De Zener Diode of “Breakdown Diode”, zoals ze soms ook worden genoemd, zijn in principe hetzelfde als de standaard PN junctie diode, maar ze zijn speciaal ontworpen om een lage en gespecificeerde Reverse Breakdown Voltage te hebben die voordeel haalt uit elke omgekeerde spanning die erop wordt toegepast.
De Zener-diode gedraagt zich net als een normale diode voor algemeen gebruik, bestaande uit een silicium PN-junctie en wanneer deze in voorwaartse richting wordt belast, d.w.z. de anode positief ten opzichte van de kathode, gedraagt deze zich net als een normale signaaldiode die de nominale stroom doorlaat.
In tegenstelling tot een conventionele diode echter, die elke stroom door zichzelf blokkeert wanneer hij in tegengestelde richting wordt beïnvloed (d.w.z. de kathode wordt positiever dan de anode), begint de zenerdiode in tegengestelde richting te geleiden zodra de sperspanning een vooraf bepaalde waarde bereikt.
Dit komt omdat wanneer de omgekeerde spanning over de zenerdiode de nominale spanning van het apparaat overschrijdt een proces genaamd Avalanche Breakdown optreedt in de halfgeleider depletielaag en een stroom begint te stromen door de diode om deze toename van de spanning te beperken.
De stroom die nu door de zenerdiode stroomt neemt dramatisch toe tot de maximale circuitwaarde (die gewoonlijk wordt beperkt door een serieweerstand) en zodra deze is bereikt, blijft deze omgekeerde verzadigingsstroom vrij constant over een breed scala van omgekeerde spanningen. Het spanningspunt waarbij de spanning over de zenerdiode stabiel wordt, wordt de “zenerspanning” genoemd, ( Vz ) en voor zenerdioden kan deze spanning variëren van minder dan één volt tot een paar honderd volt.
Het punt waarop de zenerspanning de stroom door de diode doet lopen, kan zeer nauwkeurig worden geregeld (met een tolerantie van minder dan 1%) in de doperingsfase van de halfgeleiderconstructie van de diode, waardoor de diode een specifieke zener-doorslagspanning krijgt, ( Vz ) bijvoorbeeld 4,3 V of 7,5 V. Deze zenerdoorslagspanning op de I-V curve is bijna een verticale rechte lijn.
Zener Diode I-V Kenmerken
De Zener Diode wordt gebruikt in zijn “reverse bias” of “reverse breakdown” modus, d.w.z. dat de anode van de diode in verbinding staat met de negatieve voeding. Uit de I-V karakteristiek hierboven kunnen we zien dat de zenerdiode een gebied heeft in zijn reverse bias karakteristiek van bijna een constante negatieve spanning, ongeacht de waarde van de stroom die door de diode vloeit.
Deze spanning blijft bijna constant, zelfs bij grote veranderingen in de stroom, op voorwaarde dat de stroom van de zenerdiode tussen de doorslagstroom IZ(min) en de maximale stroom IZ(max) blijft.
Dit vermogen van de zenerdiode om zichzelf te regelen kan met groot effect worden gebruikt om een spanningsbron te reguleren of te stabiliseren tegen variaties in de voeding of belasting. Het feit dat de spanning over de diode in het doorslaggebied vrijwel constant is, blijkt een belangrijke eigenschap van de zenerdiode te zijn, omdat deze kan worden gebruikt in de eenvoudigste toepassingen van spanningsregelaars.
De functie van een spanningsregelaar is om een constante uitgangsspanning te leveren aan een belasting die er parallel mee is aangesloten, ondanks de rimpelingen in de voedingsspanning of variaties in de belastingsstroom. Een zenerdiode zal zijn spanning blijven regelen totdat de houdstroom van de diode onder de minimale IZ(min)-waarde in het omgekeerde doorbreekgebied komt.
De Zener Diode Regulator
Zener Diodes kunnen worden gebruikt om een gestabiliseerde spanningsoutput met lage rimpel te produceren onder variërende belastingsstroomcondities. Door een kleine stroom door de diode te leiden vanuit een spanningsbron, via een geschikte stroombegrenzende weerstand (RS), zal de zenerdiode voldoende stroom geleiden om een spanningsval van Vout te handhaven.
