Ценерови диоди

Въведение

Диодите обикновено са известни като устройство, което позволява протичането на ток в една посока (пристрастие напред) и предлага устойчивост на потока на тока, когато се използва в обратното отклонение. Zener Diode (кръстен на американския учен C. Zener, който за първи път обясни неговите оперативни принципи), от друга страна, не само позволява потока на тока, когато се използва в пристрастие напред, но те също така позволяват потока на тока, когато се използва в обратното пристрастие досега приложеното напрежение е над напрежението на пробив, известно като напрежение на пробив на Ценер. Или с други думи, напрежението на пробив е напрежението, при което ценеровият диод започва да провежда в обратна посока.

Принцип на работа на ценеровия диод:

При нормалните диоди напрежението при пробив е много високо и диодът се поврежда напълно, ако се приложи напрежение над диода за пробив, но при диодите на Zener напрежението на пробив не е толкова високо и не води до трайно повреждане на ценеровия диод, ако напрежението се прилага.

Тъй като обратното напрежение, приложено към ценеровия диод, се увеличава към определеното напрежение на пробив (Vz), през диода започва да тече ток и този ток е известен като ценеров ток и този процес е известен като лавинен пробив . Токът се увеличава до максимум и се стабилизира. Този ток остава постоянен в по-широкия диапазон на приложеното напрежение и позволява на Zener диода да издържи с по-високо напрежение, без да се повреди. Този ток се определя от серийния резистор.

Помислете за изображенията по-долу на нормален диод в действие.

За да покажете действията на ценеровия диод, разгледайте двата експеримента (A и B) по-долу.

В експеримент А, 12V ценеров диод е свързан в обърнато пристрастие, както е показано на изображението и може да се види, че ценеровият диод е блокирал ефективно напрежението, тъй като е било по-малко / равно на пробивното напрежение на конкретния ценеров диод и лампата по този начин остана на разстояние.

В експеримент Б, използван 6v ценерови диод провежда (крушката се включва) в обратна посока, тъй като приложеното напрежение е по-голямо от неговото напрежение на пробив и по този начин показва, че зоната на пробив е зоната на работа на ценеровия диод.

На волт-амперна характеристика кривата на диод Zener е показано по-долу.

От графиката може да се заключи, че ценеровият диод, работещ в режим на обратно пристрастие, ще има доста постоянно напрежение, независимо от количеството на подавания ток.

Приложения на Zener Diode:

Ценеровите диоди се използват в три основни приложения в електронни схеми;

1. Регулиране на напрежението

2. Машинка за подстригване на вълни

3. Превключвател на напрежение

1. Ценеров диод като регулатор на напрежението

Това е може би най-често срещаното приложение на ценерови диоди.

Това приложение на ценеровите диоди разчита до голяма степен на способността на ценеровите диоди да поддържат постоянно напрежение, независимо от вариациите в тока на захранване или натоварване. Общата функция на устройството за регулиране на напрежението е да осигурява постоянно изходно напрежение към товар, свързан паралелно с него, независимо от вариациите в енергията, изтеглена от товара (ток на товара) или вариациите и нестабилността на захранващото напрежение.

Ценеровият диод ще осигури постоянно напрежение при условие, че токът остава в рамките на максималния и минималния обратен ток.

Схемата на схемата, показваща ценеровия диод, използван като регулатор на напрежението, е показана по-долу.

Резистор, R1 е свързан последователно с ценеровия диод, за да се ограничи количеството на тока, преминаващ през диода и входното напрежение Vin (което трябва да е по-голямо от ценеровото напрежение) е свързано, както е показано на изображението и изходното напрежение Vout, се отвежда през ценеровия диод с Vout = Vz (ценерово напрежение). Тъй като характеристиките на обратното отклонение на ценеровия диод са необходими за регулиране на напрежението, той е свързан в режим на обърнато отклонение, като катодът е свързан към положителната шина на веригата.

Трябва да се внимава при избора на стойността на резистора R1, тъй като резистор с малка стойност ще доведе до голям диоден ток, когато натоварването е свързано и това ще увеличи изискването за разсейване на мощността на диода, което може да стане по-високо от максималната мощност на ценерът и може да го повреди.

Стойността на резистора, който ще се използва, може да бъде определена по формулата по-долу.

R ₁ = (V _в - V _Z) / I _Z Къде; R1 е стойността на серийното съпротивление. Vin е входното напрежение. Vz, което е същото като Vout, е ценеровото напрежение, а Iz е ценеровият ток.

Чрез използването на тази формула става лесно да се гарантира, че стойността на избрания резистор не води до потока на тока по-висок от този, който може да обработи ценерът.

Един малък проблем, изпитан при регулаторните вериги, базирани на ценеров диод, е, че понякога Zener генерира електрически шум на захранващата шина, докато прави опити за регулиране на входното напрежение. Въпреки че това може да не е проблем за повечето приложения, този проблем може да бъде решен чрез добавяне на кондензатор за отделяне на голяма стойност през диода. Това помага за стабилизиране на изхода на ценера.

2. Ценеров диод като машинка за подстригване на вълни

Една от употребите на нормалните диоди е в прилагането на вериги за подрязване и затягане, които са схеми, които се използват за оформяне или модифициране на входна форма на променлив ток или сигнал, произвеждайки изходен сигнал с различна форма в зависимост от спецификациите на машинката за подстригване или скоба.

Схемите за подстригване обикновено са схеми, които се използват за предотвратяване на изходния сигнал на дадена верига да надхвърли предварително определена стойност на напрежението, без да се променя друга част от входния сигнал или формата на вълната.

