Zenerdiodenschaltungen, Eigenschaften, Berechnungen

Zenerdioden - benannt nach ihrem Erfinder Dr. Carl Zener - werden grundsätzlich in elektronischen Schaltungen zur Erzeugung präziser Spannungsreferenzen eingesetzt. Dies sind Geräte, die in der Lage sind, unabhängig von Schwankungen der Schaltungs- und Spannungssituationen eine praktisch konstante Spannung über ihnen zu erzeugen.

Äußerlich finden Sie möglicherweise Zenerdioden, die Standarddioden wie 1N4148 sehr ähnlich sind. Zenerdioden arbeiten auch so, dass sie Wechselstrom in pulsierenden Gleichstrom umwandeln, ähnlich wie ihre herkömmlichen Alternativen. Im Gegensatz zu Standardgleichrichterdioden sind Zenerdioden jedoch so konfiguriert, dass ihre Kathode direkt mit dem Plus der Versorgung und die Anode mit der negativen Versorgung verbunden ist.

Eigenschaften

In ihrer Standardkonfiguration weisen Zenerdioden einen hohen Widerstand unterhalb einer bestimmten kritischen Spannung (bekannt als Zerier-Spannung) auf. Wenn diese spezifische kritische Spannung überschritten wird, fällt der aktive Widerstand der Zenerdiode auf ein extrem niedriges Niveau.

Und bei diesem niedrigen Widerstandswert wird eine effektive konstante Spannung über den Zenern gehalten, und es ist zu erwarten, dass diese konstante Spannung unabhängig von einer Änderung des Quellenstroms erhalten bleibt.

Mit einfachen Worten, wenn die Versorgung über die Zenerdiode den Zenernennwert überschreitet, leitet und erdet die Zenerdiode die Überspannung. Aufgrund dessen fällt die Spannung unter die Zenerspannung, die den Zener ausschaltet, und die Versorgung versucht erneut, die Zenerspannung zu überschreiten, wodurch der Zener erneut eingeschaltet wird. Dieser Zyklus wiederholt sich schnell, was letztendlich dazu führt, dass der Ausgang genau auf einen konstanten Zenerspannungswert stabilisiert wird.

Diese Eigenschaft ist in der folgenden Abbildung grafisch hervorgehoben, was darauf hinweist, dass oberhalb der 'Zenerspannung' die Sperrspannung auch bei Schwankungen des Sperrstroms nahezu konstant bleibt. Infolgedessen werden Zenerdioden häufig verwendet, um mit ihrem Innenwiderstand einen konstanten Spannungsabfall oder eine Referenzspannung zu erhalten.

Zenerdioden sind in vielen Wattzahlen und mit Nennspannungen zwischen 2,7 Volt und 200 Volt ausgelegt. (Meistens werden jedoch kaum Zenerdioden mit Werten weit über 30 Volt verwendet.)

Grundlegende Funktionsweise der Zenerdiodenschaltung

Eine Standard-Spannungsreglerschaltung, die einen einzelnen Widerstand und eine Zenerdiode verwendet, ist in der folgenden Abbildung zu sehen. Nehmen wir hier an, der Wert der Zenerdiode beträgt 4,7 V und die Versorgungsspannung V in beträgt 8,0 V.

Die grundlegende Funktionsweise einer Zenerdiode kann mit folgenden Punkten erklärt werden:

Wenn am Ausgang der Zenerdiode keine Last anliegt, fällt an der Zenerdiode ein Abfall von 4,7 Volt ab, während am Widerstand R eine Abschaltung von 2,4 Volt erzeugt wird.

Wenn nun die Eingangsspannung geändert wird, stellen wir uns vor, dass von 8,0 auf 9,0 V der Spannungsabfall am Zener weiterhin die Nennspannung von 4,7 V beibehält.

Es war jedoch zu sehen, dass der Spannungsabfall über dem Widerstand R von 2,4 V auf 3,4 V anstieg.

Es ist zu erwarten, dass der Spannungsabfall an einem idealen Zener ziemlich konstant ist. In der Praxis kann es vorkommen, dass die Spannung am Zener aufgrund des dynamischen Widerstands des Zener leicht ansteigt.

Das Verfahren, mit dem die Änderung der Zenerspannung berechnet wird, besteht darin, den dynamischen Widerstand des Zeners mit der Änderung des Zenerstroms zu multiplizieren.

Der Widerstand R1 in der obigen Grundauslegung des Reglers symbolisiert die bevorzugte Last, die mit dem Zener verbunden sein kann. R1 zieht in diesem Zusammenhang eine bestimmte Strommenge, die durch den Zener fließt.

