Zenerova dioda – co to je a k čemu slouží?

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-02 13:51

Zenerova dioda je polovodičová dioda s jedinečnými vlastnostmi. Pokud je obyčejný polovodič po opětovném zapnutí izolantem, pak tuto funkci plní až do určitého zvýšení přiloženého napětí, po kterém dojde k lavinovitému vratnému průrazu. S dalším zvýšením zpětného proudu protékajícího zenerovou diodou zůstává napětí nadále konstantní v důsledku proporcionálního poklesu odporu. Tímto způsobem je možné dosáhnout stabilizačního režimu.

V zavřeném stavu nejprve prochází zenerovou diodou malý svodový proud. Prvek se chová jako rezistor, jehož hodnota odporu je velká. Během poruchy se odpor zenerovy diody stane zanedbatelným. Pokud budeme nadále zvyšovat napětí na vstupu, prvek se začne zahřívat a když proud překročí přípustnou hodnotu, dojde k nevratnémutepelný průraz. Pokud se k ní hmota nepřivede, při změně napětí z nuly na horní mez pracovní oblasti jsou vlastnosti zenerovy diody zachovány.

Když je zenerova dioda přímo zapnutá, charakteristiky jsou stejné jako u diody. Když je plus připojeno k oblasti p a mínus je připojeno k oblasti n, přechodový odpor je malý a proud jím volně protéká. Zvyšuje se se zvyšujícím se vstupním napětím.

Zenerova dioda je speciální dioda zapojená většinou v opačném směru. Prvek je nejprve v uzavřeném stavu. V případě elektrického výpadku jej Zenerova dioda udržuje konstantní v širokém rozsahu proudu.

Na anodu se aplikuje mínus a na katodu plus. Za stabilizací (pod bodem 2) dochází k přehřívání a zvyšuje se pravděpodobnost selhání prvku.

Funkce

Zenerovy parametry jsou následující:

• U_st - stabilizační napětí při jmenovitém proudu I_st;
• I_{st min - minimální elektrický poruchový startovací proud;}
• I_{st max - maximální přípustný proud;}
• TKN – teplotní koeficient.

Na rozdíl od konvenční diody je zenerova dioda polovodičové zařízení, ve kterém jsou oblasti elektrického a tepelného průrazu značně vzdálené na charakteristice proud-napětí.

S maximálním povoleným proudem je spojen parametr často specifikovaný vtabulky - ztrátový výkon:

P_max=I_{st max}∙ U_st.

Závislost zenerovy diody na teplotě může být kladná nebo záporná. Zapojením prvků do série s koeficienty různých znamének jsou vytvořeny přesné zenerovy diody, které nejsou závislé na ohřevu ani chlazení.

Schéma začlenění

Typický obvod jednoduchého stabilizátoru sestává z předřadného odporu R_{b a zenerovy diody, která odvádí zátěž.}

V některých případech dochází k narušení stabilizace.

1. Předání vysokého napětí z napájecího zdroje stabilizátoru za přítomnosti filtračního kondenzátoru na výstupu. Proudové rázy při nabíjení mohou způsobit selhání zenerovy diody nebo zničení rezistoru R_b.
2. Vypnutí načítání. Když je na vstup přivedeno maximální napětí, proud zenerovy diody může překročit povolenou hodnotu, což povede k jejímu zahřátí a zničení. Zde je důležité dodržovat oblast bezpečného pracovního pasu.
3. Odpor R_{b je zvolen malý, aby při minimálním možném napájecím napětí a maximálním povoleném proudu při zátěži byla zenerova dioda v pracovní regulační zóně.}

Tyristorové ochranné obvody nebo pojistky se používají k ochraně stabilizátoru.

Rezistor R_{b se vypočítá podle vzorce:}

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

Aktuálnízenerova dioda I_st se volí mezi přípustnými maximálními a minimálními hodnotami v závislosti na vstupním napětí U_pit a zatěžovacím proudu I _n.

Zenerův výběr

Prvky mají velký rozptyl stabilizačního napětí. Pro získání přesné hodnoty U_{n se zenerovy diody vybírají ze stejné šarže. Existují typy s užším rozsahem parametrů. S vysokým ztrátovým výkonem jsou prvky instalovány na radiátorech.}

Pro výpočet parametrů zenerovy diody jsou vyžadovány počáteční údaje, například:

• U_{pit=12-15 V – vstupní napětí;}
• U_{st=9 V – stabilizované napětí;}
• R_{n=50-100 mA – zátěž.}

Parametry jsou typické pro zařízení s nízkou spotřebou energie.

Pro minimální vstupní napětí 12 V je proud na zátěži zvolen na maximum - 100 mA. Podle Ohmova zákona můžete zjistit celkové zatížení obvodu:

R_{∑=12 V / 0,1 A=120 Ohmů.}

U zenerovy diody je úbytek napětí 9 V. Pro proud 0,1 A bude ekvivalentní zatížení:

R_{eq=9 V / 0,1 A=90 Ohmů.}

Nyní můžete určit odpor předřadníku:

R_{b=120 Ohm - 90 Ohm=30 Ohm.}

Vybírá se ze standardního řádku, kde je hodnota stejná jako vypočítaná.

Maximální proud protékající zenerovou diodou je určen s přihlédnutím k odpojení zátěže tak, aby nedocházelo k jejímu výpadku v případě odpájení jakéhokoli vodiče. Pokles napětí na rezistoru bude:

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

Poté se určí proud procházející rezistorem:

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

Protože je zenerova dioda zapojena do série, I_c=I_{R=0,2 A.}

Ztrátový výkon bude P=0,2∙9=1,8 W.

Podle získaných parametrů je vybrána vhodná Zenerova dioda D815V.

Symetrická zenerova dioda

Symetrický diodový tyristor je spínací zařízení, které vede střídavý proud. Charakteristickým rysem jeho práce je pokles napětí až o několik voltů při zapnutí v rozsahu 30-50 V. Lze jej nahradit dvěma protilehlými konvenčními zenerovými diodami. Zařízení se používají jako spínací prvky.

Analog zenerovy diody

Když není možné najít vhodný prvek, použijí na tranzistorech analog zenerovy diody. Jejich výhodou je možnost regulace napětí. K tomu lze použít vícestupňové DC zesilovače.

Na vstupu je instalován dělič napětí s trimovacím rezistorem R1. Pokud se vstupní napětí zvyšuje, na základě tranzistoru VT1 se také zvyšuje. Současně se zvyšuje proud procházející tranzistorem VT2, který kompenzuje nárůst napětí, čímž jej udržuje stabilní na výstupu.

Značení zenerových diod

Vyrábí se skleněné zenerovy diody a zenerovy diody v plastových pouzdrech. V prvním případě jsou na ně aplikována 2 čísla, mezi kterými je umístěno písmeno V. Nápis 9V1 znamená, žeU_{st=9, 1 V.}

Na plastovém pouzdře jsou nápisy dešifrovány pomocí datasheetu, kde se můžete dozvědět i další parametry.

Tmavý kroužek na pouzdru označuje katodu, ke které je plus připojen.

Závěr

Zenerova dioda je dioda se speciálními vlastnostmi. Výhodou zenerových diod je vysoká úroveň stabilizace napětí s širokým rozsahem změn provozního proudu a také jednoduchá schémata zapojení. Pro stabilizaci malého napětí se zařízení zapnou v propustném směru a začnou fungovat jako běžné diody.