Litar Diod Zener, Ciri, Pengiraan

Zener diod - dinamakan sempena penemu Dr. Carl Zener yang asasnya digunakan dalam litar elektronik untuk menghasilkan rujukan voltan yang tepat. Ini adalah peranti yang mampu membuat voltan malar yang praktikal melintasi mereka tanpa mengira perbezaan keadaan litar dan voltan.

Secara luaran, anda mungkin menemui diod zener yang serupa dengan diod standard seperti 1N4148. Diod Zener juga berfungsi dengan membetulkan AC menjadi DC berdenyut seperti alternatif tradisional mereka. Walau bagaimanapun, bertentangan dengan diod penyearah standard, diod zener dikonfigurasikan dengan katodnya yang dihubungkan secara langsung dengan positif bekalan, dan anod dengan bekalan negatif.

Ciri-ciri

Dalam konfigurasi standardnya, diod Zener menunjukkan rintangan tinggi di bawah voltan tertentu, kritikal (dikenali sebagai voltan Zerier). Apabila voltan kritikal khusus ini dilepasi, rintangan aktif diod Zener jatuh ke tahap yang sangat rendah.

Dan pada nilai rintangan yang rendah ini, voltan malar yang berkesan dipegang di seluruh Zeners, dan voltan malar ini dapat dijangkakan untuk mengekalkan apa jua perubahan arus sumber.

Dengan kata mudah, setiap kali bekalan merentasi diod zener melebihi nilai zener yang diberi nilai, diod zener melakukan dan mendasarkan voltan berlebihan. Oleh kerana itu voltan turun di bawah voltan zener yang mematikan zener, dan bekalan sekali lagi cuba melebihi voltan zener, menghidupkan zener sekali lagi. Kitaran ini berulang dengan cepat yang akhirnya menghasilkan penstabilan output tepat pada nilai voltan zener yang tetap.

Ciri ini diserlahkan secara grafik dalam gambar di bawah yang menunjukkan bahawa di atas 'voltan Zener' voltan terbalik terus hampir tetap walaupun dengan variasi arus terbalik. Akibatnya, diod Zener sering digunakan untuk mendapatkan penurunan voltan tetap, atau voltan rujukan, dengan rintangan dalamannya.

Diod Zener dirancang dalam banyak penilaian watt dan dengan penilaian voltan yang berkisar antara 2,7 Volt hingga 200 Volt. (Walau bagaimanapun, dioda Zener dengan nilai melebihi 30 Volt hampir tidak pernah digunakan.)

Litar Zener Diod Asas Berfungsi

Litar pengatur voltan standard, menggunakan perintang tunggal dan diod Zener, dapat dilihat pada gambar berikut. Di sini, mari kita anggap nilai diod Zener ialah 4.7 V dan voltan bekalan V masuk ialah 8.0 V.

Kerja asas diod zener dapat dijelaskan dengan perkara berikut:

Sekiranya tidak ada beban melintasi output dari diod zener, 4,7 Volt dapat dilihat turun di seberang diod Zener sementara pemotongan 2.4 Volt dikembangkan di seluruh perintang R.

Sekarang, sekiranya voltan masukan diubah, mari kita bayangkan, dari 8.0 hingga 9.0 V, akan menyebabkan penurunan voltan di Zener masih mengekalkan nilai 4.7 V.

Walau bagaimanapun, penurunan voltan di perintang R dapat dilihat meningkat, dari 2.4 V hingga 3.4 V.

Penurunan voltan di Zener yang ideal boleh dikatakan cukup berterusan. Secara praktikal, anda mungkin mendapati voltan merentasi zener meningkat sedikit kerana rintangan dinamik Zener.

Prosedur di mana perubahan voltan Zener dikira adalah dengan mengalikan rintangan dinamik zener dengan perubahan arus Zener.

Perintang R1, dalam reka bentuk pengatur asas di atas, melambangkan beban pilihan yang mungkin disambungkan dengan zener. R1 dalam hubungan ini akan menarik sejumlah arus yang bergerak melalui Zener.

