"Zener" diodas yra specialus diodo tipas, leidžiantis srovei tekėti atvirkščiai, kai įtampa pasiekia nustatytą vertę, vadinamą "Zener" įtampa. Jis palaiko pastovią įtampą ir apsaugo grandines nuo staigių pokyčių. Šiame straipsnyje išsamiai paaiškinama, kaip veikia "Zener" diodai, jų tipai, naudojimas ir dažniausios patikimumo problemos.
"Zener" diodų pagrindai ir
Zenerio diodas yra suprojektuotas puslaidininkinis įtaisas, leidžiantis srovei tekėti ne tik į priekį, kaip standartinis diodas, bet ir atvirkštine kryptimi, kai pasiekiama tam tikra įtampa, vadinama Zenerio gedimo įtampa (Vz). Užuot pažeistas atvirkštinės įtampos kaip įprastas diodas, "Zener" diodas sukurtas taip, kad saugiai veiktų šiame gedimo regione. Dėl šios unikalios savybės jis idealiai tinka įtampos reguliavimui, įtampos atskaitos grandinėms ir apsaugai nuo viršįtampio.
Kai atvirkštinė įtampa, taikoma per Zenerio diodą, viršija vardinę Zenerio įtampą (pvzample, 3.3 V, 5.1 V arba 12 V), jis palaiko beveik pastovią įtampą visuose gnybtuose, net jei keičiasi įvesties įtampa arba apkrovos srovė. Dėl šio gebėjimo stabilizuoti įtampą jis plačiai naudojamas maitinimo šaltiniuose ir elektroninėse grandinėse, kurioms reikalingas patikimas įtampos lygis.
Zenerio gedimo ir lavinų suskirstymo fizika
Paveikslėlyje parodytos Zenerio diodo I-V (srovės įtampos) charakteristikos, iliustruojančios, kaip jis elgiasi tiek pirmyn, tiek atgal poslinkio sąlygomis. Jame išryškėja du gedimo mechanizmai: Zenerio suskirstymas ir lavinų suskirstymas, kurie atsiranda atvirkštinėje grafiko srityje.
Priekinėje srityje diodas pradeda praleisti srovę, kai priekinė įtampa viršija tam tikrą slenkstį, vadinamą įjungimo įtampa (VT), kaip įprastas PN jungties diodas. Srovė sparčiai didėja kartu su įtampa šiame regione.
Atvirkštinėje srityje diodas iš pradžių blokuoja srovę, kol atvirkštinė įtampa pasiekia tam tikrą vertę. Gali įvykti du scenarijai:
• Zenerio suskirstymas (VZ): diodams, kurių gedimo įtampa mažesnė nei maždaug 5–6 V, dominuoja kvantinis mechaninis tuneliavimo efektas, vadinamas Zenerio skilimu. Diodas saugiai praleidžia didelę atvirkštinę srovę, išlaikydamas beveik pastovią įtampą. Tai išnaudojama reguliuojant įtampą.
• Lavinų gedimas (VB): Esant didesnei atvirkštinei įtampai, smūgio jonizacija sukelia lavinų gedimą. Tai taip pat lemia laidumą, tačiau naudojama aukštesnės įtampos programose.
Skirtumai tarp standartinio diodo ir "Zener" diodo
| Funkcija | Standartinis diodas | Zenerio diodas |
|---|---|---|
| Tikslas | Ištaisymas (kintamosios srovės konvertavimas į nuolatinę srovę) | Įtampos reguliavimas ir apsauga |
| Atvirkštinis veikimas | Blokuoja srovę iki destruktyvaus gedimo | Leidžia atvirkštinę srovę esant vardinei Zener įtampai |
| Dizainas | Bendrosios paskirties PN jungtis | Dopingas tiksliam ir saugiam gedimui |
| Įprastas naudojimas | Lygintuvai, signalinės kirpimo mašinėlės | Įtampos nuoroda, laužtuvo grandinės, reguliatoriai |
| Atvirkštinis suskirstymas | Nekontroliuojamas ir žalingas | Kontroliuojamas ir įprastas veikimo režimas |
Zenerio diodo naudojimas, kad įtampa būtų pastovi
"Zener" diodas yra speciali elektroninė dalis, kuri gali padėti išlaikyti pastovią įtampą. Tai naudinga, kai jūsų maitinimo šaltinis suteikia daugiau įtampos, nei reikia jūsų grandinei. "Zener" padeda kontroliuoti, kiek įtampos patenka į apkrovą (grandinės dalis, kuri naudoja energiją).
