Diody Zenera lub „diody zanikowe”, jak się je czasem określa, są w zasadzie takie same jak standardowe diody PN, ale są specjalnie zaprojektowane tak, aby miały niskie i określone napięcie wstecznego zaniku, co pozwala na wykorzystanie przyłożonego do nich napięcia wstecznego.
Dioda Zenera zachowuje się jak zwykła dioda ogólnego przeznaczenia składająca się z krzemowego złącza PN i kiedy jest ustawiona w kierunku do przodu, czyli anoda jest dodatnia w stosunku do katody, zachowuje się jak zwykła dioda sygnałowa przepuszczająca prąd znamionowy.
Jednakże, w odróżnieniu od konwencjonalnej diody, która blokuje przepływ prądu przez siebie, gdy jest ustawiona w kierunku odwrotnym, tj. katoda staje się bardziej dodatnia niż anoda, gdy tylko napięcie odwrotne osiągnie z góry określoną wartość, dioda zenera zaczyna przewodzić w kierunku odwrotnym.
Wynika to z faktu, że gdy napięcie wsteczne przyłożone do diody zenera przekracza napięcie znamionowe urządzenia, w warstwie zubożenia półprzewodnika zachodzi proces zwany przerwą lawinową i przez diodę zaczyna płynąć prąd ograniczający wzrost napięcia.
Prąd płynący przez diodę zenera wzrasta gwałtownie do maksymalnej wartości obwodu (która jest zwykle ograniczona przez rezystor szeregowy), a po jej osiągnięciu prąd nasycenia pozostaje dość stały w szerokim zakresie napięć wstecznych. Punkt napięcia, w którym napięcie na diodzie zenera staje się stabilne, nazywany jest „napięciem zenera”, ( Vz ) i dla diod zenera napięcie to może wynosić od mniej niż jednego wolta do kilkuset woltów.
Punkt, w którym napięcie zenera wyzwala prąd płynący przez diodę może być bardzo dokładnie kontrolowany (z tolerancją mniejszą niż 1%) na etapie domieszkowania konstrukcji półprzewodnikowej diody, dając diodzie określone napięcie przebicia zenera, ( Vz ) na przykład 4,3V lub 7,5V. To napięcie przebicia zenera na krzywej I-V jest prawie pionową linią prostą.
Charakterystyka I-V diody Zenera
Dioda Zenera jest używana w jej trybie „reverse bias” lub reverse breakdown, tzn. anoda diody jest podłączona do ujemnego zasilania. Z powyższej krzywej charakterystyki I-V widać, że dioda Zenera posiada w swojej charakterystyce odwrotnego załamania obszar o prawie stałym ujemnym napięciu, niezależnie od wartości prądu płynącego przez diodę.
Napięcie to pozostaje prawie stałe nawet przy dużych zmianach prądu, pod warunkiem, że prąd diody zenera pozostaje pomiędzy prądem przebicia IZ(min) a maksymalnym prądem znamionowym IZ(max).
Ta zdolność diody zenera do samokontroli może być wykorzystana do regulacji lub stabilizacji źródła napięcia przy zmianach zasilania lub obciążenia. Fakt, że napięcie na diodzie w obszarze przerwania jest prawie stałe, okazuje się być ważną cechą diody zenera, ponieważ może ona być używana w najprostszych typach aplikacji regulatorów napięcia.
Funkcją regulatora napięcia jest dostarczenie stałego napięcia wyjściowego do obciążenia podłączonego równolegle do niego, pomimo tętnień w napięciu zasilania lub zmian w prądzie obciążenia. Dioda Zenera będzie kontynuować regulację napięcia, dopóki prąd trzymania diody nie spadnie poniżej minimalnej wartości IZ(min) w obszarze odwrotnego załamania.
Regulator diodowy
Diody Zenera mogą być używane do wytwarzania ustabilizowanego napięcia wyjściowego z niskimi tętnieniami w warunkach zmiennego prądu obciążenia. Przepuszczając przez diodę mały prąd ze źródła napięcia, poprzez odpowiedni rezystor ograniczający prąd (RS), dioda zenera będzie przewodzić wystarczający prąd, aby utrzymać spadek napięcia Vout.
Pamiętamy z poprzednich tutoriali, że napięcie wyjściowe DC z prostowników pół- lub pełnofalowych zawiera tętnienia nałożone na napięcie DC i że wraz ze zmianą wartości obciążenia zmienia się również średnie napięcie wyjściowe. Poprzez podłączenie prostego układu stabilizatora zenera, jak pokazano poniżej, na wyjściu prostownika, można uzyskać bardziej stabilne napięcie wyjściowe.
