מעגלי דיודות זנר, מאפיינים, חישובים

דיודות זנר - הקרויות על שם ממציאה ד'ר קרל זנר משמשות באופן בסיסי במעגלים אלקטרוניים ליצירת הפניות מדויקות למתח. אלה מכשירים שמסוגלים ליצור מתח קבוע כמעט על פניהם ללא קשר לשינויים במצבי המעגל והמתח.

חיצונית, ייתכן שתמצא דיודות זנר דומות מאוד לדיודות רגילות כגון 1N4148. דיודות זנר פועלות גם על ידי תיקון זרם חילופין לזרם זרם פועם ממש כמו האלטרנטיבות המסורתיות שלהם. עם זאת, בניגוד לדיודות מיישר רגילות, דיודות הזנר מוגדרות כאשר הקתודה שלהן מחוברת ישירות לחיובי האספקה, ואנודה עם האספקה ​​השלילית.

מאפיינים

בתצורה הסטנדרטית שלה, דיודות זנר מציגות עמידות גבוהה מתחת למתח מסוים, קריטי (המכונה מתח זרייר). כאשר עולה על מתח קריטי ספציפי זה, ההתנגדות הפעילה של דיודת זנר נופלת לרמה נמוכה במיוחד.

ובערך ההתנגדות הנמוך הזה, מתח קבוע יעיל מוחזק על פני ה- Zeners, וניתן לצפות שמתח קבוע זה יישמר ללא קשר לכל שינוי בזרם המקור.

במילים פשוטות, בכל פעם שהאספקה ​​על פני דיודת הזנר עולה על ערך הזנר המדורג, דיודת הזנר מוליכה ומנחיתה את המתח העודף. בשל כך המתח יורד מתחת למתח הזנר המכבה את הזנר, והאספקה ​​מנסה שוב לחרוג ממתח הזנר, ומפעילה שוב את הזנר. מחזור זה חוזר במהירות, מה שבסופו של דבר מייצב את התפוקה בדיוק לערך מתח זנר קבוע.

מאפיין זה מודגש בצורה גרפית באיור שלהלן המציין כי מעל 'מתח זנר' המתח ההפוך ממשיך להיות כמעט קבוע גם עם שינויים בזרם ההפוך. כתוצאה מכך דיודות זנר משמשות לעתים קרובות לקבלת ירידת מתח קבועה, או מתח ייחוס, עם ההתנגדות הפנימית שלהם.

דיודות זנר מתוכננות בציוני וואט רבים ועם דירוגי מתח הנעים בין 2.7 וולט ל 200 וולט. (עם זאת, כמעט ולא נעשה שימוש בדיודות זנר בעלות ערכים הרבה מעל 30 וולט).

מעגל דיודות בסיסי של זנר

ניתן לראות במעגל ויסות מתח רגיל, המשתמש בנגד יחיד ודיודת זנר, בתמונה הבאה. הנה, נניח שערך דיודת הזנר הוא 4.7 וולט ומתח האספקה ​​V ב הוא 8.0 וולט.

ניתן להסביר את העבודה הבסיסית של דיודת זנר בנקודות הבאות:

בהעדר עומס על תפוקת דיודת הזנר, ניתן לראות 4.7 וולט שנשמט על פני דיודת זנר בזמן שפותח 2.4 וולט על פני הנגד R.

כעת, במקרה שמתח הקלט משתנה, נניח, מ -8.0 ל -9.0 וולט, יגרום לירידת המתח על פני הזנר עדיין לשמור על 4.7 וולט המדורג.

עם זאת ניתן היה לראות את ירידת המתח על פני הנגד R, מ -2.4 וולט, ל -3.4 וולט.

ניתן לצפות כי ירידת המתח על פני זנר אידיאלית תהיה די קבועה. באופן מעשי, ייתכן שתגלה שהמתח על פני הזנר עולה מעט בגלל ההתנגדות הדינמית של הזנר.

ההליך שבאמצעותו מחושב השינוי במתח זנר הוא על ידי הכפלת ההתנגדות הדינמית של הזנר עם השינוי בזרם הזנר.

הנגד R1, בתכנון הרגולטור הבסיסי לעיל, מסמל את העומס המועדף שעשוי להיות מחובר לזנר. R1 בהקשר זה ימשוך כמות מסוימת של זרם שעבר דרך הזנר.