Norėdami jį nustatyti, prijunkite rezistorių ir "Zener" diodą. Rezistorius eina pirmas, prijungtas prie maitinimo šaltinio. Zenerio diodas dedamas atgal (atvirkštiniu poslinkiu) per apkrovą. Tai gali skambėti keistai, bet "Zener" diodai sukurti taip, kad veiktų taip. Kai įtampa tampa per aukšta, "Zener" įsijungia ir leidžia tekėti papildomai srovei, išlaikydamas įtampą vardiniame lygyje (vadinamą "Zener" įtampa).
Tačiau rezistorius yra toks pat reikalingas; jis riboja srovę, patenkančią į "Zener" diodą, ir apkrovą. Be šio rezistoriaus per didelė srovė gali sugadinti diodą ar kitas grandinės dalis.
Norėdami pasirinkti tinkamą rezistorių, galite naudoti paprastą formulę:
Štai ką reiškia šie simboliai:
• Vin: įtampa iš maitinimo šaltinio.
• Vz: norima įtampa visoje apkrovoje (Zenerio įtampa).
• Iz: srovė per "Zener" diodą turi veikti tinkamai.
• Iload: jūsų krovinio naudojama srovė.
Kai prijungsite skaičius į formulę, gausite reikiamą rezistoriaus vertę. Gerai naudoti kitą didesnę rezistoriaus vertę, jei tikslios nėra.
"Zener" diodų įtampos reguliatorių tipai
Šunto reguliatorius
Šunto reguliatoriuje "Zener" diodas yra sujungtas lygiagrečiai su apkrova. Tai reiškia, kad jis yra tuose pačiuose dviejuose taškuose, prie kurių prijungtas krovinys. Kai įtampa viršija "Zener" gedimo tašką, ji pradeda veikti ir neleidžia įtampai pakilti per aukštai.
Serijos reguliatorius
Serijiniame reguliatoriuje "Zener" diodas naudojamas skirtingai. Užuot kontroliavus įtampą tiesiai per apkrovą, "Zener" naudojamas tranzistoriaus pagrindui (BJT) tiekti etaloninę įtampą. Tranzistorius yra nuosekliai su apkrova, o tai reiškia, kad jis atitinka esamą kelią.
Zenerio diodas su tranzistoriumi arba Op-Amp buferiu
Zeneris su BJT emiterio pasekėju
Įprastas būdas pagerinti srovės valdymą yra prijungti bipolinį jungties tranzistorių (BJT) emiterio sekėjo (bendro kolektoriaus) konfigūracijoje. Štai kaip tai veikia:
• "Zener" diodas yra atvirkštinis poslinkis ir prijungtas prie BJT pagrindo.
• Tranzistoriaus spindulys tampa nauja reguliuojama išvestimi.
• Išėjimo įtampa yra apytiksliai:
Ši sąranka perkelia srovės naštą iš "Zener" į tranzistorių, todėl jis gali tiekti didesnes apkrovos sroves nepažeidžiant įtampos reguliavimo. Dabar Zeneriui tereikia tiekti mažą bazinę tranzistoriaus srovę.
