Zenerova dióda – čo to je a na čo slúži?

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-02 14:02

Zenerova dióda je polovodičová dióda s jedinečnými vlastnosťami. Ak je obyčajný polovodič po opätovnom zapnutí izolantom, potom túto funkciu vykonáva až do určitého zvýšenia použitého napätia, po ktorom dôjde k lavínovému reverzibilnému rozpadu. Pri ďalšom zvýšení spätného prúdu pretekajúceho zenerovou diódou zostáva napätie naďalej konštantné v dôsledku proporcionálneho poklesu odporu. Týmto spôsobom je možné dosiahnuť stabilizačný režim.

V zatvorenom stave najprv cez zenerovu diódu prechádza malý zvodový prúd. Prvok sa správa ako rezistor, ktorého hodnota odporu je veľká. Počas poruchy sa odpor zenerovej diódy stáva zanedbateľným. Ak pokračujeme vo zvyšovaní napätia na vstupe, prvok sa začne zahrievať a keď prúd prekročí povolenú hodnotu, dôjde k nevratnémutepelný rozpad. Ak sa k nej hmota neprivedie, pri zmene napätia z nuly na hornú hranicu pracovnej oblasti sú vlastnosti zenerovej diódy zachované.

Keď je zenerova dióda zapnutá priamo, charakteristiky sú rovnaké ako u diódy. Keď je plus spojené s oblasťou p a mínus s oblasťou n, prechodový odpor je malý a prúd cez ňu voľne preteká. Zvyšuje sa so zvyšujúcim sa vstupným napätím.

Zenerova dióda je špeciálna dióda zapojená väčšinou v opačnom smere. Prvok je najskôr v uzavretom stave. V prípade elektrického výpadku ho Zenerova dióda udržiava konštantné v širokom rozsahu prúdu.

Mínus sa aplikuje na anódu a plus na katódu. Za stabilizáciou (pod bodom 2) dochádza k prehriatiu a zvyšuje sa pravdepodobnosť zlyhania prvku.

Funkcie

Zenerove parametre sú nasledovné:

• U_st - stabilizačné napätie pri menovitom prúde I_st;
• I_{st min - minimálny elektrický poruchový štartovací prúd;}
• I_{st max - maximálny povolený prúd;}
• TKN – teplotný koeficient.

Na rozdiel od konvenčnej diódy je zenerova dióda polovodičové zariadenie, v ktorom sú oblasti elektrického a tepelného prierazu značne vzdialené na charakteristike prúdového napätia.

S maximálnym povoleným prúdom je spojený parameter často špecifikovaný vtabuľky - strata energie:

P_max=I_{st max}∙ U_st.

Závislosť zenerovej diódy na teplote môže byť kladná alebo záporná. Zapojením prvkov do série s koeficientmi rôznych znamienok sa vytvárajú presné zenerove diódy, ktoré nezávisia od ohrevu ani chladenia.

Schémy začlenenia

Typický obvod jednoduchého stabilizátora pozostáva z predradného odporu R_{b a zenerovej diódy, ktorá odpája záťaž.}

V niektorých prípadoch dochádza k porušeniu stabilizácie.

1. Odovzdanie stabilizátora vysokého napätia zo zdroja energie za prítomnosti filtračného kondenzátora na výstupe. Prúdové rázy pri nabíjaní môžu spôsobiť poruchu zenerovej diódy alebo zničenie rezistora R_b.
2. Vypnutie načítania. Keď je na vstup privedené maximálne napätie, prúd zenerovej diódy môže prekročiť povolenú hodnotu, čo povedie k jej zahrievaniu a zničeniu. Tu je dôležité dodržiavať oblasť bezpečného pracovného pasu.
3. Odpor R_{b sa volí malý, aby pri minimálnom možnom napájacom napätí a maximálnom povolenom prúde pri záťaži bola zenerova dióda v pracovnej regulačnej zóne.}

Tyristorové ochranné obvody alebo poistky sa používajú na ochranu stabilizátora.

Rezistor R_{b sa vypočíta podľa vzorca:}

R_b=(U_pit - U_nom)(Ist _{+ I}n_).