Oleh kerana arus dalam Rs akan lebih tinggi daripada arus yang memasuki beban, sejumlah arus akan terus melalui Zener yang membolehkan voltan malar sempurna melintasi Zener dan beban.

Perintang siri yang ditunjukkan Rs harus ditentukan sedemikian rupa sehingga arus terendah yang memasuki Zener selalu lebih tinggi daripada tahap minimum yang ditentukan untuk peraturan stabil dari zener. Tahap ini bermula tepat di bawah 'lutut' keluk voltan terbalik / arus terbalik seperti yang dipelajari dari rajah grafik sebelumnya di atas.

Anda juga harus memastikan bahawa pemilihan Rs memastikan bahawa arus yang melalui dioda Zener tidak pernah melebihi peringkat kuasanya: yang mungkin setara dengan voltan Zener x arus Zener. Ini adalah jumlah arus tertinggi yang boleh melewati diod Zener sekiranya tiada beban R1.

Cara Mengira Zener Diod

Merancang litar zener asas sebenarnya mudah dan boleh dilaksanakan melalui arahan berikut:

1. Tentukan arus beban maksimum dan minimum (Li), misalnya 10 mA dan 0 mA.
2. Tentukan voltan bekalan maksimum yang mungkin berkembang, misalnya tahap 12 V, juga memastikan bahawa voltan bekalan minimum selalu = 1.5 V + Vz (peringkat voltan zener).
3. Seperti yang ditunjukkan dalam reka bentuk pengatur asas voltan keluaran yang diperlukan yang sama dengan voltan Zener Vz = 4.7 Volt, dan yang dipilih arus Zener terendah ialah 100 microamps . Ini menunjukkan bahawa arus Zener maksimum yang dimaksudkan di sini adalah 100 microamps ditambah 10 milliamps, iaitu 10.1 milliamps.
4. Perintang siri Rs mesti membenarkan jumlah minimum arus 10.1 mA walaupun bekalan input adalah tahap yang ditentukan paling rendah, iaitu 1.5 V lebih tinggi daripada nilai zener yang dipilih Vz, dan boleh dikira menggunakan hukum Ohms sebagai: Rs = 1.5 / 10.1 x 10^-3= 148.5 Ohm. Nilai standard terdekat ialah 150 Ohm, jadi Rs mungkin 150 ohm.
5. Sekiranya voltan bekalan meningkat kepada 12 V, penurunan voltan di Rs akan menjadi Iz x Rs, di mana Iz = arus melalui zener. Oleh itu, dengan menerapkan undang-undang Ohm kita mendapat Iz = 12 - 4,7 / 150 = 48,66 mA
6. Di atas adalah arus maksimum yang akan dibenarkan melewati diod zener. Dengan kata lain, arus maksimum yang mungkin mengalir semasa beban output maksimum atau input voltan bekalan maksimum yang ditentukan. Di bawah syarat-syarat ini, diod zener akan menghilangkan kuasa Iz x Vz = 48.66 x 4.7 = 228 mW. Nilai penarafan kuasa standard terdekat untuk memenuhi ini ialah 400 mW.

Kesan Suhu pada Zener Diod

Seiring dengan parameter voltan dan beban, diod Zener juga cukup tahan terhadap perubahan suhu di sekitarnya. Namun, melebihi suhu mungkin mempengaruhi peranti seperti yang ditunjukkan dalam grafik di bawah:

Ia menunjukkan keluk pekali suhu diod zener. Walaupun pada voltan yang lebih tinggi lengkung pekali bertindak balas pada sekitar 0.1% setiap darjah Celsius, ia bergerak melalui sifar pada 5 V dan kemudian berubah negatif untuk tahap voltan yang lebih rendah. Akhirnya mencapai -0.04% setiap darjah Celsius pada sekitar 3.5 V.

Menggunakan Zener Diode sebagai Sensor Suhu

Salah satu penggunaan kepekaan diod Zener terhadap perubahan suhu adalah dengan menerapkan peranti sebagai alat sensor suhu seperti yang ditunjukkan dalam rajah berikut

Rajah menunjukkan rangkaian jambatan yang dibina menggunakan sepasang perintang dan sepasang diod Zener yang mempunyai ciri yang sama. Salah satu diod zener berfungsi seperti penjana voltan rujukan, sementara diod zener yang lain digunakan untuk merasakan perubahan tahap suhu.