Da der Strom in Rs höher ist als der in die Last eintretende Strom, fließt weiterhin eine Strommenge durch den Zener, wodurch eine vollkommen konstante Spannung zwischen dem Zener und der Last ermöglicht wird.

Der angegebene Vorwiderstand Rs sollte so bestimmt werden, dass der niedrigste in den Zener eintretende Strom immer höher ist als der für eine stabile Regelung vom Zener festgelegte Mindestpegel. Dieser Pegel beginnt direkt unter dem 'Knie' der Sperrspannungs- / Sperrstromkurve, wie aus dem vorherigen Grafikdiagramm oben hervorgeht.

Sie müssen außerdem sicherstellen, dass durch die Auswahl von Rs sichergestellt wird, dass der durch die Zenerdiode fließende Strom niemals über seine Nennleistung hinausgeht. Dies kann der Zenerspannung x dem Zenerstrom entsprechen. Dies ist die höchste Strommenge, die ohne die Last R1 durch die Zenerdiode fließen kann.

So berechnen Sie Zenerdioden

Das Entwerfen einer grundlegenden Zenerschaltung ist eigentlich einfach und kann durch die folgenden Anweisungen implementiert werden:

1. Bestimmen Sie den maximalen und minimalen Laststrom (Li), zum Beispiel 10 mA und 0 mA.
2. Bestimmen Sie die maximale Versorgungsspannung, die sich entwickeln kann, z. B. einen 12-V-Pegel, und stellen Sie außerdem sicher, dass die minimale Versorgungsspannung immer = 1,5 V + Vz (die Zenerspannungsbewertung) beträgt.
3. Wie in der Grundauslegung des Reglers angegeben, ist die erforderliche Ausgangsspannung, die der äquivalenten Zenerspannung Vz = 4,7 Volt entspricht, und die ausgewählte Der niedrigste Zenerstrom beträgt 100 Mikroampere . Dies impliziert, dass der maximal beabsichtigte Zenerstrom hier 100 Mikroampere plus 10 Milliampere beträgt, was 10,1 Milliampere entspricht.
4. Der Vorwiderstand Rs muss die minimale Strommenge von 10,1 mA zulassen, selbst wenn die Eingangsversorgung den niedrigsten spezifizierten Pegel aufweist, der 1,5 V höher als der ausgewählte Zenerwert Vz ist, und kann unter Verwendung des Ohmschen Gesetzes wie folgt berechnet werden: Rs = 1,5 / 10,1 x 10^-3= 148,5 Ohm. Der nächste Standardwert scheint 150 Ohm zu sein, daher kann Rs 150 Ohm betragen.
5. Wenn die Versorgungsspannung auf 12 V ansteigt, beträgt der Spannungsabfall über Rs Iz x Rs, wobei Iz = Strom durch den Zener ist. Unter Anwendung des Ohmschen Gesetzes erhalten wir daher Iz = 12 - 4,7 / 150 = 48,66 mA
6. Das Obige ist der maximale Strom, der durch die Zenerdiode fließen darf. Mit anderen Worten, der maximale Strom, der während der maximalen Ausgangslast oder der maximal angegebenen Versorgungsspannung fließen kann. Unter diesen Bedingungen verbraucht die Zenerdiode eine Leistung von Iz x Vz = 48,66 x 4,7 = 228 mW. Der nächstgelegene Standardleistungswert für diese Leistung beträgt 400 mW.

Einfluss der Temperatur auf Zenerdioden

Neben Spannungs- und Lastparametern sind Zenerdioden auch sehr widerstandsfähig gegen Temperaturschwankungen. Ab einem gewissen Grad kann die Temperatur jedoch einen gewissen Einfluss auf das Gerät haben, wie in der folgenden Grafik angegeben:

Es zeigt die Temperaturkoeffizientenkurve der Zenerdiode. Obwohl bei höheren Spannungen die Koeffizientenkurve mit etwa 0,1% pro Grad Celsius reagiert, bewegt sie sich bei 5 V durch Null und wird dann für die niedrigeren Spannungspegel negativ. Schließlich erreicht es -0,04% pro Grad Celsius bei etwa 3,5 V.