"Zener" su "Op-Amp" buferiu
Norėdami dar tiksliau reguliuoti įtampą, ypač analoginėse ar jautriose grandinėse, galite prijungti "Zener" prie neinvertuojančio operacinio stiprintuvo, sukonfigūruoto kaip įtampos sekėjas (buferis), įvesties. Tai suteikia du pagrindinius privalumus:
• Didelė įėjimo varža: operacinis stiprintuvas beveik neima srovės iš Zener, todėl Zener įtampa išlieka stabili
• Maža išėjimo varža: jis gali vairuoti apkrovas nesukeldamas įtampos kritimo
Dėl to op-amp buferinė "Zener" sąranka idealiai tinka naudoti kaip stabilią įtampos atskaitą analoginėse grandinėse, ADC nuorodose arba jutiklių poslinkio grandinėse.
"Zener" diodų triukšmas ir trumpalaikis valdymas
Triukšmo mažinimas
Kai "Zener" diodas veikia jo gedimo srityje, gali atsirasti nedideli atsitiktiniai įtampos svyravimai, vadinami triukšmu. Norėdami tai sumažinti, aplinkkelio kondensatorius (apie 100 nF) yra prijungtas tiesiai per Zenerio diodą. Šis kondensatorius išlygina greitus įtampos pokyčius ir filtruoja aukšto dažnio triukšmą, išlaikydamas išėjimo įtampą stabilesnę.
Trumpalaikė apsauga
Elektros linijos arba perjungimo grandinės gali sukelti staigius įtampos šuolius, vadinamus pereinamaisiais. Tai gali įtempti "Zener" diodą arba prijungtus komponentus. Nuosekliai pridedant snubber grandinę, rezistoriaus ir kondensatoriaus derinį, padeda sugerti šiuos šuolius ir apsaugo grandinę nuo staigių viršįtampių.
Pulsacija ir tiekimo stabilumas
Jei įvesties įtampa yra pulsacija (nedideli kintamosios srovės svyravimai nuolatinės srovės signale), "Zener" išėjimas taip pat gali svyruoti. Norėdami sumažinti bangavimą:
• Naudokite didesnį serijinį rezistorių (Rs), kad apribotumėte srovės svyravimus
• Pridėkite tūrinį kondensatorių prie įėjimo, kad išlygintumėte maitinimo įtampą
• Laikykite "Zener" srovę vardiniame veikimo diapazone, kad veiktų stabiliai
"Zener" diodų iškirpimas ir ribojančios grandinės
Vieno zenerio iškirpimas
Kai vienas "Zener" diodas yra prijungtas atvirkštiniu poslinkiu per signalo liniją, jis pradeda veikti, kai signalo įtampa viršija "Zener" įtampą. Tai neleidžia signalui pakilti virš šio lygio, efektyviai pašalinant perteklinę įtampą. Jis dažniausiai naudojamas jautrioms grandinės įėjimams apsaugoti arba kontroliuojamoms bangos formos riboms sukurti.
Kintamosios srovės signalų zeneriai
Kintamiems signalams du "Zener" diodai dedami vienas po kito (priešingomis kryptimis). Šis išdėstymas leidžia grandinei simetriškai užfiksuoti tiek teigiamą, tiek neigiamą smailes, išlaikant bangos formą fiksuotame įtampos diapazone. Ši technika dažnai naudojama garso apdorojimui arba bangų formavimui, siekiant išvengti iškraipymų arba apsaugoti stiprintuvo įvestis.
Ttage ribojimas ir įvesties apsauga
"Zener" diodai taip pat gerai veikia kaip skaitmeninių sistemų įtampos ribotuvai. Jie gali apsaugoti mikrovaldiklių, loginių IC ar ADC įvesties kaiščius nuo įtampos šuolių, kurie kitu atveju gali juos sugadinti. Kai įtampa pakyla virš Zenerio slenksčio, diodas saugiai praleidžia ir užspaudžia įtampą ribose.