Zener 10 V standard mungkin mempunyai pekali suhu + 0,07% / ° C yang mungkin sesuai dengan variasi suhu 7 mV / ° C. Ini akan mewujudkan ketidakseimbangan sekitar 7 mV antara kedua lengan jambatan untuk setiap variasi darjah Celsius dalam suhu. Meter FSD penuh 50 mV dapat digunakan pada posisi yang ditunjukkan untuk menunjukkan bacaan suhu yang sesuai.

Menyesuaikan Nilai Diod Zener

Untuk beberapa aplikasi litar, mungkin perlu mempunyai nilai zener yang tepat yang mungkin bukan nilai standard, atau nilai yang tidak tersedia.

Untuk kes seperti itu, susunan diod zener dapat dibuat yang kemudian dapat digunakan untuk mendapatkan nilai diod zener disesuaikan yang diinginkan, seperti yang ditunjukkan di bawah:

Dalam contoh ini, banyak nilai zener yang disesuaikan dan tidak standard dapat diperoleh di pelbagai terminal, seperti yang dijelaskan dalam senarai berikut:

Anda dapat menggunakan nilai lain pada posisi yang ditunjukkan untuk mendapatkan banyak set output zener diod lain yang disesuaikan

Zener Diod dengan Bekalan AC

Dioda Zeners biasanya digunakan dengan bekalan DC, namun peranti ini juga dapat dirancang untuk berfungsi dengan bekalan AC. Beberapa aplikasi AC diod zener termasuk audio, litar RF, dan bentuk sistem kawalan AC yang lain.

Seperti yang ditunjukkan dalam contoh di bawah ini apabila bekalan AC digunakan dengan diod zener, zener akan langsung bergerak sebaik sahaja isyarat AC melepasi dari sifar ke separuh negatif kitarannya. Kerana, sinyalnya negatif maka AC akan dipendekkan melalui anoda ke katod zener, menyebabkan 0 V muncul outputnya.

Apabila bekalan AC bergerak melintasi separuh positif kitaran, zener tidak bergerak sehingga AC naik ke tahap voltan zener. Apabila isyarat AC melintasi voltan zener, zener melakukan dan menstabilkan output ke tahap 4.7 V, sehingga kitaran AC turun kembali ke sifar.

Ingat, semasa menggunakan zener dengan input AC, pastikan Rs dikira mengikut voltan puncak AC.

Dalam contoh di atas, outputnya tidak simetris, sebaliknya berdenyut 4,7 V DC. Untuk mendapatkan AC 4,7 V simetris pada output, dua zener belakang ke belakang dapat dihubungkan seperti yang digambarkan dalam rajah di bawah

Menindas Kebisingan Diod Zener

Walaupun diod zener menyediakan cara yang cepat dan mudah untuk menghasilkan output voltan tetap yang stabil, ia mempunyai satu kelemahan yang boleh mempengaruhi litar audio sensitif seperti penguat kuasa.

Diod Zener menghasilkan bunyi semasa beroperasi kerana kesan longsoran persimpangan mereka semasa beralih, antara 10 uV hingga 1 mV. Ini dapat ditekan dengan menambahkan kapasitor selari dengan diod zener, seperti yang ditunjukkan di bawah:

Nilai kapasitor boleh antara 0.01uF dan 0.1uF, yang akan memungkinkan penekanan bunyi dengan faktor 10, dan akan mengekalkan penstabilan voltan sebaik mungkin.

Grafik berikut menunjukkan kesan kapasitor untuk mengurangkan kebisingan diod zener.

Menggunakan Zener untuk Penapisan Voltan Ripple

Diod Zener juga dapat digunakan sebagai penapis voltan riak yang berkesan, sama seperti yang digunakan untuk penstabilan voltan AC.

Oleh kerana impedans dinamik yang sangat rendah, diod zener dapat berfungsi seperti penapis riak dengan cara yang sama seperti kapasitor penapis.