Verwendung der Zenerdiode als Temperatursensor

Eine gute Verwendung der Empfindlichkeit der Zenerdiode gegenüber Temperaturänderungen besteht darin, das Gerät als Temperatursensor zu verwenden, wie in der folgenden Abbildung gezeigt

Das Diagramm zeigt ein Brückennetzwerk, das aus einem Widerstandspaar und einem Paar Zenerdioden mit identischen Eigenschaften aufgebaut ist. Eine der Zenerdioden arbeitet wie ein Referenzspannungsgenerator, während die andere Zenerdiode zum Erfassen der Änderungen der Temperaturniveaus verwendet wird.

Ein Standard-10-V-Zener kann einen Temperaturkoeffizienten von + 0,07% / ° C haben, was einer Temperaturschwankung von 7 mV / ° C entsprechen kann. Dies führt zu einem Ungleichgewicht von etwa 7 mV zwischen den beiden Armen der Brücke für jede einzelne Temperaturschwankung von Grad Celsius. Ein 50-mV-Voll-FSD-Messgerät kann an der angegebenen Position verwendet werden, um die entsprechenden Temperaturwerte anzuzeigen.

Anpassen des Zenerdiodenwerts

Für einige Schaltungsanwendungen kann es erforderlich sein, einen genauen Zenerwert zu haben, der ein nicht standardmäßiger Wert oder ein Wert sein kann, der nicht ohne weiteres verfügbar ist.

In solchen Fällen kann ein Array von Zenerdioden erstellt werden, die dann verwendet werden können, um einen gewünschten benutzerdefinierten Zenerdiodenwert zu erhalten, wie unten gezeigt:

In diesem Beispiel können viele benutzerdefinierte, nicht standardmäßige Zenerwerte über die verschiedenen Terminals hinweg erfasst werden, wie in der folgenden Liste beschrieben:

Sie können andere Werte an den angegebenen Positionen verwenden, um viele andere benutzerdefinierte Sätze von Zenerdiodenausgängen zu erhalten

Zenerdioden mit Wechselstromversorgung

Zener-Dioden werden normalerweise mit Gleichstromversorgungen verwendet. Diese Geräte können jedoch auch für die Verwendung mit Wechselstromversorgungen ausgelegt werden. Einige Wechselstromanwendungen von Zenerdioden umfassen Audio-, HF-Schaltungen und andere Formen von Wechselstromsteuersystemen.

Wie im folgenden Beispiel gezeigt, leitet der Zener bei Verwendung einer Wechselstromversorgung mit einer Zenerdiode sofort, sobald das Wechselstromsignal von Null in Richtung der negativen Hälfte seines Zyklus übergeht. Da das Signal negativ ist, wird der Wechselstrom über die Anode zur Kathode des Zeners kurzgeschlossen, wodurch 0 V als Ausgang erscheinen.

Wenn sich die Wechselstromversorgung über die positive Hälfte des Zyklus bewegt, leitet der Zener erst, wenn der Wechselstrom auf den Zenerspannungspegel ansteigt. Wenn das Wechselstromsignal die Zenerspannung überschreitet, leitet der Zener den Ausgang und stabilisiert ihn auf einen Wert von 4,7 V, bis der Wechselstromzyklus wieder auf Null abfällt.

Denken Sie daran, dass bei Verwendung eines Zeners mit einem AC-Eingang sichergestellt ist, dass Rs gemäß der AC-Spitzenspannung berechnet wird.

Im obigen Beispiel ist der Ausgang nicht symmetrisch, sondern pulsierende 4,7 V DC. Um einen symmetrischen Wechselstrom von 4,7 V am Ausgang zu erhalten, können zwei hintereinander angeordnete Zenere angeschlossen werden, wie in der folgenden Abbildung dargestellt

Unterdrückung des Zenerdiodenrauschens

Obwohl Zenerdioden eine schnelle und einfache Möglichkeit bieten, stabilisierte Festspannungsausgänge zu erzeugen, weist sie einen Nachteil auf, der empfindliche Audiokreise wie Leistungsverstärker beeinträchtigen kann.

Zenerdioden erzeugen während des Betriebs Rauschen aufgrund ihres Sperrschichtlawineneffekts beim Schalten im Bereich von 10 uV bis 1 mV. Dies kann durch Hinzufügen eines Kondensators parallel zur Zenerdiode unterdrückt werden, wie unten gezeigt:

Der Wert des Kondensators kann zwischen 0,01 uF und 0,1 uF liegen, was eine Rauschunterdrückung um den Faktor 10 ermöglicht und die bestmögliche Spannungsstabilisierung aufrechterhält.

Die folgende Grafik zeigt die Wirkung des Kondensators zur Reduzierung des Zenerdiodenrauschens.