מכיוון שהזרם ב- R יהיה גבוה יותר מהזרם הנכנס לעומס, כמות הזרם תמשיך לעבור דרך הזנר המאפשרת מתח קבוע לחלוטין על פני הזנר והעומס.

יש לקבוע את נגדי הסדרה R המצוינים באופן שהזרם הנמוך ביותר שנכנס לזנר יהיה תמיד גבוה מהרמה המינימלית שצוינה לוויסות יציב מהזנר. רמה זו מתחילה ממש מתחת ל'ברך 'של עקומת המתח ההפוך / זרם לאחור כפי שנלמד מהתרשים הגרפי הקודם לעיל.

עליכם לוודא בנוסף כי הבחירה ב- R מבטיחה שהזרם העובר דרך דיודת הזנר לעולם אינו עולה על דירוג ההספק שלה: אשר עשוי להיות שווה ערך למתח הזנר x זרם הזנר. זהו כמות הזרם הגבוהה ביותר שעשויה לעבור דרך דיודת זנר בהעדר העומס R1.

כיצד לחשב דיודות זנר

תכנון מעגל זנר בסיסי הוא למעשה פשוט וניתן ליישמו באמצעות ההוראות הבאות:

1. קבעו את זרם העומס המקסימלי והמינימלי (Li), למשל 10 mA ו- 0 mA.
2. קבעו את מתח האספקה ​​המקסימלי שעשוי להתפתח, למשל רמת 12 וולט, וגם וודאו שמתח האספקה ​​המינימלי הוא תמיד = 1.5 V + Vz (דירוג מתח הזנר).
3. כפי שצוין בתכנון הרגולטור הבסיסי מתח המוצא הנדרש שהוא מתח הזנר המקביל Vz = 4.7 וולט, והנבחר. זרם הזנר הנמוך ביותר הוא 100 מיקרו אמפר . זה מרמז שזרם הזנר המרבי המיועד כאן הוא 100 מיקרו אמפר בתוספת 10 מיליאמפר, שהם 10.1 מיליאמפר.
4. נגדי הסדרה Rs חייבים לאפשר את הכמות המינימלית של זרם 10.1 mA גם כאשר אספקת הקלט היא הרמה הנמוכה ביותר, שגובהה 1.5 וולט מערך הזנר שנבחר Vz, וניתן לחשב אותה באמצעות חוק אוהם כ: Rs = 1.5 / 10.1 x 10^-3= 148.5 אוהם. נראה כי הערך הסטנדרטי הקרוב ביותר הוא 150 אוהם, ולכן Rs עשוי להיות 150 אוהם.
5. אם מתח האספקה ​​עולה ל 12 וולט, ירידת המתח על פני Rs תהיה Iz x Rs, כאשר Iz = זרם דרך הזנר. לכן, החלת חוק אוהם נקבל Iz = 12 - 4.7 / 150 = 48.66 mA
6. האמור לעיל הוא הזרם המרבי שיאפשר לעבור דרך דיודת הזנר. במילים אחרות, הזרם המרבי העשוי לזרום במהלך עומס המוצא המרבי או קלט מתח האספקה ​​המקסימלי שצוין. בתנאים אלה, דיודת הזנר תפיץ כוח של Iz x Vz = 48.66 x 4.7 = 228 mW. ערך דירוג ההספק הסטנדרטי הקרוב ביותר למילוי זה הוא 400 מילוואט.

השפעת הטמפרטורה על דיודות זנר

לצד פרמטרי המתח והעומס, דיודות זנר עמידות למדי בפני שינויי טמפרטורה סביבם. עם זאת, מעל מידה מסוימת הטמפרטורה עשויה להשפיע במידה מסוימת על המכשיר כפי שמצוין בתרשים להלן:

הוא מציג את עקומת מקדם הטמפרטורה של דיודת הזנר. למרות שבמתחים גבוהים יותר עקומת המקדם מגיבה בסביבות 0.1% לכל מעלה צלזיוס, היא עוברת דרך אפס ב -5 וולט ואז הופכת לשלילית עבור רמות המתח הנמוכות יותר. בסופו של דבר הוא מגיע ל -0.04% למעלה צלזיוס בסביבות 3.5 וולט.

שימוש בדיודת זנר כחיישן טמפרטורה

שימוש טוב אחד ברגישות דיודת זנר לשינוי טמפרטורה הוא יישום המכשיר כמכשיר חיישני טמפרטורה כמוצג בתרשים הבא.

