Zenerdioden

Einführung

Dioden sind allgemein als eine Vorrichtung bekannt, die den Stromfluss in eine Richtung ermöglicht (in Vorwärtsrichtung vorgespannt) und Widerstand gegen den Stromfluss bietet, wenn sie in Rückwärtsrichtung verwendet wird. Die Zenerdiode (benannt nach dem amerikanischen Wissenschaftler C. Zener, der zuerst seine Funktionsprinzipien erläuterte) erlaubt andererseits nicht nur den Stromfluss bei Vorwärtsvorspannung, sondern auch den Stromfluss bei Verwendung bei umgekehrter Vorspannung Bisher liegt die angelegte Spannung über der als Zener- Durchbruchspannung bekannten Durchbruchspannung. Oder in anderen Worten: Durchbruchspannung ist die Spannung, auf die Zener - Diode beginnt in umgekehrter Richtung durchgeführt wird.

Funktionsprinzip der Zenerdiode:

Bei normalen Dioden ist die Durchbruchspannung sehr hoch und die Diode wird vollständig beschädigt, wenn eine Spannung über der Durchbruchdiode angelegt wird. Bei Zenerdioden ist die Durchbruchspannung jedoch nicht so hoch und führt nicht zu einer dauerhaften Beschädigung der Zenerdiode, wenn Die Spannung wird angelegt.

Wenn die an die Zenerdiode angelegte Sperrspannung in Richtung der angegebenen Durchbruchspannung (Vz) ansteigt, fließt ein Strom durch die Diode, und dieser Strom wird als Zenerstrom bezeichnet, und dieser Vorgang wird als Lawinendurchbruch bezeichnet . Der Strom steigt maximal an und stabilisiert sich. Dieser Strom bleibt über den größeren Bereich der angelegten Spannung konstant und ermöglicht es der Zenerdiode, einer höheren Spannung standzuhalten, ohne beschädigt zu werden. Dieser Strom wird durch den Vorwiderstand bestimmt.

Betrachten Sie die folgenden Bilder einer normalen Diode in Aktion.

Betrachten Sie die beiden folgenden Experimente (A und B), um die Funktionsweise der Zenerdiode zu zeigen.

In Experiment A wird eine 12-V-Zenerdiode in umgekehrter Vorspannung angeschlossen, wie in der Abbildung gezeigt, und es ist ersichtlich, dass die Zenerdiode die Spannung effektiv blockierte, weil sie kleiner / gleich der Durchbruchspannung der jeweiligen Zenerdiode und der Lampe war blieb weg.

In Experiment B leitet eine verwendete 6-V-Zenerdiode (die Glühbirne geht an) in Sperrrichtung vorgespannt, da die angelegte Spannung größer als ihre Durchbruchspannung ist und somit zeigt, dass der Durchbruchbereich der Betriebsbereich der Zenerdiode ist.

Die Strom-Spannungs-Kennlinie der Zenerdiode ist unten dargestellt.

Aus dem Diagramm kann abgeleitet werden, dass die im Sperrvorspannungsmodus betriebene Zenerdiode unabhängig von der zugeführten Strommenge eine ziemlich konstante Spannung aufweist.

Anwendungen der Zenerdiode:

Zenerdioden werden in drei Hauptanwendungen in elektronischen Schaltungen verwendet;

1. Spannungsregelung

2. Wellenform-Clipper

3. Spannungsschieber

1. Zenerdiode als Spannungsregler

Dies ist wohl die häufigste Anwendung von Zenerdioden.

Diese Anwendung der Zenerdioden beruht stark auf der Fähigkeit der Zenerdioden, eine konstante Spannung unabhängig von Schwankungen des Versorgungs- oder Laststroms aufrechtzuerhalten. Die allgemeine Funktion einer Spannungsregelungsvorrichtung besteht darin , einer parallel dazu geschalteten Last eine konstante Ausgangsspannung bereitzustellen, unabhängig von Schwankungen der von der Last aufgenommenen Energie (Laststrom) oder Schwankungen und Instabilitäten der Versorgungsspannung.

Die Zenerdiode liefert eine konstante Spannung, sofern der Strom im Bereich des maximalen und minimalen Rückstroms bleibt.

Das Schaltbild der Zenerdiode, die als Spannungsregler verwendet wird, ist unten dargestellt.

Ein Widerstand R1 ist in Reihe mit der Zenerdiode geschaltet, um die durch die Diode fließende Strommenge zu begrenzen, und die Eingangsspannung Vin (die größer als die Zenerspannung sein muss) wird wie in der Abbildung gezeigt und die Ausgangsspannung Vout angeschlossen wird mit Vout = Vz (Zener Voltage) über die Zenerdiode geführt . Da die Sperrspannungseigenschaften der Zenerdiode zur Regelung der Spannung erforderlich sind, wird sie im Sperrvorspannungsmodus angeschlossen, wobei die Kathode mit der positiven Schiene der Schaltung verbunden ist.

