Zener Diyot Devreleri, Özellikleri, Hesaplamaları

Zener diyotları - adını mucidi Dr. Carl Zener'den almıştır, temelde hassas voltaj referansları oluşturmak için elektronik devrelerde kullanılmaktadır. Bunlar, devre ve voltaj durumlarındaki değişikliklerden bağımsız olarak, aralarında pratik olarak sabit bir voltaj oluşturabilen cihazlardır.

Dışarıdan, zener diyotları 1N4148 gibi standart diyotlara çok benzer bulabilirsiniz. Zener diyotları, geleneksel alternatifleri gibi AC'yi darbeli DC'ye çevirerek de çalışır. Bununla birlikte, standart doğrultucu diyotların aksine, zener diyotları, katotları doğrudan beslemenin pozitifine ve anot negatif beslemeye bağlı olacak şekilde yapılandırılır.

Özellikler

Standart konfigürasyonunda, Zener diyotları belirli, kritik bir voltajın (Zerier voltajı olarak bilinir) altında yüksek bir direnç sergiler. Bu spesifik kritik voltaj aşıldığında, Zener diyodunun aktif direnci son derece düşük bir seviyeye düşer.

Ve bu düşük direnç değerinde, Zeners boyunca etkin bir sabit voltaj tutulur ve bu sabit voltajın, kaynak akımındaki herhangi bir değişiklikten bağımsız olarak korunması beklenebilir.

Basit bir ifadeyle, zener diyodundaki besleme nominal zener değerini aştığında, zener diyot aşırı gerilimi iletir ve topraklar. Bu nedenle voltaj, zener voltajını düşüren zener voltajının altına düşer ve besleme yine zener voltajını aşmaya çalışır, zener tekrar açılır. Bu döngü hızla tekrar eder ve sonuçta çıktının tam olarak sabit bir zener voltaj değerinde stabilize edilmesiyle sonuçlanır.

Bu özellik, aşağıdaki şekilde grafik olarak vurgulanmıştır; bu, 'Zener voltajı' nın üzerindeki ters voltajın, ters akımdaki değişikliklerde bile neredeyse sabit olmaya devam ettiğini gösterir. Sonuç olarak, Zener diyotları genellikle dahili dirençleriyle sabit bir voltaj düşüşü veya referans voltajı elde etmek için kullanılır.

Zener diyotları, birçok watt değerinde ve 2,7 Volt ile 200 Volt arasında değişen voltaj değerlerinde tasarlanmıştır. (Bununla birlikte, çoğunlukla 30 Volt'un üzerindeki değerlere sahip Zener diyotları neredeyse hiç kullanılmamaktadır.)

Temel Zener Diyot Devresi Çalışması

Aşağıdaki görüntüde tek bir direnç ve bir Zener diyot kullanan standart bir voltaj regülatör devresi görülebilir. Burada Zener diyotunun değerinin 4,7 V ve besleme voltajının V in 8,0 V olduğunu varsayalım.

Bir zener diyotun temel çalışması şu noktalarla açıklanabilir:

Zener diyotunun çıkışı boyunca bir yükün yokluğunda, direnç R boyunca 2,4 Volt kesilirken Zener diyot boyunca 4,7 Volt düşmüş olarak görülebilir.

Şimdi, giriş voltajının değişmesi durumunda, 8,0 ila 9,0 V arasında, Zener boyunca voltaj düşüşünün 4,7 V değerinde hala devam etmesine neden olacağını hayal edelim.

Bununla birlikte, direnç R üzerindeki voltaj düşüşünün 2,4 V'den 3,4 V'a yükseldiği görülebilir.

İdeal bir Zener üzerindeki voltaj düşüşünün oldukça sabit olması beklenebilir. Pratik olarak, Zener'in dinamik direnci nedeniyle zener üzerindeki voltajın biraz arttığını görebilirsiniz.

Zener gerilimindeki değişimin hesaplanma prosedürü, zener dinamik direncinin Zener akımındaki değişim ile çarpılmasıdır.

Yukarıdaki temel regülatör tasarımındaki direnç R1, zener ile bağlanabilecek tercih edilen yükü simgelemektedir. Bu bağlamda R1, Zener'den geçen belirli miktarda akım çekecektir.