התרשים מציג רשת גשרים שנבנתה באמצעות זוג נגדים וזוג דיודות זנר בעלות מאפיינים זהים. אחת מדיודות הזנר עובדת כמו מחולל מתח ייחוס, ואילו דיודת הזנר השנייה משמשת לחישת השינויים ברמות הטמפרטורה.

זנר 10 V סטנדרטי עשוי להיות מקדם טמפרטורה של + 0.07% / ° C שעשוי להתאים לשינוי של 7 mV / ° C בטמפרטורה. זה ייצור חוסר איזון של כ- 7 mV בין שתי זרועות הגשר עבור כל טמפרטורה אחת של מעלות צלזיוס. ניתן להשתמש במד FSD מלא 50 mV במצב המצוין להצגת קריאות הטמפרטורה המתאימות.

התאמה אישית של ערך דיודת זנר

עבור יישומי מעגל מסוימים יתכן שיהיה צורך בערך זנר מדויק שעשוי להיות ערך לא סטנדרטי, או ערך שאינו זמין בקלות.

במקרים כאלה ניתן ליצור מערך של דיודות זנר אשר לאחר מכן עשוי לשמש להשגת ערך דיודת זנר מותאם אישית, כפי שמוצג להלן:

בדוגמה זו ניתן לרכוש ערכי זנר מותאמים אישית ולא סטנדרטיים על פני הטרמינלים השונים, כמתואר ברשימה הבאה:

אתה יכול להשתמש בערכים אחרים במיקומים המצוינים כדי לקבל קבוצות מותאמות אישית רבות אחרות של פלט דיודות זנר

דיודות זנר עם אספקת AC

דיודות Zeners משמשות בדרך כלל עם ספקי DC, אולם ניתן לתכנן מכשירים אלה גם לעבודה עם ספקי AC. כמה יישומי AC של דיודות זנר כוללים שמע, מעגלי RF וצורות אחרות של מערכות בקרת AC.

כפי שמוצג בדוגמה שלהלן כאשר נעשה שימוש באספקת AC עם דיודת זנר, הזנר יתנהל באופן מיידי ברגע שאות ה- AC יעבור מאפס לכיוון המחצית השלילית של מחזורו. מכיוון שהאות הוא שלילי ולכן AC יקצר דרך האנודה לקתודה של הזנר, מה שגורם ל- 0 V להראות את הפלט.

כאשר אספקת ה- AC עוברת על פני החצי החיובי של המחזור, הזנר אינו מתנהל עד שה- AC מטפס עד לרמת מתח הזנר. כאשר אות ה- AC חוצה את מתח הזנר, הזנר מוליך ומייצב את הפלט לרמת 4.7 וולט, עד שמחזור ה- AC יורד לאפס.

זכור, בעת שימוש ב- zener עם כניסת AC, וודא כי Rs מחושב לפי מתח השיא של AC.

בדוגמה לעיל, הפלט אינו סימטרי, אלא 4.7 V DC פועם. על מנת לקבל פלט 4.7 V AC סימטרי ביציאה, ניתן לחבר שני אזורי גב לגב כמתואר בתרשים להלן.

דיכוי רעש דיודות זנר

למרות שדיודות הזנר מספקות דרך מהירה וקלה ליצור יציאות מתח קבוע מיוצבות, יש לה חסרון אחד שעשוי להשפיע על מעגלי שמע רגישים כמו מגברי הספק.

דיודות זנר מייצרות רעש בזמן ההפעלה בגלל אפקט מפולת מפולת הצומת שלהם בזמן המעבר, שנעות בין 10 uV ל- 1 mV. ניתן לדכא זאת על ידי הוספת קבלים במקביל לדיודת הזנר, כמוצג להלן:

הערך של הקבל יכול להיות בין 0.01uF ל- 0.1uF, מה שיאפשר דיכוי רעש בגורם 10, וישמור על ייצוב המתח הטוב ביותר.

הגרף הבא מראה את ההשפעה של הקבל להפחתת רעשי דיודת הזנר.

שימוש בזנר לסינון מתח אדווה

דיודות זנר יכולות להיות מיושמות גם כמסנני מתח אדווה יעילים, בדיוק כפי שהם משמשים לייצוב מתח AC.