"Zener" diodų patikimumas ir gedimo režimai
Dažniausios "Zener" diodų skilimo priežastys
| Priežastis | Aprašymas | Poveikis Zenerio diodui |
|---|---|---|
| Perteklinės galios išsklaidymas | Kai "Zener" išsklaido daugiau galios nei vardinė riba (P = V~Z~ × I~Z~), sankryžos viduje kaupiasi šiluma. | Nuolatinis terminis suskirstymas arba "Zener" įtampos dreifas. |
| Pasikartojančios viršįtampių srovės | Dažni įtampos šuoliai ar įsibrovimo srovės sukelia trumpą, bet intensyvų srovės tekėjimą per diodą. | Sankryžos nuovargis, dėl kurio padidėja nuotėkis arba dalinis gedimas. |
| Elektrostatinė iškrova (ESD) | Staigios aukštos įtampos statinės iškrovos iš tvarkymo ar netoliese esančių grandinių. | Sankryžoje sukuria mikro trumpuosius junginius, sukeliančius nuotėkį ar visišką trumpąjį jungimą. |
| Viršįtampio veikimas | Ilgą laiką naudokite "Zener" arti arba virš maksimalios atvirkštinės įtampos. | Laipsniškas PN sankryžos gedimas ir įtampos stabilumo praradimas. |
Prevencinė projektavimo praktika
| Prevencinis metodas | Tikslas | Nauda |
|---|---|---|
| Sumažinkite galią (60–70% vardinės vertės) | Riboja šilumos kaupimąsi eksploatacijos metu. | Prailgina diodų tarnavimo laiką ir apsaugo nuo šiluminio įtempimo. |
| Naudokite srovę ribojantį rezistorių | Kontroliuoja srovę per "Zener" įtampos šuolių metu. | Apsaugo nuo staigių viršsrovių. |
| Pridėkite TVS diodą aukštos įtampos grandinėse | Užtikrina greitą viršįtampių absorbciją pereinamųjų laikotarpių metu. | Apsaugo "Zener" ir netoliese esančius komponentus nuo didelės energijos impulsų. |
| Užtikrinkite tinkamą šilumos išsklaidymą | Jei reikia, naudokite PCB varinius plotus arba radiatorius. | Palaiko sankryžos temperatūrą saugiose ribose. |
Išvada
"Zener" diodai yra patikimi komponentai, palaikantys pastovią įtampą ir užkertantys kelią pažeidimams dėl viršįtampių. Jų unikalus gedimo elgesys leidžia reguliuoti galią ir apsaugoti jautrias grandinės dalis. Tinkamai suprojektuoti ir valdyti srovę, jie užtikrina ilgalaikį ir stabilų veikimą įtampos reguliavimo ir apsaugos srityse.
Dažnai užduodami klausimai [DUK]
Koks yra "Zener" diodo simbolis?
Jis atrodo kaip įprastas diodo simbolis, bet su sulenktais kraštais ant katodo linijos, rodantis, kad jis praleidžia atvirkščiai, kai pasiekiama Zenerio įtampa.
Kaip temperatūra veikia "Zener" įtampą?
Zenerio įtampa mažėja esant žemesnei nei 5,6 V diodų temperatūrai, o aukštesnei nei 5,6 V temperatūrai. Apie 5,6 V jis išlieka beveik stabilus.
Kaip išbandyti "Zener" diodą su multimetru?
Diodo režimu poslinkis į priekį rodo apie 0,6–0,7 V, o atvirkštinis poslinkis rodo atvirą. Norėdami patikrinti "Zener" tūrįtage, maitinkite jį atbuline eiga rezistoriumi ir išmatuokite pastovią įtampą.
Kas apibrėžia "Zener" diodo galią?
Tai Zenerio įtampos ir srovės sandauga (P = VZ × IZ). Įprasti įvertinimai yra 0,25 W, 0,5 W ir 1 W, rodantys, kiek galios diodas gali saugiai valdyti.
Kas yra dinaminė varža "Zener" diode?
Tai nedidelis įtampos pokytis, padalytas iš srovės pokyčio gedimo regione. Mažesnė dinaminė varža reiškia geresnį įtampos stabilumą.
Ar "Zener" diodas gali reguliuoti kintamosios srovės įtampą?
Taip, kai du "Zener" yra sujungti vienas po kito, jie gali užfiksuoti tiek teigiamas, tiek neigiamas smailes, apribodami kintamosios srovės įtampos svyravimus.