Rs'deki akım, yüke giren akımdan daha yüksek olacağından, Zener ve yük boyunca mükemmel sabit bir voltaj sağlayarak Zener'den bir miktar akım geçmeye devam edecektir.

Belirtilen seri direnç Rs, Zener'e giren en düşük akımın her zaman zenerden kararlı bir düzenleme için belirtilen minimum seviyeden daha yüksek olacağı şekilde belirlenmelidir. Bu seviye, yukarıdaki önceki grafiksel diyagramdan öğrenildiği gibi, ters voltaj / ters akım eğrisinin 'dizinin' hemen altında başlar.

Ayrıca, Rs seçiminin Zener diyotundan geçen akımın asla güç oranının ötesine geçmemesini sağladığından emin olmalısınız: bu, Zener voltajı x Zener akımına eşdeğer olabilir. R1 yükü olmadığında Zener diyotundan geçebilecek en yüksek akım miktarıdır.

Zener Diyotları Nasıl Hesaplanır

Temel bir zener devresini tasarlamak aslında basittir ve aşağıdaki talimatlarla uygulanabilir:

1. Maksimum ve minimum yük akımını (Li) belirleyin, örneğin 10 mA ve 0 mA.
2. Oluşabilecek maksimum besleme voltajını belirleyin, örneğin 12 V seviyesi, ayrıca minimum besleme voltajının her zaman = 1,5 V + Vz (zener voltaj değeri) olmasını sağlayın.
3. Temel regülatör tasarımında belirtildiği gibi, eşdeğer Zener voltajı Vz = 4,7 Volt olan gerekli çıkış voltajı ve seçilen en düşük Zener akımı 100 mikroamperdir . Bu, burada amaçlanan maksimum Zener akımının 100 mikroamper artı 10 miliamper, yani 10.1 miliamper olduğu anlamına gelir.
4. Seri rezistör Rs, giriş beslemesi belirtilen en düşük seviye olduğunda bile minimum 10,1 mA akıma izin vermelidir; bu, seçilen zener değeri Vz'den 1,5 V daha yüksektir ve Ohm yasası kullanılarak şu şekilde hesaplanabilir: Rs = 1.5 / 10,1 x 10^-3= 148,5 Ohm. En yakın standart değer 150 Ohm gibi görünüyor, bu nedenle Rs 150 ohm olabilir.
5. Besleme voltajı 12 V'a yükselirse, Rs boyunca voltaj düşüşü Iz x Rs olacaktır, burada Iz = zenerden geçen akım. Bu nedenle, Ohm yasasını uygulayarak Iz = 12 - 4.7 / 150 = 48.66 mA elde ederiz.
6. Yukarıdakiler, zener diyotundan geçmesine izin verilecek maksimum akımdır. Diğer bir deyişle, maksimum çıkış yükü veya maksimum belirtilen besleme gerilimi girişi sırasında akabilecek maksimum akım. Bu koşullar altında, zener diyotu Iz x Vz = 48.66 x 4.7 = 228 mW gücünde dağıtacaktır. Bunu yerine getirmek için en yakın standart güç derecelendirme değeri 400 mW'dir.

Sıcaklığın Zener Diyotlarına Etkisi

Voltaj ve yük parametrelerinin yanı sıra, Zener diyotları çevrelerindeki sıcaklık değişimlerine de oldukça dayanıklıdır. Bununla birlikte, bir derecenin üzerinde, aşağıdaki grafikte gösterildiği gibi, sıcaklığın cihaz üzerinde bir miktar etkisi olabilir:

Zener diyot sıcaklık katsayısı eğrisini gösterir. Daha yüksek voltajlarda katsayı eğrisi, Santigrat derece başına yaklaşık% 0.1 oranında yanıt verse de, 5 V'ta sıfıra doğru hareket eder ve daha sonra düşük voltaj seviyeleri için negatife döner. Sonunda yaklaşık 3,5 V'ta Santigrat derece başına% -0.04'e ulaşır.

Zener Diyodunun Sıcaklık Sensörü Olarak Kullanılması

Zener diyotunun sıcaklık değişimine duyarlılığının iyi bir kullanımı, cihazı aşağıdaki diyagramda gösterildiği gibi bir sıcaklık sensörü cihazı olarak uygulamaktır.