Penapisan riak yang sangat mengagumkan dapat diperoleh dengan menyambungkan diod Zener merentasi beban, dengan sumber DC apa pun. Di sini, voltan mesti sama dengan tahap palung riak.

Dalam kebanyakan aplikasi litar, ini berfungsi dengan berkesan sebagai kapasitor pelicin khas yang mempunyai kapasiti beberapa ribu mikrofarad, yang mengakibatkan penurunan yang signifikan pada tahap voltan riak yang ditumpangkan pada output DC.

Cara Meningkatkan Kapasiti Pengendalian Daya Zener Diod

Kaedah mudah untuk meningkatkan kapasiti pengendalian kuasa diod zener adalah dengan hanya menghubungkannya secara selari seperti yang ditunjukkan di bawah:

Namun, secara praktiknya hal ini tidak semudah yang dilihat dan mungkin tidak berfungsi sebagaimana mestinya. Ini kerana seperti peranti semikonduktor lain, zener juga tidak pernah mempunyai ciri yang sama persis, oleh itu salah satu zener boleh melakukan sebelum yang lain menarik seluruh arus melalui dirinya sendiri, akhirnya musnah.

Cara cepat untuk mengatasi masalah ini adalah dengan menambahkan perintang siri nilai rendah dengan setiap diod zener seperti yang ditunjukkan di bawah, yang akan membolehkan setiap diod zener berkongsi arus secara seragam melalui penurunan voltan pampasan yang dihasilkan oleh perintang R1 dan R2:

Walaupun, kapasiti pengendalian daya dapat ditingkatkan dengan menghubungkan dioda Zener secara selari, pendekatan yang jauh lebih baik adalah dengan menambahkan BJT shunt bersama dengan diod zener yang dikonfigurasi sebagai sumber rujukan. Sila lihat contoh skema berikut untuk perkara yang sama.

Menambah transistor shunt tidak hanya meningkatkan kapasiti pengendalian daya zener dengan faktor 10, ia juga meningkatkan tahap regulasi voltan output, yang mungkin setinggi keuntungan arus transistor yang ditentukan.

Pengatur zener transistor jenis shunt ini boleh digunakan untuk tujuan eksperimen kerana litar ini mempunyai kemudahan kalis pintas 100%. Yang mengatakan, reka bentuknya agak tidak cekap kerana transistor dapat menghilangkan sejumlah besar arus jika tidak ada beban.

Untuk hasil yang lebih baik, a transistor pas siri jenis pengatur seperti yang ditunjukkan di bawah kelihatan pilihan yang lebih baik dan lebih disukai.

Dalam litar ini diod Zener membuat voltan rujukan untuk transistor lulus siri, yang, pada dasarnya, berfungsi seperti pengikut pemancar . Akibatnya voltan pemancar dikekalkan antara beberapa sepersepuluh volt voltan asas transistor seperti yang dibuat oleh dioda Zener. Oleh itu, transistor berfungsi seperti komponen siri dan membolehkan kawalan efektif terhadap variasi voltan bekalan.

Seluruh arus beban kini berjalan melalui transistor siri ini. Kapasiti pengendalian kuasa konfigurasi jenis ini ditentukan sepenuhnya oleh nilai dan spesifikasi transistor, dan juga bergantung pada kecekapan dan kualiti heatsink yang digunakan.

Peraturan yang sangat baik dapat dicapai dari reka bentuk di atas menggunakan perintang siri 1k. Peraturan itu dapat ditingkatkan dengan faktor 10 dengan mengganti zener normal dengan diod zener dinamik rendah khusus seperti 1N1589).

Sekiranya anda mahukan litar di atas memberikan output voltan yang diatur, ia dapat dicapai dengan mudah dengan menggunakan potensiometer 1K merentasi diod Zener. Ini membolehkan voltan rujukan berubah-ubah diselaraskan di dasar transistor siri.

Walau bagaimanapun, pengubahsuaian ini dapat menghasilkan kecekapan regulasi yang lebih rendah disebabkan oleh beberapa kesan shunting yang dihasilkan oleh potensiometer.

