Zenerovy diody. Základní pojmy a aplikace

Za otce zenerovy diody je považován americký fyzik Clarence Melvin Zener: v roce 1934 popsal průraz tunelu (někdy nazývaný Zenerův průraz) a elektrické vlastnosti diody pracující v opačném směru. Proto se v anglicky psané literatuře zenerova dioda obvykle nazývá Zenerova dioda. Tunelový a lavinový průraz je znázorněn na proudově-napěťové charakteristice zenerovy diody (viz obr. 1).

Rýže. 1. Proudově-napěťová charakteristika zenerovy diody se Zenerovým průrazem

Na rozdíl od lavinového rozpadu, ve kterém jsou elektrony ve valenčním pásmu, je Zenerův rozpad kvantový jev. Je spojena s tunelovacím efektem, kdy elektrony z p-oblasti pronikají do n-oblasti přes potenciální bariéru v bezprostřední blízkosti pn přechodu. Lavinový průraz nastává, když kinetická energie elektronu vzroste na hodnotu, při které je schopen vyrazit elektron z valenčního pásma při srážce s atomem.

Při průrazném napětí menším než 4,5 V převažuje Zenerův průraz a lavinový průraz nastává při napětích nad 6,7 V. V rozmezí 4,5–6,7 V může dojít k oběma typům průrazu současně. Uvedené hodnoty napětí se mohou mírně lišit v závislosti na technologii výroby zenerovy diody. Je důležité si uvědomit, že během Zenerova průrazu je teplotní koeficient napětí (TCV) záporný: s rostoucí teplotou průrazné napětí klesá. Při poruše laviny je situace opačná: TKN je kladná.

<b>Klasifikace a značení zenerových diod</b>

Podle účelu jsou zenerovy diody rozděleny do tří skupin:

• univerzální, univerzální;
• přesnost;
• vysoká rychlost.

Přesné zenerovy diody se vyznačují vysokou přesností, rozptyl stabilizačního napětí v různých vzorcích nepřesahuje setiny procenta. Jsou teplotně kompenzované, takže mají nízký teplotní drift. Vysokorychlostní zenerovy diody mají nízkou hodnotu bariérové ​​kapacity nepřesahující několik desítek pikofaradů a jsou schopny omezit napěťové rázy. Zenerovy diody pro všeobecné použití jsou ekonomické, ale nemají vynikající parametry.

Bohužel neexistuje jednotná norma pro značení zenerových diod. V nejjednodušším případě jsou stabilizační napětí napsána na povrch zenerovy diody, přičemž písmeno V je použito jako čárka. Někdy se výrobce uchýlí k vlastní metodě označení, kterou dešifruje ve své dokumentaci. Zenerovy diody jsou často označeny barevnými kroužky podle japonského pravidla JIS-C-7012 (obr. 2) nebo amerického pravidla JEDEC (obr. 3).

Rýže. 2. Označení barevnými kroužky podle japonského pravidla JIS-C-7012

Rýže. 3. Značení barevnými kroužky podle amerického pravidla JEDEC

<b>Parametry a použití zenerových diod</b>

Rýže. 4. Proudově-napěťová charakteristika zenerovy diody s vypočtenými parametry

Hlavní parametry zenerovy diody potřebné pro výpočet jsou uvedeny na grafu proudově-napěťové charakteristiky (obr. 4). Označení v dokumentaci zahraničních výrobců jsou uvedena v závorkách:

• minimální stabilizační napětí V_CTMIN (V_BR);
• maximální stabilizační napětíV_CTMAX (V_ZM):
• jmenovité stabilizační napětí V_CTNOM (V_Z);
• jmenovitý stabilizační proud I_CTNOM (I_Z);
• minimální stabilizační proud I_CTMIN (I_ZK);
• maximální stabilizační proud I_CTMAX (I_ZM).

Rýže. 5. Stabilizátor napětí s paralelním připojením zátěže k zenerově diodě

Typicky se zenerova dioda používá v obvodech stabilizace napětí nebo omezování napětí. Zvažme obě možnosti. Na Obr. Obrázek 5 ukazuje nejjednodušší schéma použití zenerovy diody jako stabilizátoru napětí. Zátěž je zapojena paralelně se zenerovou diodou. Předřadný odpor se vypočítá podle vzorce:

Výpočet se provádí pro případy maximálního a minimálního vstupního napětí a zatěžovacího proudu a ve všech případech musí být u zvolené zenerovy diody splněn následující poměr:

Splnění vztahu (2) můžete zkontrolovat následovně. Po určení hodnoty odporu R _Б z (1) vypočítáme celkový proud I pomocí vzorce:

Poté určíme proud zenerovy diody:

A kontrolujeme splnění nerovnosti (2).