Diyagram, bir çift direnç ve aynı özelliklere sahip bir çift Zener diyot kullanılarak oluşturulan bir köprü ağını göstermektedir. Zener diyotlarından biri referans voltaj üreteci gibi çalışır, diğer zener diyot ise sıcaklık seviyelerindeki değişiklikleri algılamak için kullanılır.

Standart bir 10 V Zener, +% 0,07 / ° C'lik bir sıcaklık katsayısına sahip olabilir ve bu, sıcaklıktaki 7 mV / ° C değişimine karşılık gelebilir. Bu, sıcaklıktaki her Santigrat derece değişim için köprünün iki kolu arasında yaklaşık 7 mV'lik bir dengesizlik yaratacaktır. Karşılık gelen sıcaklık okumalarını göstermek için belirtilen konumda 50 mV tam FSD metre kullanılabilir.

Zener Diyot Değerini Özelleştirme

Bazı devre uygulamaları için, standart olmayan bir değer veya hemen bulunmayan bir değer olabilen kesin bir zener değerine sahip olmak gerekli olabilir.

Bu gibi durumlar için, aşağıda gösterildiği gibi istenen özelleştirilmiş bir zener diyot değerini elde etmek için kullanılabilen bir dizi zener diyotu oluşturulabilir:

Bu örnekte, birçok özelleştirilmiş, standart olmayan zener değeri, aşağıdaki listede açıklandığı gibi çeşitli terminaller üzerinden elde edilebilir:

Diğer birçok özelleştirilmiş zener diyot çıkışı seti elde etmek için belirtilen konumlardaki diğer değerleri kullanabilirsiniz.

AC Beslemeli Zener Diyotları

Zeners diyotları normalde DC kaynaklarla kullanılır, ancak bu cihazlar aynı zamanda AC kaynaklarla çalışacak şekilde tasarlanabilir. Zener diyotlarının birkaç AC uygulaması ses, RF devreleri ve diğer AC kontrol sistemleri biçimlerini içerir.

Aşağıdaki örnekte gösterildiği gibi, bir AC kaynağı bir zener diyot ile kullanıldığında, zener, AC sinyali sıfırdan döngüsünün negatif yarısına geçer geçmez anında iletecektir. Çünkü sinyal negatiftir, bu nedenle AC, anot aracılığıyla zener katoduna kısa devre yapacaktır ve bu da çıkışın 0 V görünmesine neden olacaktır.

AC kaynağı döngünün pozitif yarısı boyunca hareket ettiğinde, zener, AC zener voltaj seviyesine tırmanana kadar iletmez. AC sinyali zener voltajını geçtiğinde, zener, AC döngüsü sıfıra düşene kadar çıkışı 4,7 V düzeyinde iletir ve dengeler.

Bir AC girişli zener kullanırken, Rs'nin AC tepe voltajına göre hesaplandığından emin olun.

Yukarıdaki örnekte, çıkış simetrik değildir, bunun yerine titreşimli bir 4,7 V DC'dir. Çıkışta simetrik bir 4.7 V AC elde etmek için, aşağıdaki diyagramda gösterildiği gibi iki arka arkaya zener bağlanabilir.

Zener Diyot Gürültüsünü Bastırma

Zener diyotları, stabilize edilmiş sabit voltaj çıkışları oluşturmak için hızlı ve kolay bir yol sağlasa da, güç amplifikatörleri gibi hassas ses devrelerini etkileyebilecek bir dezavantajı vardır.

Zener diyotları, anahtarlama sırasındaki bağlantı çığ etkisi nedeniyle çalışırken 10 uV ile 1 mV arasında değişen gürültü üretir. Bu, aşağıda gösterildiği gibi, zener diyotuna paralel bir kapasitör eklenerek bastırılabilir:

Kapasitörün değeri 0.01 uF ile 0.1 uF arasında olabilir, bu da 10 kat gürültü bastırmaya izin verir ve mümkün olan en iyi voltaj stabilizasyonunu sağlar.

Aşağıdaki grafik, kapasitörün zener diyot gürültüsünü azaltmadaki etkisini göstermektedir.

Dalgalanma Gerilimi Filtreleme için Zener Kullanımı

Zener diyotları, tıpkı AC voltaj stabilizasyonu için kullanıldığı gibi, etkili dalgalı voltaj filtreleri olarak da uygulanabilir.

