- Introducció
- Principi operatiu del díode Zener:
- Aplicacions del díode Zener:
- 1. Zener Diode com a regulador de voltatge
- 2. Zener Diode com a forma d’ona Clipper
- 3. El díode de Zener com a variador de tensió
- Tipus de díodes Zener:
- Conclusió:
Introducció
Els díodes generalment es coneixen com un dispositiu que permet el flux de corrent en una direcció (polaritzat cap endavant) i ofereix resistència al flux de corrent quan s’utilitza en polarització inversa. El díode Zener (anomenat així pel científic nord-americà C. Zener que va explicar per primera vegada els seus principis operatius), d'altra banda, no només permet el flux de corrent quan s'utilitza en biaix cap endavant, sinó que també permet el flux de corrent quan s'utilitza en biaix invertit. fins ara la tensió aplicada està per sobre de la tensió de ruptura coneguda com a tensió de ruptura de Zener. O en altres paraules, la tensió de ruptura és la tensió sobre la qual el díode Zener comença a conduir en sentit invers.
Principi operatiu del díode Zener:
En els díodes normals, el voltatge de ruptura és molt alt i el díode es fa malbé totalment si s’aplica una tensió per sobre del díode de ruptura, però en els díodes Zener, el voltatge de ruptura no és tan alt i no comporta danys permanents del díode zener si s'aplica la tensió.
A mesura que la tensió inversa aplicada al díode Zener augmenta cap a la tensió de ruptura especificada (Vz), comença a fluir un corrent a través del díode i aquest corrent es coneix com a corrent de Zener i aquest procés es coneix com a Avalanche Breakdown . El corrent augmenta al màxim i s’estabilitza. Aquest corrent es manté constant en el rang més ampli de tensió aplicada i permet que el díode Zener aguanti una tensió més alta sense que es faci malbé. Aquest corrent està determinat per la resistència de la sèrie.
Penseu en les imatges següents d’un díode normal en acció.
Per mostrar les operacions del díode zener, tingueu en compte els dos experiments (A i B) següents.
A l’ experiment A, un díode zener de 12V està connectat en polsament invers com es mostra a la imatge i es pot veure que el díode zener bloqueja la tensió eficaçment perquè era menor / igual a la tensió de ruptura del díode zener concret i la làmpada. es va quedar fora.
A l' Experiment B, un díode Zener de 6v utilitzat està conduint (la bombeta s'encén) en polarització inversa perquè la tensió aplicada és superior a la seva tensió de ruptura i, per tant, mostra que la regió de ruptura és la regió d'operació del díode zener.
A continuació es mostra la corba característica corrent-tensió del díode Zener.
A partir del gràfic, es pot deduir que el díode zener operat en el mode de polarització inversa tindrà una tensió bastant constant, independentment de la quantitat de corrent subministrat.
Aplicacions del díode Zener:
Els díodes Zener s’utilitzen en tres aplicacions principals en circuits electrònics;
1. Regulació de la tensió
2. Clipper de forma d'ona
3. Canviador de tensió
1. Zener Diode com a regulador de voltatge
Aquesta és sens dubte l’aplicació més comuna dels díodes zener.
Aquesta aplicació dels díodes zener depèn en gran mesura de la capacitat dels díodes zener de mantenir una tensió constant independentment de les variacions de corrent de subministrament o de càrrega. La funció general d’un dispositiu de regulació de tensió és proporcionar una tensió de sortida constant a una càrrega connectada en paral·lel a la mateixa, independentment de les variacions de l’energia extreta per la càrrega (corrent de càrrega) o les variacions i la inestabilitat de la tensió d’alimentació.
El díode Zener proporcionarà una tensió constant sempre que el corrent es mantingui dins del rang del corrent invers màxim i mínim.
A continuació es mostra el diagrama de circuits que mostra el díode Zener que s’utilitza com a regulador de voltatge.