We herinneren ons uit de vorige tutorials dat de DC-uitgangsspanning van de half- of volgolfgelijkrichters rimpel bevat die bovenop de DC-spanning ligt en dat als de belastingswaarde verandert, ook de gemiddelde uitgangsspanning verandert. Door een eenvoudige zenerstabilisator zoals hieronder afgebeeld over de uitgang van de gelijkrichter aan te sluiten, kan een stabielere uitgangsspanning worden verkregen.
Zener Diode Regulator
Resistor, RS wordt in serie met de zenerdiode aangesloten om de stroom door de diode te beperken, waarbij de spanningsbron, VS over de combinatie wordt aangesloten. De gestabiliseerde uitgangsspanning Vout wordt verkregen over de zenerdiode.
De zenerdiode is met de kathode verbonden met de positieve rail van de gelijkstroomvoeding, zodat deze in sperrichting werkt en in de uitvalconditie zal zijn.
Als er geen belasting op de stroomkring is aangesloten, zal de belastingsstroom nul zijn, ( IL = 0 ), en gaat alle stroom door de zenerdiode die op zijn beurt het maximale vermogen afvoert. Ook een kleine waarde van de serieweerstand RS zal resulteren in een grotere diodestroom wanneer de belastingsweerstand RL is aangesloten en groot is, omdat dit de vermogensdissipatievereiste van de diode zal verhogen, dus zorgvuldigheid moet worden betracht bij het kiezen van de juiste waarde van de serieweerstand, zodat het maximale vermogen van de zener niet wordt overschreden in deze onbelaste of hoogohmige toestand.
De belasting is parallel geschakeld met de zenerdiode, dus de spanning over RL is altijd hetzelfde als de zenerspanning, ( VR = VZ ). Er is een minimale zenerstroom waarbij de stabilisatie van de spanning effectief is en de zenerstroom moet te allen tijde boven deze waarde blijven bij werking onder belasting binnen zijn doorslaggebied. De bovengrens van de stroom is uiteraard afhankelijk van het vermogen van het apparaat. De voedingsspanning VS moet groter zijn dan VZ.
Een klein probleem met zenerdiodestabilisatorcircuits is dat de diode soms elektrische ruis kan genereren bovenop de gelijkstroomvoeding als hij probeert de spanning te stabiliseren. Normaal gesproken is dit voor de meeste toepassingen geen probleem, maar de toevoeging van een ontkoppelingscondensator met een grote waarde over de uitgang van de zener kan nodig zijn om extra afvlakking te geven.
Om het een beetje samen te vatten. Een zenerdiode werkt altijd in zijn omgekeerde biased toestand. Als zodanig kan een eenvoudige spanningsregelaarschakeling worden ontworpen met een zenerdiode om een constante gelijkspanning over de belasting te handhaven ondanks variaties in de ingangsspanning of veranderingen in de belastingsstroom.
De zenerspanningsregelaar bestaat uit een stroombegrenzende weerstand RS die in serie is geschakeld met de ingangsspanning VS met de zenerdiode parallel geschakeld met de belasting RL in deze omgekeerde biased toestand. De gestabiliseerde uitgangsspanning is altijd gelijk aan de doorslagspanning VZ van de diode.
Zener Diode Voorbeeld No1
Een gestabiliseerde voeding van 5,0 V moet worden geproduceerd uit een ingangsbron van 12 V gelijkspanning. Het maximale vermogen PZ van de zenerdiode is 2W. Bereken met behulp van de bovenstaande zener-regelaarschakeling:
a). De maximale stroom die door de zenerdiode loopt.
b). De minimumwaarde van de serieweerstand, RS
c). De belastingsstroom IL als een belastingsweerstand van 1kΩ over de zenerdiode wordt aangesloten.
d). De zenerstroom IZ bij volle belasting.
Zener Diode Spanningen
Zener diodes kunnen niet alleen een enkele gestabiliseerde spanningsuitgang produceren, maar kunnen ook samen in serie worden geschakeld met normale silicium signaaldiodes om een verscheidenheid aan verschillende uitgangsreferentiespanningen te produceren, zoals hieronder getoond.
Zener Diodes in serie geschakeld
De waarden van de afzonderlijke Zener diodes kunnen worden gekozen afhankelijk van de toepassing, terwijl de silicium diode altijd ongeveer 0,6 – 0,7 V zal laten vallen in de voorwaartse bias conditie. De voedingsspanning, Vin moet natuurlijk hoger zijn dan de grootste uitgangsreferentiespanning en in ons voorbeeld hierboven is dit 19v.