Son derece düşük dinamik empedansı nedeniyle, zener diyotları, filtre kondansatörünün yaptığı gibi dalgalı filtre gibi çalışabilir.

Herhangi bir DC kaynağı ile yük boyunca bir Zener diyotu bağlayarak çok etkileyici dalgalanma filtreleme elde edilebilir. Burada voltaj dalgalanma çukuru seviyesi ile aynı olmalıdır.

Çoğu devre uygulamasında bu, birkaç bin mikrofarad kapasitesine sahip tipik bir yumuşatma kapasitörü kadar etkili bir şekilde çalışabilir, bu da DC çıkışı üzerine bindirilen dalgalı voltaj seviyesinde önemli bir düşüşle sonuçlanır.

Zener Diyot Güç Kullanım Kapasitesi Nasıl Artırılır

Zener diyot güç işleme kapasitesini artırmanın kolay bir yolu, muhtemelen bunları aşağıda gösterildiği gibi paralel olarak bağlamaktır:

Ancak pratikte bu göründüğü kadar basit olmayabilir ve amaçlandığı gibi çalışmayabilir. Bunun nedeni, diğer yarı iletken cihazlarda olduğu gibi, zenerlerin de hiçbir zaman tam olarak aynı özelliklere sahip olmamasıdır, bu nedenle, zenerlerden biri diğerinden önce tüm akımı kendi içinden çekerek sonunda yok edilir.

Bu soruna karşı koymanın hızlı bir yolu, aşağıda gösterildiği gibi her bir zener diyotuna düşük değerli seri dirençler eklemek olabilir; bu, her bir zener diyotunun, R1 ve R2 dirençleri tarafından üretilen voltaj düşüşlerini telafi ederek akımı eşit olarak paylaşmasına izin verir:

Güç işleme kapasitesi, Zener diyotlarını paralel bağlayarak artırılabilmesine rağmen, çok daha gelişmiş bir yaklaşım, bir referans kaynağı olarak yapılandırılmış bir zener diyot ile bağlantılı olarak bir şönt BJT eklemek olabilir. Lütfen aynısı için aşağıdaki örnek şemaya bakın.

Bir şönt transistörün eklenmesi, zener güç işleme kapasitesini 10 kat arttırmakla kalmaz, aynı zamanda, transistörün belirtilen akım kazancı kadar yüksek olabilen çıktının voltaj düzenleme seviyesini daha da geliştirir.

Bu tip şönt transistör zener regülatörü deneysel amaçlar için kullanılabilir çünkü devre% 100 kısa devre korumalı bir özelliğe sahiptir. Bununla birlikte, tasarım oldukça verimsizdir çünkü transistör, yük olmadığında önemli miktarda akımı dağıtabilir.

Daha da iyi sonuçlar için seri geçiş transistörü aşağıda gösterildiği gibi regülatör tipi daha iyi bir seçenek ve tercih edilir.

Bu devrede Zener diyot, seri geçiş transistörü için bir referans voltajı oluşturur ve bu, esasen bir yayıcı takipçisi . Sonuç olarak, yayıcı voltajı, Zener diyotu tarafından yaratılan transistör temel voltajının birkaç onda biri arasında tutulur. Sonuç olarak, transistör bir seri bileşen gibi çalışır ve besleme voltajı değişikliklerinin etkin kontrolünü sağlar.

Yük akımının tamamı artık bu seri transistör üzerinden çalışıyor. Bu tür bir konfigürasyonun güç işleme kapasitesi, tamamen transistörlerin değeri ve teknik özelliklerine göre belirlenir ve ayrıca kullanılan soğutucunun verimliliğine ve kalitesine bağlıdır.

1k serisi bir direnç kullanılarak yukarıdaki tasarımdan mükemmel düzenleme elde edilebilir. Regülasyon, normal zener 1N1589 gibi özel bir düşük dinamik zener diyot ile değiştirilerek 10 kat artırılabilir).

Yukarıdaki devrenin değişken voltaj regülasyonlu bir çıkış sağlamasını istiyorsanız, Zener diyotunda 1K potansiyometre kullanılarak kolayca elde edilebilir. Bu, seri transistörün tabanında değişken bir referans voltajının ayarlanmasına izin verir.