Una resistència, R1 es connecta en sèrie amb el díode zener per limitar la quantitat de corrent que circula pel díode i la tensió d'entrada Vin (que ha de ser superior a la tensió zener) es connecta a través de com es mostra a la imatge i el voltatge de sortida Vout, es fa a través del díode zener amb Vout = Vz (Voltatge Zener). Atès que les característiques de polarització inversa del díode zener són les que es necessiten per regular la tensió, es connecta en mode de polarització inversa, amb el càtode connectat al carril positiu del circuit.
S’ha de tenir precaució a l’hora de seleccionar el valor de la resistència R1, ja que una resistència de valor petit donarà lloc a un corrent de díode gran quan es connecti la càrrega i això augmentarà el requisit de dissipació de potència del díode que podria ser superior a la potència màxima de el zener i podria danyar-lo.
El valor de la resistència a utilitzar es pot determinar mitjançant la fórmula següent.
R 1 = (V en - V Z) / I Z On; R1 és el valor de la resistència de la sèrie. Vin és el voltatge d'entrada. Vz que és el mateix que Vout és la tensió de Zener i Iz és el corrent zener.
Utilitzant aquesta fórmula es fa fàcil assegurar-se que el valor de la resistència seleccionada no condueixi a un flux de corrent superior al que pot fer servir el zener.
Un petit problema experimentat amb els circuits reguladors basats en díodes zener és que el Zener de vegades genera soroll elèctric al carril d’alimentació mentre intenta regular la tensió d’entrada. Tot i que això pot no ser un problema per a la majoria d’aplicacions, aquest problema es pot resoldre afegint un condensador de desacoblament de gran valor al diode. Això ajuda a estabilitzar la sortida del zener.
2. Zener Diode com a forma d’ona Clipper
Un dels usos dels díodes normals és l’aplicació de circuits de retallada i subjecció que són circuits que s’utilitzen per modelar o modificar una forma d’ona o un senyal d’entrada de CA, produint un senyal de sortida de forma diferent en funció de les especificacions del clipper o del clamper.
Els circuits Clippers de manera genèrica són circuits que s’utilitzen per evitar que el senyal de sortida d’un circuit vagi més enllà d’un valor de tensió predeterminat sense canviar cap altra part del senyal d’entrada o de la forma d’ona.
Aquests circuits juntament amb els clampers s’utilitzen àmpliament en els transmissors de televisió analògica i de ràdio FM per a l’ eliminació d’interferències (circuits de subjecció) i la limitació dels pics de soroll retallant pics alts.
Com que els díodes Zener es comporten genèricament com els díodes normals quan la tensió aplicada no és igual a la tensió de ruptura, també s’utilitzen en circuits de retallada.
Els circuits de retall es podrien dissenyar per retallar el senyal a les regions positives, negatives o ambdues. Tot i que el díode es retallarà naturalment de l'altra regió a 0,7 V, independentment de si va ser dissenyat com a tallador positiu o negatiu.
Per exemple, considerem el circuit següent.
El circuit clipper està dissenyat per retallar el senyal de sortida a 6,2v, de manera que es va utilitzar un díode zener de 6,2v. El díode zener impedeix que el senyal de sortida superi la tensió zener, independentment de la forma d'ona d'entrada. Per a aquest exemple en particular, es va utilitzar un voltatge d'entrada de 20 V i el voltatge de sortida en l'oscil·lació positiva era de 6,2 V consistent amb la tensió del díode zener. Tanmateix, durant la oscil·lació negativa de la tensió de corrent altern, el díode zener es comporta igual que el díode normal i retalla la tensió de sortida a 0,7 V, compatible amb els díodes de silicona normals.
Per implementar el circuit de retallada per al swing negatiu del circuit de corrent altern i el swing positiu de manera que el voltatge es retalli a diferents nivells del swing positiu i negatiu, s’utilitza un circuit de retall de zener doble. A continuació es mostra el diagrama del circuit de tall de doble zener.