Verwenden von Zener für die Ripple-Spannungsfilterung

Zenerdioden können ebenso wie die Wechselspannungsstabilisierung als effektive Welligkeitsspannungsfilter eingesetzt werden.

Aufgrund ihrer extrem niedrigen dynamischen Impedanz können Zenerdioden genauso wie Filterkondensatoren wie Welligkeitsfilter arbeiten.

Eine sehr beeindruckende Welligkeitsfilterung kann erzielt werden, indem eine Zenerdiode mit jeder Gleichstromquelle über die Last geschaltet wird. Hier muss die Spannung dem Welligkeitstrog entsprechen.

In den meisten Schaltungsanwendungen kann dies genauso effektiv funktionieren wie ein typischer Glättungskondensator mit einer Kapazität von mehreren tausend Mikrofarad, was zu einer signifikanten Verringerung des Pegel der Welligkeitsspannung führt, die dem Gleichstromausgang überlagert ist.

So erhöhen Sie die Belastbarkeit der Zenerdiode

Eine einfache Möglichkeit, die Belastbarkeit der Zenerdiode zu erhöhen, besteht wahrscheinlich darin, sie wie unten gezeigt parallel zu schalten:

In der Praxis ist dies jedoch möglicherweise nicht so einfach wie es aussieht und funktioniert möglicherweise nicht wie beabsichtigt. Dies liegt daran, dass Zenere wie jedes andere Halbleiterbauelement niemals genau identische Eigenschaften aufweisen. Daher kann einer der Zener vor dem anderen den gesamten Strom durch sich selbst leiten und schließlich zerstört werden.

Ein schneller Weg, um diesem Problem entgegenzuwirken, kann darin bestehen, Serienwiderstände mit niedrigen Werten zu jeder Zenerdiode hinzuzufügen, wie unten gezeigt, wodurch jede Zenerdiode den Strom gleichmäßig teilen kann, indem sie die von den Widerständen R1 und R2 erzeugten Spannungsabfälle kompensiert:

Obwohl die Belastbarkeit durch paralleles Anschließen von Zenerdioden erhöht werden kann, kann ein stark verbesserter Ansatz darin bestehen, einen Shunt-BJT in Verbindung mit einer als Referenzquelle konfigurierten Zenerdiode hinzuzufügen. Bitte beachten Sie das folgende Beispielschema für das gleiche.

Durch Hinzufügen eines Shunt-Transistors wird nicht nur die Zener-Belastbarkeit um den Faktor 10 erhöht, sondern auch der Spannungsregelungspegel des Ausgangs, der so hoch sein kann wie die angegebene Stromverstärkung des Transistors.

Diese Art von Shunt-Transistor-Zenerregler kann zu Versuchszwecken verwendet werden, da die Schaltung über eine 100% kurzschlussfeste Einrichtung verfügt. Das Design ist jedoch ziemlich ineffizient, da der Transistor ohne Last eine erhebliche Strommenge abführen kann.

Für noch bessere Ergebnisse a Serienpass-Transistor Der unten gezeigte Reglertyp ist eine bessere Option und vorzuziehen.

In dieser Schaltung erzeugt die Zenerdiode eine Referenzspannung für den Serienpass-Transistor, die im Wesentlichen wie eine arbeitet Emitterfolger . Infolgedessen wird die Emitterspannung zwischen einigen Zehntel Volt der Transistor-Basisspannung gehalten, wie sie von der Zenerdiode erzeugt wird. Folglich arbeitet der Transistor wie eine Reihenkomponente und ermöglicht eine effektive Steuerung der Schwankungen der Versorgungsspannung.

Der gesamte Laststrom fließt nun über diesen Serientransistor. Die Belastbarkeit dieser Art von Konfiguration wird vollständig durch den Wert und die Spezifikation der Transistoren bestimmt und hängt auch von der Effizienz und Qualität des verwendeten Kühlkörpers ab.

Mit dem obigen Design konnte unter Verwendung eines 1k-Vorwiderstands eine hervorragende Regelung erreicht werden. Die Regelung könnte um den Faktor 10 erhöht werden, indem der normale Zener durch eine spezielle niedrigdynamische Zenerdiode wie eine 1N1589 ersetzt wird.

Wenn Sie möchten, dass die obige Schaltung einen variabel spannungsgeregelten Ausgang liefert, kann dies leicht durch Verwendung eines 1K-Potentiometers über der Zenerdiode erreicht werden. Dadurch kann eine variable Referenzspannung an der Basis des Serientransistors eingestellt werden.

