanning is de spanning waarop de zenerdiode in omgekeerde richting begint te geleiden.

Operationeel principe van zenerdiode:

Bij normale diodes is de doorslagspanning erg hoog en raakt de diode totaal beschadigd als er een spanning boven de doorslagdiode wordt aangelegd, maar bij zenerdiodes is de doorslagspanning niet zo hoog en leidt dit niet tot permanente schade aan de zenerdiode als de spanning is aangelegd.

Naarmate de sperspanning die op de zenerdiode wordt toegepast toeneemt naar de gespecificeerde doorslagspanning (Vz), begint er een stroom door de diode te stromen en deze stroom staat bekend als de zenerstroom en dit proces staat bekend als lawinedoorslag . De stroom stijgt tot een maximum en wordt gestabiliseerd. Deze stroom blijft constant over het bredere bereik van aangelegde spanning en zorgt ervoor dat de zenerdiode bestand is tegen hogere spanning zonder beschadigd te raken. Deze stroom wordt bepaald door de voorweerstand.

Beschouw de onderstaande afbeeldingen van een normale diode in actie.

Bekijk de twee experimenten (A en B) hieronder om de werking van de zenerdiode te laten zien.

In experiment A is een zenerdiode van 12 V in omgekeerde richting aangesloten zoals weergegeven in de afbeelding en het is te zien dat de zenerdiode de spanning effectief blokkeerde omdat deze minder / gelijk was aan de doorslagspanning van de specifieke zenerdiode en de lamp dus bleef uit.

In experiment B geleidt een 6v zenerdiode (de lamp gaat branden) in tegengestelde richting omdat de aangelegde spanning groter is dan de doorslagspanning en laat dus zien dat het doorslaggebied het werkingsgebied is van de zenerdiode.

De stroom-spanningskarakteristiek van de zenerdiode wordt hieronder weergegeven.

Uit de grafiek kan worden afgeleid dat de zenerdiode die in de omgekeerde instelmodus wordt bedreven, een redelijk constante spanning zal hebben, ongeacht de hoeveelheid geleverde stroom.

Toepassingen van Zener Diode:

Zenerdiodes worden gebruikt in drie hoofdtoepassingen in elektronische schakelingen;

1. Spanningsregeling

2. Golfvormclipper

3. Spanningsverschuiver

1. Zenerdiode als spanningsregelaar

Dit is misschien wel de meest voorkomende toepassing van zenerdiodes.

Deze toepassing van de zenerdiodes is sterk afhankelijk van het vermogen van de zenerdiodes om een constante spanning te behouden, ongeacht variaties in toevoer- of belastingsstroom. De algemene functie van een spanningsregelingsapparaat is om een constante uitgangsspanning te leveren aan een belasting die er parallel aan is aangesloten, ongeacht variaties in de door de belasting opgenomen energie (belastingsstroom) of variaties en instabiliteit in de voedingsspanning.

De zenerdiode levert een constante spanning op voorwaarde dat de stroom binnen het bereik van de maximale en minimale tegenstroom blijft.

Het schakelschema met de zenerdiode die als spanningsregelaar wordt gebruikt, wordt hieronder weergegeven.

Een weerstand, R1 is in serie geschakeld met de zenerdiode om de hoeveelheid stroom die door de diode vloeit te beperken en de ingangsspanning Vin (die groter moet zijn dan de zenerspanning) is overgeschakeld zoals getoond in de afbeelding en de uitgangsspanning Vuit, wordt over de zenerdiode genomen met Vout = Vz ( zenerspanning ). Omdat de omgekeerde bias-eigenschappen van de zenerdiode nodig zijn om de spanning te regelen, is deze verbonden in omgekeerde bias-modus, waarbij de kathode is verbonden met de positieve rail van het circuit.

Voorzichtigheid is geboden bij het selecteren van de waarde van weerstand R1, aangezien een weerstand met een kleine waarde zal resulteren in een grote diodestroom wanneer de belasting is aangesloten en dit zal de vereiste vermogensdissipatie van de diode verhogen, die hoger zou kunnen worden dan het maximale vermogen van de zener en kan deze beschadigen.