Bei der Auswahl des Widerstandswerts R1 ist Vorsicht geboten, da ein Widerstand mit kleinem Wert beim Anschließen der Last zu einem großen Diodenstrom führt und dadurch die Verlustleistung der Diode erhöht, die über der maximalen Nennleistung von liegen kann der Zener und könnte es beschädigen.

Der Wert des zu verwendenden Widerstands kann unter Verwendung der folgenden Formel bestimmt werden.

R ₁ = (V _in - V _Z) / I _Z Wobei; R1 ist der Wert des Serienwiderstands. Vin ist die Eingangsspannung. Vz, das mit Vout identisch ist, ist die Zenerspannung und Iz ist der Zenerstrom.

Mit dieser Formel kann leicht sichergestellt werden, dass der Wert des ausgewählten Widerstands nicht zu einem höheren Stromfluss führt, als der Zener verarbeiten kann.

Ein kleines Problem bei Reglerschaltungen auf Basis von Zenerdioden besteht darin, dass der Zener manchmal elektrisches Rauschen auf der Versorgungsschiene erzeugt, während er versucht, die Eingangsspannung zu regeln. Während dies für die meisten Anwendungen möglicherweise kein Problem darstellt, kann dieses Problem durch Hinzufügen eines Entkopplungskondensators mit großem Wert über der Diode gelöst werden. Dies hilft, die Leistung des Zeners zu stabilisieren.

2. Zenerdiode als Wellenform-Clipper

Eine der Anwendungen von normalen Dioden besteht in der Anwendung von Clipping- und Clamping-Schaltungen, bei denen es sich um Schaltungen handelt, die zum Formen oder Modifizieren einer Eingangswechselstromwellenform oder eines Wechselstromsignals verwendet werden, wobei abhängig von den Spezifikationen des Clippers oder Clamper ein unterschiedlich geformtes Ausgangssignal erzeugt wird.

Clippers-Schaltungen sind im Allgemeinen Schaltungen, die verwendet werden, um zu verhindern, dass das Ausgangssignal einer Schaltung einen vorbestimmten Spannungswert überschreitet, ohne einen anderen Teil des Eingangssignals oder der Wellenform zu ändern.

Diese Schaltungen werden zusammen mit Klemmgeräten in analogen Fernseh- und FM-Radiosendern häufig zur Beseitigung von Störungen (Klemmschaltungen) und zur Begrenzung von Rauschspitzen durch Abschneiden hoher Spitzen verwendet.

Da sich Zenerdioden generisch wie normale Dioden verhalten, wenn die angelegte Spannung nicht gleich der Durchbruchspannung ist, werden sie daher auch in Begrenzungsschaltungen verwendet.

Clipping-Schaltungen könnten so ausgelegt sein, dass sie das Signal entweder im positiven, negativen oder in beiden Bereichen abschneiden. Obwohl die Diode natürlich den anderen Bereich bei 0,7 V abschneidet, unabhängig davon, ob sie als positiver oder negativer Clipper ausgelegt ist.

Betrachten Sie zum Beispiel die folgende Schaltung.

Die Clipper-Schaltung ist so ausgelegt, dass das Ausgangssignal bei 6,2 V abgeschnitten wird. Daher wurde eine 6,2-V-Zenerdiode verwendet. Die Zenerdiode verhindert, dass das Ausgangssignal unabhängig von der Eingangswellenform die Zenerspannung überschreitet. Für dieses spezielle Beispiel wurde eine Eingangsspannung von 20 V verwendet, und die Ausgangsspannung beim positiven Schwung betrug 6,2 V, was mit der Spannung der Zenerdiode übereinstimmt. Während des negativen Wechsels der Wechselspannung verhält sich die Zenerdiode jedoch genau wie die normale Diode und begrenzt die Ausgangsspannung auf 0,7 V, was mit normalen Silikondioden übereinstimmt.

Um die Begrenzungsschaltung für den negativen Schwung des Wechselstromkreises sowie den positiven Schwing so zu implementieren, dass die Spannung beim positiven und negativen Schwingen auf verschiedenen Pegeln begrenzt wird, wird eine Doppelzener-Begrenzungsschaltung verwendet. Das Schaltbild für die Doppel-Zener-Clipping-Schaltung ist unten dargestellt.

In der obigen Übersteuerungsschaltung repräsentiert die Spannung Vz2 die Spannung beim negativen Schwingen der Wechselstromquelle, bei der das Ausgangssignal abgeschnitten werden soll, während die Spannung Vz1 die Spannung beim positiven Schwingen der Wechselstromquelle darstellt, bei der die Ausgangsspannung liegt soll abgeschnitten werden.