Тези вериги, заедно със скоби, се използват широко в аналогови телевизионни и FM радиопредаватели за премахване на смущения (затягащи вериги) и ограничаване на пиковите шумове чрез отрязване на високи върхове.

Тъй като Zener диодите обикновено се държат като нормални диоди, когато приложеното напрежение не е равно на напрежението на пробив, те също така се използват в вериги за отрязване.

Веригите за отрязване могат да бъдат проектирани да захващат сигнала в положителния, отрицателния или в двата региона. Въпреки че диодът естествено ще отсече другия регион при 0.7V, независимо дали е проектиран като положителен или отрицателен клипер.

Например, помислете за веригата по-долу.

Схемата за подстригване е предназначена за изрязване на изходния сигнал при 6.2v, така че е използван 6.2v ценеров диод. Ценеровият диод пречи на изходния сигнал да надхвърли ценеровото напрежение, независимо от входната форма на вълната. За този конкретен пример беше използвано 20v входно напрежение и изходното напрежение на положителната люлка беше 6.2v, съответстващо на напрежението на ценеровия диод. По време на отрицателното люлеене на променливото напрежение обаче, ценеровият диод се държи точно като нормалния диод и захваща изходното напрежение при 0.7V, в съответствие с нормалните силиконови диоди.

За да се приложи веригата за отрязване за отрицателното люлеене на веригата за променлив ток, както и за положителното люлеене по такъв начин, че напрежението да се отрязва на различни нива на положителното и отрицателното люлеене, се използва двойна ценерова верига. Схемата на веригата за двойната ценерова верига е показана по-долу.

В схемата за отрязване по-горе, напрежението Vz2 представлява напрежението на отрицателното люлеене на източника на променлив ток, при което изходният сигнал се желае да бъде отрязан, докато напрежението Vz1 представлява напрежението на положителното люлеене на източника на променлив ток, при което изходното напрежение е желателно да бъде отрязано.

3. Ценеров диод като превключвател на напрежението

Превключвателят на напрежение е едно от най-простите, но интересни приложения на ценеровия диод. Ако сте имали опит особено с свързването на 3.3v сензор към 5V MCU и сте видели от първа ръка грешките в показанията и т.н., че това може да доведе до тях, ще оцените важността на превключвателите на напрежение. Превключвателите на напрежение помагат за преобразуване на сигнала от едно напрежение в друго и със способността на ценеровия диод да поддържа стабилно изходно напрежение в зоната на пробив, това ги прави идеален компонент за операцията.

При превключвател на напрежение, основан на ценеров диод, веригата намалява изходното напрежение със стойност, равна на напрежението на пробив на конкретния ценеров диод, който се използва. Схемата на веригата за превключвателя на напрежението е илюстрирана по-долу.

Помислете за експеримента по-долу,

Схемата описва превключвател на напрежение на базата на 3.3v ценеров диод. Изходното напрежение (3.72V) на веригата се дава чрез изваждане на пробивното напрежение (3.3V) на ценеровия диод от входното напрежение (7V).

Vout = Vin –Vz

Vout = 7 - 3.3 = 3.7v

Превключвателят на напрежение, както е описано по-рано, има няколко приложения в съвременния дизайн на електронни схеми, тъй като инженерът-конструктор може да се наложи да работи с до три различни нива на напрежение на моменти по време на процеса на проектиране.

Видове ценерови диоди:

Ценеровите диоди се категоризират по типове въз основа на няколко параметъра, които включват;

Номинално напрежение
Разсейване на мощността
Ток на задвижване напред
Напрежение напрежение
Тип опаковка
Максимален обратен ток

Номинално напрежение

Номиналното работно напрежение на ценеровия диод е известно също като напрежение на пробив на ценеровия диод, в зависимост от приложението, за което ще се използва диодът, това често е най-важният критерий за избор на ценерови диоди.

Разсейване на мощността

Това представлява максималното количество мощност, което ценеровият ток може да разсее. Превишаването на тази номинална мощност води до прекомерно повишаване на температурата на ценеровия диод, което може да го повреди и да доведе до повреда на нещата, свързани с него във верига. По този начин този фактор трябва да се има предвид при избора на диод, като се има предвид използването му.

Максимален ценеров ток

Това е максималният ток, който може да се премине през ценеровия диод при ценеровото напрежение, без да се повреди устройството.

Минимален ценеров ток

Това се отнася до минималния ток, необходим на ценеровия диод да започне да работи в зоната на пробив.

Всички други параметри, които служат като спецификация за диода, трябва да бъдат напълно разгледани, преди да се вземе решение за типа на ценеровия диод, необходим за този особен дизайн.

Заключение:

Ето 5 точки, които никога не трябва да забравяте за ценеровия диод.

Ценеровият диод е като обикновен диод, само че е легиран, за да има рязко напрежение на пробив.
Ценеровият диод поддържа стабилно изходно напрежение, независимо от входното напрежение, при условие че максималният ценеров ток не е превишен.
Когато е свързан в пристрастие напред, ценеровият диод се държи точно като нормалния силиконов диод. Той провежда със същия спад на напрежението от 0.7v, който съпътства използването на нормалния диод.
Работното състояние на ценеровия диод по подразбиране е в областта на разбивка (обърнато пристрастие). Това означава, че всъщност започва да работи, когато приложеното напрежение е по-високо от ценеровото напрежение при обратно пристрастие.
Ценеровият диод се използва най-вече в приложения, включващи регулиране на напрежението, вериги за отрязване и превключватели на напрежение.