De waarde van de te gebruiken weerstand kan worden bepaald met behulp van de onderstaande formule.

R ₁ = (V _in - V _Z) / I _Z Waar; R1 is de waarde van de serieweerstand. Vin is de ingangsspanning. Vz die hetzelfde is als Vout is de zenerspanning en Iz is de zenerstroom.

Door deze formule te gebruiken, wordt het gemakkelijk om ervoor te zorgen dat de waarde van de geselecteerde weerstand niet leidt tot een hogere stroomstroom dan wat de zener aankan.

Een klein probleem dat wordt ondervonden met regelcircuits op basis van zenerdiodes, is dat de zener soms elektrische ruis genereert op de voedingsrail tijdens pogingen om de ingangsspanning te regelen. Hoewel dit voor de meeste toepassingen misschien geen probleem is, kan dit probleem worden opgelost door een ontkoppelingscondensator met grote waarde over de diode toe te voegen. Dit helpt de output van de zener te stabiliseren.

2. Zenerdiode als golfvormclipper

Een van de toepassingen van normale diodes is de toepassing van clip- en klemcircuits, dit zijn circuits die worden gebruikt om een AC-ingangsgolfvorm of -signaal te vormen of te wijzigen, waarbij een verschillend gevormd uitgangssignaal wordt geproduceerd, afhankelijk van de specificaties van de tondeuse of klem.

Clipperscircuits zijn generiek circuits die worden gebruikt om te voorkomen dat het uitgangssignaal van een circuit een vooraf bepaalde spanningswaarde overschrijdt zonder enig ander deel van het ingangssignaal of de golfvorm te veranderen.

Deze circuits worden samen met klemmen veel gebruikt in analoge televisie- en FM-radiozenders voor het verwijderen van interferentie (klemcircuits) en het beperken van ruispieken door hoge pieken te knippen.

Omdat zenerdiodes zich in het algemeen gedragen als normale diodes wanneer de aangelegde spanning niet gelijk is aan de doorslagspanning, worden ze dus ook gebruikt in clipcircuits.

Clippingcircuits kunnen worden ontworpen om het signaal in de positieve, negatieve of beide gebieden af te knippen. Hoewel de diode natuurlijk het andere gebied afknipt bij 0,7 V, ongeacht of deze is ontworpen als een positieve of negatieve tondeuse.

Beschouw bijvoorbeeld het onderstaande circuit.

Het clippercircuit is ontworpen om het uitgangssignaal af te stemmen op 6,2 V, dus werd een 6,2 V zenerdiode gebruikt. De zenerdiode voorkomt dat het uitgangssignaal buiten de zenerspanning komt, ongeacht de ingangsgolfvorm. Voor dit specifieke voorbeeld werd een ingangsspanning van 20 V gebruikt en de uitgangsspanning op de positieve swing was 6,2 V in overeenstemming met de spanning van de zenerdiode. Tijdens de negatieve swing van de wisselspanning gedraagt de zenerdiode zich echter net als de normale diode en knipt de uitgangsspanning af op 0,7 V, in overeenstemming met normale siliconendiodes.

Om het clipcircuit voor de negatieve swing van het AC-circuit en de positieve swing zodanig te implementeren dat de spanning op verschillende niveaus op de positieve en negatieve swing wordt afgekapt, wordt een dubbel zener-clipcircuit gebruikt. Het schakelschema voor het dubbele zener-clipcircuit wordt hieronder weergegeven.

In het bovenstaande clipcircuit vertegenwoordigt de spanning Vz2 de spanning op de negatieve swing van de AC-bron waarop het uitgangssignaal moet worden afgekapt, terwijl spanning Vz1 de spanning vertegenwoordigt op de positieve swing van de AC-bron waarop de uitgangsspanning is gewenst om te worden geknipt.