בגלל העכבה הדינמית הנמוכה ביותר שלה, דיודות זנר מסוגלות לעבוד כמו פילטר אדווה ממש באותה צורה כמו קבלים פילטר.

ניתן להשיג סינון אדוות מרשים מאוד על ידי חיבור דיודת זנר על פני העומס, עם כל מקור DC. כאן, המתח חייב להיות זהה לרמת שוקת האדווה.

ברוב יישומי המעגל זה עשוי לעבוד בצורה יעילה כמו קבל החלקה אופייני בעל יכולת של כמה אלפי מיקרו-פאראדים, וכתוצאה מכך הפחתה משמעותית ברמת מתח האדווה המונחת על פלט ה- DC.

כיצד להגדיל את יכולת הטיפול בכוח דיודות הזנר

דרך קלה להגדיל את יכולת הטיפול בכוח דיודות הזנר היא כנראה פשוט לחבר אותם במקביל כמוצג להלן:

עם זאת, למעשה זה לא יכול להיות פשוט כמו שזה נראה ולא יכול לעבוד כמתוכנן. הסיבה לכך היא שכמו כל מכשיר אחר של מוליכים למחצה, גם הזנים לעולם אינם מגיעים עם מאפיינים זהים לחלוטין, ולכן אחד מהזריקים עשוי להתנהל לפני השני למשוך את כל הזרם בעצמו, ובסופו של דבר ייהרס.

דרך מהירה להתמודד עם בעיה זו עשויה להוסיף נגדים מסדרת ערכים נמוכים עם כל דיודות זנר כמוצג להלן, שיאפשרו לכל דיודת זנר לחלוק את הזרם בצורה אחידה באמצעות ירידות מתח מפצות שנוצרו על ידי הנגדים R1 ו- R2:

למרות שניתן להגדיל את יכולת טיפול הכוח על ידי חיבור דיודות זנר במקביל, גישה משופרת בהרבה עשויה להיות להוסיף BJT Shunt בשילוב עם דיודת זנר שהוגדרה כמקור התייחסות. אנא עיין בסכמת הדוגמה הבאה עבור אותו דבר.

הוספת טרנזיסטור שאנט לא רק משפרת את יכולת הטיפול בזנר בגורם 10, אלא משפרת עוד יותר את רמת ויסות המתח של הפלט, שעשויה להיות גבוהה ככל הרווח הנוכחי שצוין של הטרנזיסטור.

מווסת זנר טרנזיסטור שאנט מסוג זה יכול לשמש למטרות ניסוי מכיוון שהמעגל כולל מתקן הוכחה קצר 100%. עם זאת, התכנון אינו יעיל למדי מכיוון שהטרנזיסטור עלול להפיג כמות משמעותית של זרם בהעדר עומס.

לקבלת תוצאות טובות עוד יותר, א טרנזיסטור לעבור סדרה סוג הרגולטור כמוצג להלן נראה אופציה טובה יותר ועדיף.

במעגל זה דיודת זנר יוצרת מתח התייחסות לטרנזיסטור מעבר הסדרה, שעובד, למעשה, כמו חסיד פולט . כתוצאה מכך מתח הפולט נשמר בין כמה עשיריות וולט ממתח בסיס הטרנזיסטור כפי שנוצר על ידי דיודת זנר. כתוצאה מכך הטרנזיסטור עובד כמו רכיב סדרתי ומאפשר שליטה יעילה על שינויי מתח האספקה.

זרם העומס כולו פועל כעת באמצעות טרנזיסטור סדרתי זה. יכולת טיפול הכוח של תצורה מסוג זה נקבעת לחלוטין על ידי הערך והמפרט של הטרנזיסטורים, ותלויה גם ביעילות ובאיכות גוף הקירור שבשימוש.

ניתן להשיג ויסות מצוין מהתכנון שלעיל באמצעות נגד מסדרת 1k. ניתן להגדיל את הרגולציה עם פקטור 10 על ידי החלפת הזנר הרגיל בדיודת זנר דינמית נמוכה במיוחד כמו 1N1589).

אם ברצונך שהמעגל הנ'ל יספק פלט מוסדר מתח משתנה, ניתן להשיג זאת בקלות באמצעות פוטנציומטר 1K על פני דיודת זנר. זה מאפשר לכוונן מתח ייחוס משתנה בבסיס טרנזיסטור הסדרה.

עם זאת, שינוי זה עלול לגרום ליעילות רגולציה נמוכה יותר בגלל אפקט החלפה כלשהו שנוצר על ידי הפוטנציומטר.