Regulator z diodą zenera
Resistor, RS jest podłączony szeregowo z diodą zenera w celu ograniczenia przepływu prądu przez diodę, przy czym źródło napięcia, VS, jest podłączone w poprzek kombinacji. Stabilizowane napięcie wyjściowe Vout jest pobierane z naprzeciwka diody zenera.
Dioda zenera jest podłączona z jej zaciskiem katodowym podłączonym do dodatniej szyny zasilania DC, więc jest odwrotnie spolaryzowana i będzie działać w stanie awarii. Rezystor RS jest tak dobrany, aby ograniczyć maksymalny prąd płynący w obwodzie.
Bez obciążenia podłączonego do obwodu, prąd obciążenia będzie równy zero, ( IL = 0 ), a cały prąd obwodu przechodzi przez diodę zenera, która z kolei rozprasza swoją maksymalną moc. Również mała wartość rezystora szeregowego RS spowoduje większy prąd diody przy podłączonej rezystancji obciążenia RL, a duża wartość zwiększy zapotrzebowanie na moc rozpraszaną przez diodę, więc należy zachować ostrożność przy wyborze odpowiedniej wartości rezystancji szeregowej, aby nie przekroczyć maksymalnej mocy znamionowej zenera w warunkach braku obciążenia lub wysokiej impedancji.
Obciążenie jest podłączone równolegle do diody zenera, więc napięcie na RL jest zawsze takie samo jak napięcie zenera, ( VR = VZ ). Istnieje minimalny prąd zenera, dla którego stabilizacja napięcia jest skuteczna, a prąd zenera musi pozostać powyżej tej wartości działając pod obciążeniem w obszarze awarii przez cały czas. Górna granica prądu jest oczywiście zależna od mocy znamionowej urządzenia. Napięcie zasilania VS musi być większe niż VZ.
Jednym małym problemem z układami stabilizatora diody zenera jest to, że dioda może czasami generować szum elektryczny na górze zasilania DC, ponieważ próbuje ustabilizować napięcie. Normalnie nie jest to problem dla większości zastosowań, ale dodanie kondensatora odsprzęgającego o dużej wartości na wyjściu diody zenera może być wymagane, aby zapewnić dodatkowe wygładzenie.
Aby trochę podsumować. Dioda zenera zawsze pracuje w stanie odwróconej tendencji. Jako taki prosty obwód regulatora napięcia może być zaprojektowany przy użyciu diody zenera, aby utrzymać stałe napięcie wyjściowe DC na obciążeniu pomimo zmian w napięciu wejściowym lub zmian w prądzie obciążenia.
Regulator napięcia zenera składa się z rezystora ograniczającego prąd RS połączonego szeregowo z napięciem wejściowym VS z diodą zenera połączoną równolegle z obciążeniem RL w tym stanie odwróconego uprzedzenia. Stabilizowane napięcie wyjściowe jest zawsze dobierane tak, aby było takie samo jak napięcie przebicia VZ diody.
Dioda zenera Przykład nr1
Z źródła wejściowego zasilacza 12V DC należy wytworzyć stabilizowane napięcie 5,0V. Maksymalna moc znamionowa PZ diody zenera wynosi 2W. Korzystając z powyższego układu regulatora zenera oblicz:
a). Maksymalny prąd płynący przez diodę zenera.
b). Minimalna wartość rezystora szeregowego, RS
c). Prąd obciążenia IL, jeżeli rezystor obciążenia o wartości 1kΩ jest podłączony przez diodę zenera.
d). Prąd zenera IZ przy pełnym obciążeniu.
Napięcia z diod zenera
Diody zenera, oprócz wytwarzania pojedynczego stabilizowanego napięcia wyjściowego, mogą być również łączone szeregowo wraz z normalnymi krzemowymi diodami sygnałowymi w celu wytworzenia różnych wartości wyjściowych napięcia referencyjnego, jak pokazano poniżej.
Diody Zenera połączone szeregowo
Wartości poszczególnych diod Zenera mogą być dobrane do aplikacji, podczas gdy dioda krzemowa zawsze będzie spadać o około 0.6 – 0.7V w stanie biasu w przód. Napięcie zasilania, Vin musi być oczywiście wyższe niż największe wyjściowe napięcie referencyjne i w naszym powyższym przykładzie jest to 19v.