Diese Modifikation kann jedoch aufgrund eines vom Potentiometer erzeugten Nebenschlusseffekts zu einer geringeren Regulierungseffizienz führen.

Konstantstrom-Zenerdiodenschaltung

Eine einfache Zener-geregelte Konstantstromversorgung kann über einen einzelnen Transistor als variabler Vorwiderstand ausgelegt werden. Die folgende Abbildung zeigt den grundlegenden Schaltplan.

Sie können hier ein Paar von Schaltungspassagen sehen, eine über die Zenerdiode, die in Reihe mit dem Vorspannungswiderstand geschaltet ist, während der andere Weg durch die Widerstände R1, R2 und den Serientransistor verläuft.

Wenn der Strom von seinem ursprünglichen Bereich abweicht, erzeugt er eine proportionale Änderung des Vorspannungspegels von R3, was wiederum dazu führt, dass der Widerstand des Serientransistors proportional zunimmt oder abnimmt.

Diese Einstellung des Widerstands des Transistors führt zu einer automatischen Korrektur des Ausgangsstroms auf den gewünschten Pegel. Die Genauigkeit der Stromregelung in diesem Design liegt bei +/- 10% als Reaktion auf Ausgangsbedingungen, die zwischen einem Kurzschluss und einer Belastung von bis zu 400 Ohm liegen können.

Sequentielle Relaisschaltschaltung mit Zenerdiode

Wenn Sie eine Anwendung haben, bei der ein Satz von Relais nacheinander am Netzschalter nacheinander geschaltet werden muss, anstatt alle zusammen zu aktivieren, kann sich das folgende Design als sehr praktisch erweisen.

Hier werden sequentiell inkrementierende Zenerdioden in Reihe mit einer Gruppe von Relais zusammen mit einzelnen niederwertigen Serienwiderständen installiert. Beim Einschalten leiten die Zenerdioden nacheinander in aufsteigender Reihenfolge ihrer Zenerwerte. Dies führt dazu, dass das Relais wie von der Anwendung gewünscht nacheinander eingeschaltet wird. Die Werte der Widerstände können je nach Widerstandswert der Relaisspule 10 Ohm oder 20 Ohm betragen.

Zenerdiodenschaltung für Überspannungsschutz

Aufgrund ihrer spannungsempfindlichen Charakteristik ist es möglich, Zenerdioden mit der stromempfindlichen Charakteristik von Sicherungen zu kombinieren, um wichtige Schaltungskomponenten vor Hochspannungsstößen zu schützen und den Ärger durch häufiges Durchbrennen der Sicherung zu vermeiden, was insbesondere bei einer Sicherungsleistung auftreten kann liegt sehr nahe an der Betriebsstromspezifikation der Schaltung.

Durch Verbinden einer korrekt bewerteten Zenerdiode über die Last kann eine Sicherung verwendet werden, die geeignet ist, den beabsichtigten Laststrom über längere Zeiträume zu handhaben. Nehmen wir in dieser Situation an, dass die Eingangsspannung in einem Ausmaß ansteigt, das die Zener-Durchbruchspannung überschreitet - dies zwingt die Zener-Diode zum Leiten. Dies führt zu einem plötzlichen Anstieg des Stroms, der die Sicherung fast augenblicklich durchbrennt.

Der Vorteil dieser Schaltung besteht darin, dass sie verhindert, dass die Sicherung aufgrund ihres engen Sicherungswerts mit dem Laststrom häufig und unvorhersehbar durchbrennt. Stattdessen löst die Sicherung nur aus, wenn die Spannung und der Strom tatsächlich über einen bestimmten unsicheren Wert hinaus ansteigen.

Unterspannungsschutzschaltung mit Zenerdiode

Ein Relais und eine entsprechend ausgewählte Zenerdiode reichen aus, um für jede gewünschte Anwendung eine genaue Niederspannungs- oder Unterspannungsschutzschaltung zu erzeugen. Das Schaltbild ist unten dargestellt:

Die Bedienung ist eigentlich sehr einfach, die Versorgung Vin, die von einem Transformatorbrückennetzwerk bezogen wird, variiert proportional in Abhängigkeit von den Eingangswechselstromschwankungen. Das heißt, wenn angenommen wird, dass 220 V 12 V vom Transformator entsprechen, dann sollten 180 V 9,81 V entsprechen und so weiter. Wenn daher angenommen wird, dass 180 V die Niederspannungs-Abschaltschwelle ist, unterbricht die Auswahl der Zenerdiode als 10-V-Gerät den Relaisbetrieb, wenn der Eingangswechselstrom unter 180 V fällt.