Jak je patrné z proudově-napěťové charakteristiky zenerovy diody (obr. 4), stabilizační napětí závisí na proudu zenerovy diody. Při změně zátěže v uvažovaném obvodu se změní proud zenerovy diody a tím i stabilizační napětí. Jinými slovy, charakteristika řízení zátěže uvažovaného obvodu může dosáhnout významné hodnoty.

Pokud tento stav není uspokojivý nebo pokud není splněna podmínka (2), měli byste použít obvod parametrického stabilizátoru s proudovým zesilovačem (sledovač emitoru), jak je znázorněno na obr. 6. V něm propustný tranzistor „odřízne“ zenerovu diodu od zátěže. Dá se říci, že tento obvod je výrazně zjednodušenou verzí integrovaného lineárního regulátoru napětí (LDO), ve kterém je místo zenerovy diody použit referenční zdroj napětí, nastavený bandgapem.

Rýže. 6. Stabilizátor napětí s propustným tranzistorem

Může vyvstat otázka, proč se v tomto případě obtěžovat, není jednodušší vzít hotový mikroobvod lineárního stabilizátoru? Faktem je, že ne vždy je možné si mezi těmito dvěma řešeními vybrat. Je nepravděpodobné, že se vám podaří najít čip LDO se vstupním napětím větším než 30–36 V. A v obvodu na Obr. 6, maximální vstupní napětí je určeno pouze volbou propustného tranzistoru, a proto může být stovky voltů. Kromě toho obvody napájené desítkami nebo dokonce stovkami voltů zpravidla nevyžadují vysokou přesnost při udržování napětí a snižování šumu a zvlnění, takže použití zjednodušeného obvodu není kritické.

Rýže. 7. Obvody omezující napětí pomocí zenerovy diody

Další možnost zenerovy diody – omezení napětí – je znázorněna na Obr. 7. V horní části obrázku je schéma unipolárního sinusového omezení napětí a ve spodní části je znázorněno bipolární. Je nepravděpodobné, že by obě schémata potřebovala vysvětlení. Jen si pamatujte, že napětí 0,7 V s unipolárním omezením odpovídá přímému poklesu napětí na diodě, což je zenerova dioda při provozu v prvním kvadrantu.

Na závěr zmiňme zenerku, která stabilizuje napětí maximálně 3 V. Je to dioda se silně dotovaným pn přechodem, pracuje v propustném směru a je schopna stabilizovat napětí v rozsahu 0,7–3 V Zenerova dioda nemůže pracovat v tomto rozsahu, protože – kvůli tomu, že při takových napětích není možné dosáhnout ani tunelu, ani lavinového průrazu.

Zenerova dioda je polovodičová dioda, která je speciálně navržena tak, aby fungovala v průrazném režimu pro udržení stabilního napětí. Její konstrukce je podobná konvenční diodě: zenerova dioda se skládá ze dvou vrstev polovodičového materiálu typu p a n, které tvoří p-n přechod. Hlavním rozdílem tohoto zařízení je, že jeho pn přechod je optimalizován pro stabilní provoz v oblasti zpětného průrazu, díky speciální dopingové technologii. Pouzdro zenerovy diody je obvykle kompaktní a může být vyrobeno ve formě skleněného, ​​plastového nebo keramického válce s přívody pro připojení k obvodu. K ochraně před přehřátím a mechanickým poškozením se používají různá pouzdra, od miniaturních SMD až po výkonná provedení s radiátorem.

Princip činnosti zenerovy diody

Princip činnosti zenerovy diody je založen na jevu elektrického průrazu pn přechodu při obráceném zapojení. Když napětí na zařízení dosáhne určité hodnoty (nazývané stabilizační napětí), proud prudce vzroste, ale napětí zůstává téměř konstantní. Tohoto efektu je dosaženo pomocí dvou hlavních mechanismů: lavinových a tunelových průrazů. U zenerových diod s vysokým stabilizačním napětím (více než 5 V) dochází k lavinovému průrazu a při nízkém napětí (méně než 5 V) k průrazu tunelu. Díky tomuto chování je ideální pro stabilizaci napětí v elektrických obvodech.

Aplikace Zenerových diod

• Zdroje energie: Stabilizace napětí na výstupu napájecího zdroje.
• Ochranné obvody: Omezování přepětí v elektronických zařízeních.
• Stabilizační regulátory: Generování referenčního napětí pro přesné měřicí přístroje.
• Zdroje pulzů: Aplikace v PWM obvodech a napěťových měničích.