3. Zenerdiode als spanningsverschuiver

De spanningsverschuiver is een van de eenvoudigste maar interessante toepassingen van de zenerdiode. Als u vooral ervaring heeft met het aansluiten van een 3.3v-sensor op een 5V MCU, en uit de eerste hand de fouten in aflezingen enz. Hebt gezien, dan kan dit ertoe leiden dat u het belang van spanningsverschuivers zult waarderen. Spanningsverschuivers helpen het signaal van de ene spanning naar de andere om te zetten en met het vermogen van de zenerdiode om een constante uitgangsspanning in het doorslaggebied te behouden, zijn ze een ideale component voor de werking.

In een op zenerdiode gebaseerde spanningsverschuiver verlaagt het circuit de uitgangsspanning met een waarde die gelijk is aan de doorslagspanning van de specifieke zenerdiode die wordt gebruikt. Het schakelschema voor de spanningsverschuiver wordt hieronder geïllustreerd.

Beschouw het onderstaande experiment,

Het circuit beschrijft een op zenerdiode gebaseerde spanningsverschuiver van 3,3 V. De uitgangsspanning (3,72 V) van het circuit wordt gegeven door de doorslagspanning (3,3 V) van de zenerdiode af te trekken van de ingangsspanning (7 V).

Vout = Vin –Vz

Vout = 7 - 3.3 = 3.7v

De spanningsverschuiver zoals eerder beschreven heeft verschillende toepassingen in het moderne ontwerp van elektronische schakelingen, aangezien de ontwerpingenieur soms tijdens het ontwerpproces met maximaal drie verschillende spanningsniveaus moet werken.

Soorten zenerdiodes:

Zenerdiodes zijn onderverdeeld in typen op basis van verschillende parameters, waaronder;

Nominale spanning
Vermogensverlies
Voorwaartse aandrijfstroom
Voorwaartse spanning
Type verpakking
Maximale tegenstroom

Nominale spanning

De nominale bedrijfsspanning van een zenerdiode wordt ook wel de doorslagspanning van de zenerdiode genoemd, afhankelijk van de toepassing waarvoor de diode wordt gebruikt, is dit vaak het belangrijkste criterium voor de selectie van zenerdiodes.

Vermogensdissipatie

Dit vertegenwoordigt de maximale hoeveelheid stroom die de zenerstroom kan verdrijven. Het overschrijden van dit vermogen leidt tot een buitensporige stijging van de temperatuur van de zenerdiode die deze kan beschadigen en kan leiden tot het falen van de dingen die erop zijn aangesloten in een circuit. Met deze factor moet dus rekening worden gehouden bij het selecteren van de diode met het oog op het gebruik.

Maximale Zener-stroom

Dit is de maximale stroom die door de zenerdiode kan worden geleid bij de zenerspanning zonder het apparaat te beschadigen.

Minimale Zener-stroom

Dit verwijst naar de minimale stroom die nodig is om de zenerdiode te laten werken in het doorslaggebied.

Andere parameters die als specificatie voor de diode dienen, moeten allemaal volledig in overweging worden genomen voordat er een beslissing wordt genomen over het type zenerdiode dat nodig is voor dat eigenaardige ontwerp.

Conclusie:

Hier zijn 5 punten die u de zenerdiode nooit mag vergeten.

Een zenerdiode is als een gewone diode alleen dat deze is gedoteerd om een scherpe doorslagspanning te hebben.
De zenerdiode handhaaft een stabiele uitgangsspanning, ongeacht de ingangsspanning, op voorwaarde dat de maximale zenerstroom niet wordt overschreden.
Wanneer de zenerdiode in voorwaartse richting is aangesloten, gedraagt hij zich precies zoals de normale siliconendiode. Het geleidt met dezelfde 0,7 V spanningsval die gepaard gaat met het gebruik van de normale diode.
De standaard bedrijfstoestand van de zenerdiode bevindt zich in het doorslaggebied (omgekeerd voorgespannen). Het betekent dat het echt begint te werken wanneer de aangelegde spanning hoger is dan de zenerspanning in tegengestelde richting.
De zenerdiode wordt meestal gebruikt in toepassingen met spanningsregeling, clipcircuits en spanningsverschuivers.