Typowa dioda zenera dla ogólnych układów elektronicznych to 500mW, seria BZX55 lub większa 1.3W, seria BZX85, gdzie napięcie zenera jest podane jako, na przykład, C7V5 dla diody 7.5V, co daje numer referencyjny diody BZX55C7V5.
Diody zenera serii 500mW są dostępne w zakresie od około 2,4 do około 100 V i zazwyczaj mają taką samą sekwencję wartości, jaka jest stosowana w serii rezystorów 5% (E24) z indywidualnymi wartościami znamionowymi napięcia dla tych małych, ale bardzo użytecznych diod są podane w poniższej tabeli.
Standardowe napięcia diody Zenera
Obwody obcinania diody Zenera
Do tej pory przyjrzeliśmy się jak dioda zenera może być używana do regulacji stałego źródła prądu stałego, ale co jeśli sygnał wejściowy nie był stałym prądem stałym, ale zmiennym prądem zmiennym, jak dioda zenera zareagowałaby na ciągle zmieniający się sygnał.
Obwody obcinania i zaciskania diody są obwodami, które są używane do kształtowania lub modyfikowania wejściowego przebiegu prądu zmiennego (lub dowolnej sinusoidy) wytwarzając przebieg wyjściowy o różnym kształcie w zależności od układu obwodu. Obwody obcinające diodowe są również nazywane ogranicznikami, ponieważ ograniczają lub odcinają dodatnią (lub ujemną) część wejściowego sygnału AC. Ponieważ układy obcinacza zenera ograniczają lub odcinają część fali, która się przez nie przepływa, są one stosowane głównie do ochrony obwodów lub w układach kształtowania przebiegu.
Na przykład, jeśli chcielibyśmy obcinać przebieg wyjściowy przy +7,5V, użylibyśmy diody zenera o napięciu 7,5V. Jeśli przebieg wyjściowy będzie próbował przekroczyć granicę 7,5V, dioda zenera „odetnie” nadmiar napięcia z wejścia, tworząc przebieg o płaskim wierzchołku, nadal utrzymując napięcie wyjściowe na stałym poziomie +7,5V. Zauważ, że w stanie forward bias dioda zenera jest nadal diodą i kiedy przebieg AC spadnie poniżej -0.7V, dioda zenera włącza się jak każda normalna dioda krzemowa i odcina wyjście przy -0.7V, jak pokazano poniżej.
Sygnał fali kwadratowej
Diody zenera podłączone tyłem do siebie mogą być użyte jako regulator prądu zmiennego, tworząc coś, co żartobliwie nazywa się „generatorem fali kwadratowej dla ubogich”. Używając tego układu możemy obcinać przebieg pomiędzy wartością dodatnią +8,2V a ujemną -8,2V dla diody zenera 7,5V.
Więc na przykład, jeśli chcielibyśmy obcinać przebieg wyjściowy pomiędzy dwoma różnymi wartościami minimalnymi i maksymalnymi, powiedzmy +8V i -6V, użylibyśmy po prostu dwóch diod zenera o różnych wartościach. Zauważ, że wyjście będzie w rzeczywistości obcinać przebieg AC pomiędzy +8,7V i -6,7V z powodu dodania napięcia diody biasującej w przód.
Innymi słowy, napięcie międzyszczytowe wyniesie 15,4V zamiast oczekiwanych 14V, ponieważ spadek napięcia biasującego w przód na diodzie dodaje kolejne 0,7V w każdym kierunku.
Tego typu konfiguracja obcinacza jest dość powszechna do ochrony obwodów elektronicznych przed nadmiernym napięciem. Dwie diody zenera są zazwyczaj umieszczone w poprzek zacisków wejściowych zasilania i podczas normalnej pracy, jedna z diod zenera jest „OFF” i diody mają niewielki lub żaden wpływ. Jednakże, jeśli przebieg napięcia wejściowego przekroczy jego limit, wtedy diody zenera włączają się i blokują wejście, aby chronić obwód.
W następnym przewodniku o diodach, przyjrzymy się użyciu złącza PN diody do produkcji światła. Wiemy z poprzednich lekcji, że kiedy nośniki ładunku przemieszczają się przez złącze, elektrony łączą się z dziurami i energia jest tracona w postaci ciepła, ale również część tej energii jest rozpraszana jako fotony, ale nie możemy ich zobaczyć.