מעגל דיודה זרר קבוע

ניתן לתכנן אספקת זרם קבוע רגולטורית של זנר באמצעות טרנזיסטור יחיד כנגד סדרה משתנה. האיור שלהלן מדגים את תרשים המעגל הבסיסי.

ניתן לראות כאן זוגות של מעברי מעגל, אחד דרך דיודת הזנר המחובר בסדרה עם הנגד המוטה, ואילו הנתיב השני הוא דרך הנגדים R1, R2 וטרנזיסטור הסדרה.

במקרה שהזרם חורג מהטווח המקורי שלו, הוא יוצר שינוי מידתי ברמת ההטייה של R3, אשר בתורו גורם להתנגדות הטרנזיסטור הסדרתית לעלות או לירידה באופן יחסי.

התאמה זו בהתנגדות הטרנזיסטור מביאה לתיקון אוטומטי של זרם המוצא לרמה הרצויה. דיוק הבקרה הנוכחי בתכנון זה יהיה סביב +/- 10% בתגובה לתנאי פלט שעשויים לנוע בין קצר חשמלי לטעינה של עד 400 אוהם.

מעגל החלפת ממסר רציף באמצעות דיודת זנר

אם יש לך יישום שבו קבוצה של ממסרים נדרשת לעבור ברצף אחד אחרי השני על מתג ההפעלה במקום שכולם יופעלו יחד, אז העיצוב הבא יכול להוכיח די שימושי.

כאן מותקנות בסדרת סדרת דיודות זנר המצטברות ברצף יחד עם נגדים בודדים בעלי ערך נמוך. כאשר ההפעלה מופעלת, דיודות הזנר מתנהלות אחת אחרי השנייה ברצף בסדר הולך וגדל של ערכי הזנר שלהן. התוצאה היא שהממסר יופעל ברצף לפי רצון היישום. ערכי הנגדים יכולים להיות 10 אוהם או 20 אוהם, בהתאם לערך ההתנגדות של סליל הממסר.

מעגל דיודות זנר להגנת מתח יתר

בשל המאפיין הרגיש למתח שלהם, ניתן לשלב דיודות זנר עם המאפיין הרגיש הנוכחי של נתיכים לשמירה על רכיבי מעגל מכריעים מפני נחשולי מתח גבוהים, ובנוסף למנוע את הנשיקה של טרחת הנתיכים לעיתים קרובות, מה שעלול לקרות במיוחד כאשר דירוג נתיכים קרוב מאוד למפרט הנוכחי של המעגל.

על ידי הצטרפות לדיודת זנר מדורג כראוי על פני העומס, ניתן להשתמש בנתיך אשר מדורג כראוי לטיפול בזרם העומס המיועד לתקופות ממושכות. במצב זה, נניח שמתח הקלט עולה במידה העולה על מתח פירוק הזנר - יאלץ את דיודת הזנר להתנהל. זה יגרום לעלייה פתאומית בזרם המפיץ את הנתיך כמעט באופן מיידי.

היתרון של מעגל זה בכך שהוא מונע מהנתיך לנשוף לעיתים קרובות ובצפוי בלתי צפוי בשל ערך ההתמזגות הקרוב שלו לזרם העומס. במקום זאת, הנתיך נושב רק כאשר המתח והזרם באמת עולים מעבר לרמה לא בטוחה שצוינה.

מעגל הגנת מתח מתח באמצעות דיודת זנר

ממסר ודיודת זנר שנבחרה כראוי מספיקים כדי ליצור מתח נמוך מדויק או מעגל הגנה מנותק תחת מתח לכל יישום רצוי. תרשים המעגל מוצג להלן:

הפעולה היא למעשה פשוטה מאוד, האספקה ​​Vin שנרכשת מרשת גשר שנאים משתנה באופן פרופורציונלי בהתאם לריאציות AC קלט. זה מרמז, אם נניח ש- 220 וולט תואם 12 וולט מהשנאי, אז 180 וולט צריכים להתאים ל -9.81 וולט וכן הלאה. לכן, אם הנחה של 180 וולט היא סף הפסקת המתח הנמוך, אזי בחירת דיודת הזנר כמכשיר 10 וולט תנתק את פעולת הממסר בכל פעם שזרם הכניסה יורד מתחת ל -180 וולט.