Zenerovy diody jsou žádané ve spotřební elektronice, průmyslové automatizaci, automobilovém a lékařském vybavení.

Hlavní charakteristiky zenerových diod

Aby bylo možné vybrat zenerovu diodu, je nutné vzít v úvahu její hlavní vlastnosti:

• Stabilizační napětí (Vz): Určuje, při jakém napětí začne zařízení stabilizovat proud.
• Maximální stabilizační proud (Iz): Proudový limit, při kterém si zenerova dioda zachovává své vlastnosti.
• Rozsah provozních teplot: Označuje teploty, při kterých si zařízení udržuje stabilní výkon.
• Ztrátový výkon (P): Maximální výkon, který může zenerova dioda rozptýlit bez přehřátí.
• Dynamický odpor: Hodnota, která ukazuje, jak se mění stabilizační napětí při změně proudu.

Pochopení těchto charakteristik pomáhá vybrat zenerovu diodu pro konkrétní úkol.

Způsoby zapojení zenerových diod: sériové a paralelní

Zenerova dioda může být připojena k obvodu dvěma způsoby:

1. Sekvenční připojení: Zařízení je zapojeno do série se zátěží. V tomto případě chrání zátěž stabilizací výstupního napětí.

2. Paralelní připojení: Zařízení je připojeno paralelně k zátěži. Toto je nejběžnější způsob použití, který umožňuje stabilizovat napětí v celém obvodu. Pro omezení proudu v zařízení je však nutné použít rezistor nebo jiný omezující prvek.

Kompozitní Zenerovy diody

Složené zenerovy diody jsou zařízení, která kombinují několik podobných prvků v jednom pouzdře. Používají se k zajištění širšího rozsahu stabilizačních napětí nebo ke zvýšení ztrátového výkonu. Taková zařízení jsou žádaná ve vysokonapěťových obvodech nebo tam, kde je potřeba stabilizovat několik napěťových úrovní současně.

Typy Zenerových diod

Tato zařízení jsou klasifikována podle následujících kritérií:

• Stabilizací napětí: Nízké napětí (do 5 V) a vysoké napětí (více než 5 V).
• Podle síly: Nízký, střední a vysoký výkon.
• Podle těla: SMD, THT a výkonové modely.
• Podle mechanismu rozpadu: Lavina a tunel.

Každý typ má své vlastní vlastnosti a používá se v určitých podmínkách.

Nastavitelné Zenerovy diody

Nastavitelné zenerovy diody (někdy nazývané stabilizátory) umožňují změnu stabilizačního napětí v určitém rozsahu. Toho je dosaženo přidáním dalšího prvku, jako je rezistor, nebo použitím obvodu multi-zenerové diody. Používají se v regulovaných napájecích zdrojích a obvodech s proměnným zatížením.

Způsoby značení zenerových diod

Označení zařízení označuje jejich hlavní vlastnosti. Může být aplikován ve formě:

• Digitální kód: Například 1N4733A označuje stabilizační napětí 5.1 V.
• Grafické schéma: Proužek na těle označuje katodu (reverzní směr).
• Kód barvy: Někdy se používá pro kompaktní součástky, jako jsou zenerovy diody SMD.

Před použitím je důležité zkontrolovat technickou dokumentaci, aby nedošlo k chybám.

Jaký je rozdíl mezi diodou a zenerovou diodou

Hlavní rozdíl mezi zenerovou diodou a diodou je provozní režim:

• Zenerova dioda je navržena pro použití v režimu zpětného průrazu, zatímco dioda v tomto režimu selhává.
• Zenerova dioda udržuje stabilní napětí, ale dioda ne.

Pro kontrolu můžete použít multimetr: při přímém připojení se zenerova dioda bude chovat jako dioda a při obráceném zapojení začne vést proud až při dosažení stabilizačního napětí.

Jak vybrat správnou zenerovu diodu

Aby bylo možné správně vybrat a koupit zenerovu diodu, je nutné zvážit:

1. Stabilizační napětí: Musí odpovídat požadované úrovni stabilizace řetězu.
2. Napájení: Určete výkon rozptýlený zenerovou diodou a vyberte model s výkonovou rezervou.
3. Zatěžovací proud: Zvažte zatěžovací proud a poskytněte odpor k omezení proudu zenerovou diodou.
4. Teplotní podmínky: Ujistěte se, že je zařízení vhodné pro provozní podmínky.