Bununla birlikte, bu modifikasyon, potansiyometrenin yarattığı bazı şöntleme etkisine bağlı olarak daha düşük bir düzenleme verimliliği ile sonuçlanabilir.

Sabit Akım Zener Diyot Devresi

Basit bir Zener tarafından düzenlenen sabit akım kaynağı, değişken seri direnç olarak tek bir transistör aracılığıyla tasarlanabilir. Aşağıdaki şekil temel devre şemasını göstermektedir.

Burada, biri polarlama direnci ile seri bağlanmış zener diyot aracılığıyla, diğeri ise dirençler R1, R2 ve seri transistör üzerinden olmak üzere bir çift devre geçişi görebilirsiniz.

Akımın orijinal aralığından sapması durumunda, R3'ün önyargı seviyesinde orantılı bir değişiklik yaratır ve bu da seri transistör direncinin orantılı olarak artmasına veya azalmasına neden olur.

Transistörün direncindeki bu ayarlama, çıkış akımının istenen seviyeye otomatik olarak düzeltilmesine neden olur. Bu tasarımdaki akım kontrolünün doğruluğu, kısa devre ile 400 Ohm'a kadar yükleme arasında değişebilen çıkış koşullarına yanıt olarak +/-% 10 civarında olacaktır.

Zener Diyot Kullanan Sıralı Röle Anahtarlama Devresi

Bir dizi rölenin, hepsinin birlikte etkinleştirilmesi yerine güç anahtarında sırayla birbiri ardına anahtarlanması gereken bir uygulamanız varsa, aşağıdaki tasarım oldukça kullanışlı olabilir.

Burada, sıralı olarak artan zener diyotları, bireysel düşük değerli seri dirençlerle birlikte bir grup röle ile seri olarak kurulur. Güç AÇIK konuma getirildiğinde, zener diyotları, zener değerlerinin artan bir sırasına göre birbiri ardına hareket eder. Bu, uygulamanın istediği şekilde rölenin AÇIK konuma geçmesine neden olur. Dirençlerin değerleri röle bobininin direnç değerine göre 10 ohm veya 20 ohm olabilir.

Aşırı Gerilim Koruması için Zener Diyot Devresi

Voltaja duyarlı karakteristikleri nedeniyle, önemli devre bileşenlerini yüksek voltaj dalgalanmalarından korumak ve ek olarak sigortanın sık sık atma zahmetini ortadan kaldırmak için Zener diyotlarını sigortaların akıma duyarlı özellikleriyle birleştirmek mümkündür; devrenin çalışma akımı özelliklerine çok yakındır.

Yük boyunca doğru şekilde derecelendirilmiş bir Zener diyotunu birleştirerek, uzun süreler için amaçlanan yük akımını idare etmek için uygun şekilde derecelendirilmiş bir sigorta kullanılabilir. Bu durumda, giriş voltajının Zener arıza voltajını aşacak şekilde arttığını varsayalım - Zener diyotunu çalışmaya zorlayacaktır. Bu, sigortayı neredeyse anında üfleyen akımda ani bir artışa neden olacaktır.

Bu devrenin avantajı, yük akımına yakın sigorta değeri nedeniyle sigortanın sık ve tahmin edilemeyecek şekilde atmasını önlemesidir. Bunun yerine, sigorta yalnızca voltaj ve akım gerçekten belirli bir güvenli olmayan seviyenin üzerine çıktığında atar.

Zener Diyot Kullanan Düşük Gerilim Koruma Devresi

Bir röle ve uygun şekilde seçilmiş bir zener diyot, istenen herhangi bir uygulama için doğru bir düşük voltaj veya düşük voltaj kesme koruma devresi oluşturmak için yeterlidir. Devre şeması aşağıda sunulmuştur:

Operasyon aslında çok basittir, bir transformatör köprü ağından elde edilen Vin kaynağı, giriş AC varyasyonlarına bağlı olarak orantılı olarak değişir. Bu, 220 V'nin transformatörden gelen 12 V'a karşılık geldiğini varsayarsak, 180 V'nin 9,81 V'a karşılık gelmesi gerektiği anlamına gelir. Bu nedenle, 180 V'nin düşük voltaj kesme eşiği olduğu varsayılırsa, 10 V cihaz olarak zener diyotunun seçilmesi, AC girişi 180 V'nin altına düştüğünde röle çalışmasını kesecektir.