Een typische zenerdiode voor algemene elektronische schakelingen is de 500mW, BZX55 serie of de grotere 1.3W, BZX85 serie waarbij de zenerspanning wordt gegeven als, bijvoorbeeld, C7V5 voor een 7.
De 500mW serie zener diodes zijn verkrijgbaar van ongeveer 2,4 tot ongeveer 100 Volt en hebben meestal dezelfde volgorde van waarden als gebruikt voor de 5% (E24) weerstand serie met de individuele voltage waarderingen voor deze kleine maar zeer nuttige diodes zijn gegeven in de tabel hieronder.
Zener Diode Standaard Zener Spanningen
Zener Diode Clipping Circuits
Tot nu toe hebben we gekeken hoe een zener diode kan worden gebruikt om een constante DC bron te reguleren, maar wat als het ingangssignaal geen steady state DC is maar een wisselende AC golfvorm hoe zou de zener diode reageren op een constant veranderend signaal.
Diode clipping en clamping schakelingen zijn schakelingen die worden gebruikt om een AC ingangsgolfvorm (of een willekeurige sinusoïde) vorm te geven of te wijzigen, waarbij afhankelijk van de opstelling van de schakeling een anders gevormde uitgangsgolfvorm wordt geproduceerd. Diode clipper schakelingen worden ook wel limiters genoemd omdat zij het positieve (of negatieve) deel van een ingangs AC signaal begrenzen of clippen. Omdat zener clipper schakelingen een deel van de golfvorm over hen heen begrenzen of afknippen, worden ze voornamelijk gebruikt voor circuitbeveiliging of in golfvorm vormende schakelingen.
Als we bijvoorbeeld een uitgangsgolfvorm bij +7,5V willen afknijpen, zouden we een 7,5V zener diode gebruiken. Als de uitgangsgolfvorm de limiet van 7,5V probeert te overschrijden, zal de zenerdiode de overtollige spanning van de ingang “wegklemmen” en een golfvorm produceren met een vlakke top, terwijl de uitgang constant op +7,5V wordt gehouden. Merk op dat een zenerdiode in voorwaartse bias nog steeds een diode is en wanneer de AC-golfvorm onder -0,7 V komt, gaat de zenerdiode “aan” zoals elke normale siliciumdiode zou doen en klemt de uitgang op -0,7 V zoals hieronder getoond.
Vergolfsignaal
De rug-aan-rug aangesloten zenerdiodes kunnen worden gebruikt als een AC-regelaar voor wat gekscherend een “poor man’s square wave generator” wordt genoemd. Met deze opstelling kunnen we de golfvorm knippen tussen een positieve waarde van +8,2 V en een negatieve waarde van -8,2 V voor een zenerdiode van 7,5 V.
Dus als we bijvoorbeeld een uitgangsgolfvorm willen knippen tussen twee verschillende minimum- en maximumwaarden van laten we zeggen +8 V en -6 V, dan gebruiken we gewoon twee zenerdiodes met verschillende nominale waarden. Merk op dat de uitgang in feite de AC golfvorm tussen +8.7V en -6.7V zal clippen als gevolg van de toevoeging van de voorwaartse biasing diode spanning.
In andere woorden een piek-tot-piek spanning van 15.4 volt in plaats van de verwachte 14 volt, omdat de voorwaartse bias spanningsval over de diode nog eens 0.7 volt in elke richting toevoegt.
Dit type clipper configuratie is vrij gebruikelijk voor het beschermen van een elektronisch circuit tegen overspanning. De twee zeners worden over het algemeen over de ingangsterminals van de voeding geplaatst en tijdens de normale werking is één van de zenerdiodes “UIT” en hebben de diodes weinig of geen invloed. Als de ingangsspanning echter zijn limiet overschrijdt, dan gaan de zeners “AAN” en sluiten de ingang af om de schakeling te beschermen.
In de volgende tutorial over diodes zullen we kijken naar het gebruik van de voorgespannen PN junctie van een diode om licht te produceren. Uit de vorige tutorials weten we dat wanneer ladingsdragers over de junctie bewegen, elektronen zich verbinden met gaten en energie verloren gaat in de vorm van warmte, maar ook een deel van deze energie wordt afgevoerd in de vorm van fotonen, maar die kunnen we niet zien.