3. Zenerdiode als Spannungsschieber

Der Spannungsschieber ist eine der einfachsten, aber interessantesten Anwendungen der Zenerdiode. Wenn Sie insbesondere Erfahrung mit dem Anschluss eines 3,3-V-Sensors an eine 5-V-MCU haben und die Fehler bei Messwerten usw. aus erster Hand gesehen haben, die dazu führen können, werden Sie die Bedeutung von Spannungsschiebern zu schätzen wissen. Spannungsschieber helfen bei der Umwandlung von Signalen von einer Spannung in eine andere. Dank der Fähigkeit der Zenerdiode, eine konstante Ausgangsspannung im Durchbruchbereich aufrechtzuerhalten, sind sie ideale Komponenten für den Betrieb.

In einem Spannungsschieber auf Zenerdiodenbasis senkt die Schaltung die Ausgangsspannung um einen Wert, der der Durchbruchspannung der jeweiligen verwendeten Zenerdiode entspricht. Das Schaltbild für den Spannungsschieber ist unten dargestellt.

Betrachten Sie das folgende Experiment,

Die Schaltung beschreibt einen Spannungsschieber auf Basis einer 3,3-V-Zenerdiode. Die Ausgangsspannung (3,72 V) der Schaltung wird durch Subtrahieren der Durchbruchspannung (3,3 V) der Zenerdiode von der Eingangsspannung (7 V) angegeben.

Vout = Vin –Vz

Vout = 7 - 3,3 = 3,7 V.

Der zuvor beschriebene Spannungsschieber hat mehrere Anwendungen in der modernen Konstruktion elektronischer Schaltungen, da der Konstrukteur während des Konstruktionsprozesses möglicherweise zeitweise mit bis zu drei verschiedenen Spannungspegeln arbeiten muss.

Arten von Zenerdioden:

Zenerdioden werden anhand verschiedener Parameter in Typen eingeteilt, darunter:

1. Nennspannung
2. Energieverschwendung
3. Antriebsstrom vorwärts
4. Durchlassspannung
5. Verpackungsart
6. Maximaler Rückstrom

Nennspannung

Die Nennbetriebsspannung einer Zenerdiode wird auch als Durchbruchspannung der Zenerdiode bezeichnet. Abhängig von der Anwendung, für die die Diode verwendet werden soll, ist dies häufig das wichtigste Kriterium für die Auswahl der Zenerdiode.

Energieverschwendung

Dies stellt die maximale Leistung dar, die der Zenerstrom verbrauchen kann. Das Überschreiten dieser Nennleistung führt zu einem übermäßigen Temperaturanstieg der Zenerdiode, der sie beschädigen und zum Ausfall der daran angeschlossenen Teile in einem Stromkreis führen kann. Daher sollte dieser Faktor bei der Auswahl der Diode unter Berücksichtigung der Verwendung berücksichtigt werden.

Maximaler Zenerstrom

Dies ist der maximale Strom, der mit der Zenerspannung durch die Zenerdiode geleitet werden kann, ohne das Gerät zu beschädigen.

Minimaler Zenerstrom

Dies bezieht sich auf den Mindeststrom, der erforderlich ist, damit die Zenerdiode im Durchbruchbereich ihren Betrieb aufnimmt.

Andere Parameter, die als Spezifikation für die Diode dienen, müssen alle vollständig berücksichtigt werden, bevor eine Entscheidung über den Typ der Art der Zenerdiode getroffen wird, die für dieses spezielle Design benötigt wird.

Fazit:

Hier sind 5 Punkte, die Sie niemals über die Zenerdiode vergessen sollten.

1. Eine Zenerdiode ist wie eine gewöhnliche Diode nur, dass sie dotiert wurde, um eine scharfe Durchbruchspannung zu haben.
2. Die Zenerdiode hält unabhängig von der Eingangsspannung eine stabile Ausgangsspannung aufrecht, sofern der maximale Zenerstrom nicht überschritten wird.
3. Bei Vorwärtsvorspannung verhält sich die Zenerdiode genau wie die normale Silikondiode. Es leitet mit dem gleichen Spannungsabfall von 0,7 V, der mit der Verwendung der normalen Diode einhergeht.
4. Der Standardbetriebszustand der Zenerdiode liegt im Durchbruchbereich (in Sperrrichtung vorgespannt). Dies bedeutet, dass es tatsächlich zu arbeiten beginnt, wenn die angelegte Spannung in Sperrrichtung höher als die Zenerspannung ist.
5. Die Zenerdiode wird hauptsächlich in Anwendungen verwendet, die Spannungsregelung, Begrenzungsschaltungen und Spannungsschieber umfassen.