Aktuálnezenerova dióda I_st sa volí medzi prípustnými maximálnymi a minimálnymi hodnotami v závislosti od vstupného napätia U_pit a záťažového prúdu I _n.

Zenerov výber

Prvky majú veľký rozptyl stabilizačného napätia. Na získanie presnej hodnoty U_{n sa zenerove diódy vyberú z rovnakej šarže. Existujú typy s užším rozsahom parametrov. S vysokým stratovým výkonom sú prvky inštalované na radiátoroch.}

Na výpočet parametrov zenerovej diódy sú potrebné počiatočné údaje, napríklad tieto:

• U_{pit=12-15 V – vstupné napätie;}
• U_{st=9 V – stabilizované napätie;}
• R_{n=50-100 mA – záťaž.}

Parametre sú typické pre zariadenia s nízkou spotrebou energie.

Pre minimálne vstupné napätie 12 V je prúd na záťaži zvolený na maximum - 100 mA. Podľa Ohmovho zákona môžete zistiť celkové zaťaženie obvodu:

R_{∑=12 V / 0,1 A=120 Ohm.}

Na zenerovej dióde je úbytok napätia 9 V. Pre prúd 0,1 A bude ekvivalentná záťaž:

R_{eq=9 V / 0,1 A=90 Ohm.}

Teraz môžete určiť odpor predradníka:

R_{b=120 Ohm – 90 Ohm=30 Ohm.}

Vyberá sa zo štandardného riadku, kde je hodnota rovnaká ako vypočítaná.

Maximálny prúd cez zenerovu diódu je určený s prihliadnutím na odpojenie záťaže, aby nedošlo k jej poruche, ak dôjde k nespájkovaniu akéhokoľvek vodiča. Pokles napätia na rezistore bude:

U_{R=15 - 9=6 B.}

Potom sa určí prúd cez odpor:

I_{R=6/30=0, 2 A.}

Keďže je zenerova dióda zapojená do série s ňou, I_c=I_{R=0,2 A.}

Stratový výkon bude P=0,2∙9=1,8 W.

Podľa získaných parametrov sa vyberie vhodná Zenerova dióda D815V.

Symetrická zenerova dióda

Symetrický diódový tyristor je spínacie zariadenie, ktoré vedie striedavý prúd. Charakteristickým rysom jeho práce je pokles napätia až o niekoľko voltov pri zapnutí v rozsahu 30-50 V. Môže byť nahradený dvoma protiľahlými konvenčnými zenerovými diódami. Zariadenia sa používajú ako spínacie prvky.

Analóg zenerovej diódy

Keď nie je možné nájsť vhodný prvok, používajú na tranzistoroch analóg zenerovej diódy. Ich výhodou je možnosť regulácie napätia. Na tento účel možno použiť viacstupňové jednosmerné zosilňovače.

Na vstupe je nainštalovaný delič napätia s trimovacím odporom R1. Ak sa zvýši vstupné napätie, na základe tranzistora VT1 sa tiež zvýši. Súčasne sa zvyšuje prúd cez tranzistor VT2, ktorý kompenzuje zvýšenie napätia, čím ho udržiava stabilný na výstupe.

Značenie zenerových diód

Vyrábajú sa sklenené zenerove diódy a zenerove diódy v plastových obaloch. V prvom prípade sú na ne aplikované 2 čísla, medzi ktorými sa nachádza písmeno V. Nápis 9V1 znamená, žeU_{st=9, 1 V.}

Na plastovom obale sú nápisy rozlúštené pomocou datasheetu, kde sa dozviete aj ďalšie parametre.

Tmavý krúžok na puzdre označuje katódu, ku ktorej je pripojená kladka.

Záver

Zenerova dióda je dióda so špeciálnymi vlastnosťami. Výhodou zenerových diód je vysoká úroveň stabilizácie napätia so širokým rozsahom zmien prevádzkového prúdu, ako aj jednoduché schémy zapojenia. Aby sa stabilizovalo malé napätie, zariadenia sa zapnú v smere dopredu a začnú pracovať ako bežné diódy.