En el circuit de retallada anterior, la tensió Vz2 representa la tensió de l’oscil·lació negativa de la font de CA a la qual es vol retallar el senyal de sortida, mentre que la tensió Vz1 representa la tensió de l’oscil·lació positiva de la font de CA a la qual es troba la tensió de sortida. es vol retallar.
3. El díode de Zener com a variador de tensió
El canvi de tensió és una de les aplicacions més senzilles però interessants del díode zener. Si heu tingut experiència sobretot en connectar un sensor de 3,3 V a una MCU de 5 V i heu vist de primera mà els errors en lectures, etc., que això els pot conduir, apreciarà la importància dels commutadors de tensió. Els variadors de tensió ajuden a convertir el senyal d’un voltatge a un altre i, amb la capacitat del díode zener de mantenir un voltatge de sortida constant a la regió de ruptura, els converteix en un component ideal per a l’operació.
En un canvi de tensió basat en un díode zener, el circuit redueix la tensió de sortida per un valor igual a la tensió de ruptura del díode zener particular que s’utilitza. A continuació s’il·lustra l’esquema del circuit del canvi de tensió.
Penseu en l'experiment següent,
El circuit descriu un canvi de voltatge basat en díodes zener de 3,3 v. La tensió de sortida (3,72V) del circuit es dóna restant la tensió de ruptura (3,3V) del díode zener de la tensió d’entrada (7V).
Vout = Vin –Vz
Vout = 7 - 3,3 = 3,7v
El canvi de tensió, tal com es va descriure anteriorment, té diverses aplicacions en el disseny de circuits electrònics actuals, ja que l’enginyer de disseny pot haver de treballar amb fins a tres nivells de voltatge diferents a vegades durant el procés de disseny.
Tipus de díodes Zener:
Els díodes Zener es classifiquen en tipus basats en diversos paràmetres que inclouen;
- Tensió nominal
- Dissipació de potència
- Corrent de la unitat cap endavant
- Tensió directa
- Tipus d’embalatge
- Corrent invers màxim
Tensió nominal
La tensió nominal d’operació d’un díode zener també es coneix com la tensió de ruptura del díode zener, en funció de l’aplicació per a la qual s’hagi d’utilitzar el díode, sovint aquest és el criteri més important per a la selecció del díode Zener.
Dissipació de potència
Això representa la quantitat màxima de potència que pot dissipar el corrent zener. Superar aquesta potència nominal comporta un augment excessiu de la temperatura del díode zener que podria danyar-lo i provocar el fracàs de les coses que hi estaven connectades en un circuit. Per tant, aquest factor s'ha de tenir en compte a l'hora de seleccionar el díode tenint en compte l'ús.
Corrent màxim de Zener
Aquest és el corrent màxim que es pot passar pel díode zener a la tensió zener sense danyar el dispositiu.
Corrent Zener mínim
Es refereix al corrent mínim necessari perquè el díode zener comenci a funcionar a la regió de desglossament.
Altres paràmetres que serveixen com a especificació del díode han de ser considerats completament abans de prendre una decisió sobre el tipus de díode zener necessari per a aquest disseny peculiar.
Conclusió:
Aquí hi ha 5 punts que no hauríeu d’oblidar mai del díode zener.
- Un díode zener és com un díode ordinari només que s'ha dopat per tenir una tensió de ruptura forta.
- El díode Zener manté una tensió de sortida estable independentment de la tensió d’entrada sempre que no es superi el corrent zener màxim.
- Quan es connecta en biaix cap endavant, el díode zener es comporta exactament igual que el díode de silicona normal. Condueix amb la mateixa caiguda de tensió de 0,7 V que acompanya l’ús del díode normal.
- L'estat operatiu per defecte del díode zener es troba a la regió de desglossament (esbiaixat invertit). Significa que realment comença a funcionar quan la tensió aplicada és superior a la tensió Zener en polarització inversa.
- El díode zener s'utilitza principalment en aplicacions relacionades amb la regulació de la tensió, circuits de retall i canvis de tensió.