Litar Diod Zener Arus Tetap

Bekalan arus tetap Zener-regulated yang sederhana dapat dirancang melalui satu transistor sebagai perintang siri yang berubah-ubah. Rajah di bawah menunjukkan gambarajah litar asas.

Anda dapat melihat pasangan litar litar di sini, satu melalui diod zener yang dihubungkan secara bersiri dengan perintang bias, sementara jalan yang lain adalah melalui perintang R1, R2, dan transistor siri.

Sekiranya arus menyimpang dari julat asalnya, ia akan menghasilkan perubahan berkadar pada tahap bias R3, yang seterusnya menyebabkan rintangan transistor siri meningkat atau menurun secara berkadar.

Penyesuaian dalam rintangan transistor menghasilkan pembetulan automatik arus keluaran ke tahap yang diinginkan. Ketepatan kawalan semasa dalam reka bentuk ini adalah sekitar +/- 10% sebagai tindak balas kepada keadaan output yang mungkin berkisar antara litar pintas dan pemuatan hingga 400 Ohm.

Litar Beralih Berurutan Berurutan menggunakan Zener Diode

Sekiranya anda mempunyai aplikasi di mana satu set relai diperlukan untuk dihidupkan secara berurutan satu demi satu pada suis kuasa dan bukan semua aktif bersama, maka reka bentuk berikut dapat terbukti sangat berguna.

Di sini, diod zener berturutan dipasang secara bersiri dengan sekumpulan geganti bersama dengan perintang siri nilai rendah individu. Apabila kuasa dihidupkan, diod zener melakukan satu demi satu secara berurutan dalam urutan peningkatan nilai zener mereka. Ini mengakibatkan relay dihidupkan secara berurutan seperti yang dikehendaki oleh aplikasi. Nilai perintang boleh menjadi 10 ohm atau 20 ohm bergantung pada nilai rintangan gegelung geganti.

Litar Diod Zener untuk Perlindungan Voltan Lebih

Oleh kerana ciri sensitif voltan mereka, adalah mungkin untuk menggabungkan diod Zener dengan ciri fius sensitif semasa untuk melindungi komponen litar penting dari lonjakan voltan tinggi, dan juga menghilangkan kerumitan fius daripada sering bertiup, yang mungkin berlaku terutamanya apabila peringkat fius sangat dekat dengan spesifikasi arus operasi litar.

Dengan menggabungkan dioda Zener yang dinilai dengan betul di seberang beban, sekering yang dinilai dengan tepat untuk menangani arus beban yang dimaksudkan untuk jangka masa yang panjang dapat digunakan. Dalam keadaan ini, anggap voltan masukan meningkat sehingga melebihi voltan kerosakan Zener - akan memaksa diod Zener untuk melakukan. Ini akan menyebabkan kenaikan arus yang tiba-tiba meletupkan fius hampir seketika.

Kelebihan litar ini adalah bahawa ia menghalang sekering daripada bertiup dengan kerap dan tidak dapat diramalkan kerana nilai sekeringnya yang hampir dengan arus beban. Sebaliknya, fius hanya akan bertenaga apabila voltan dan arus benar-benar meningkat melebihi tahap tidak selamat yang ditentukan.

Litar Perlindungan Undervoltage menggunakan Zener Diode

Relay dan diod zener yang dipilih dengan tepat cukup untuk membuat litar perlindungan terputus voltan rendah atau voltan yang tepat untuk sebarang aplikasi yang diinginkan. Gambarajah litar ditunjukkan di bawah:

Operasinya sebenarnya sangat mudah, bekalan Vin yang diperoleh dari rangkaian jambatan transformer berbeza-beza bergantung pada variasi input AC. Itu menunjukkan, jika andaikan 220 V sepadan dengan 12 V dari pengubah, maka 180 V harus sesuai dengan 9,81 V dan seterusnya. Oleh itu, jika 180 V dianggap sebagai ambang pemotongan voltan rendah, maka memilih diod zener sebagai peranti 10 V akan memotong operasi geganti setiap kali AC input turun di bawah 180 V.