Was sind Zenerdioden?

Was ist eine Zener-Diode?

Eine Zener-Diode ist eine spezielle Art von Gleichrichtungsdiode, die einen Durchbruch aufgrund einer Sperrdurchbruchspannung bewältigen kann, ohne vollständig auszufallen. Hier werden wir das Konzept der Verwendung von Dioden zur Regulierung des Spannungsabfalls diskutieren und wie die Zener-Diode im Sperrspannungsmodus arbeitet, um die Spannung in einer Schaltung zu regulieren.

Wie Dioden den Spannungsabfall regulieren

Wenn wir eine Diode und einen Widerstand in Reihe mit einer Gleichspannungsquelle schalten, so dass die Diode in Durchlassrichtung vorgespannt ist, bleibt der Spannungsabfall an der Diode über einen weiten Bereich von Versorgungsspannungen ziemlich konstant, wie in Abbildung (a) unten gezeigt.

Der Strom durch einen in Vorwärtsrichtung vorgespannten PN-Übergang ist proportional zu e auf die Potenz des Durchlassspannungsabfalls angehoben. Da es sich um eine Exponentialfunktion handelt, steigt der Strom bei moderaten Anstiegen des Spannungsabfalls ziemlich schnell an.

Eine andere Möglichkeit, dies zu berücksichtigen, besteht darin, zu sagen, dass sich die an einer in Durchlassrichtung vorgespannten Diode abfallende Spannung bei großen Schwankungen des Diodenstroms wenig ändert. In der in Abbildung (a) unten gezeigten Schaltung wird der Diodenstrom durch die Spannung der Stromversorgung, den Serienwiderstand und den Spannungsabfall der Diode begrenzt, der, wie wir wissen, nicht viel von 0,7 Volt variiert.

Si-Referenz in Vorwärtsrichtung:(a) einzelne Diode, 0,7 V, (b) 10-Dioden in Reihe 7,0 V.

Wenn die Versorgungsspannung erhöht würde, würde der Spannungsabfall des Widerstands fast um den gleichen Betrag ansteigen und die Spannung der Diode würde nur geringfügig abfallen. Umgekehrt würde eine Abnahme der Versorgungsspannung zu einer fast gleichen Abnahme des Widerstandsspannungsabfalls führen, mit nur einer geringfügigen Abnahme des Diodenspannungsabfalls.

Kurz gesagt, wir könnten dieses Verhalten zusammenfassen, indem wir sagen, dass die Diode reguliert der Spannungsabfall bei ungefähr 0,7 Volt.

Die Verwendung der Spannungsregelung

Die Spannungsregelung ist eine nützliche Diodeneigenschaft, die es zu nutzen gilt. Angenommen, wir bauen eine Art Schaltung, die Schwankungen der Versorgungsspannung nicht tolerieren kann, sondern von einer chemischen Batterie gespeist werden muss, deren Spannung sich im Laufe ihrer Lebensdauer ändert. Wir könnten eine Schaltung wie oben gezeigt bilden und die Schaltung anschließen, die eine konstante Spannung an der Diode benötigt, wo sie unveränderte 0,7 Volt erhält.

Dies würde sicherlich funktionieren, aber die meisten praktischen Schaltungen jeglicher Art erfordern eine Stromversorgungsspannung von mehr als 0,7 Volt, um richtig zu funktionieren. Eine Möglichkeit, unseren Spannungsregelpunkt zu erhöhen, besteht darin, mehrere Dioden in Reihe zu schalten, so dass ihre einzelnen Durchlassspannungsabfälle von jeweils 0,7 Volt addieren würden, um eine größere Summe zu erzeugen.

In unserem obigen Beispiel [Abbildung(b)] beispielsweise, wenn wir zehn Dioden in Reihe hätten, wäre die geregelte Spannung das Zehnfache von 0,7 oder 7 Volt.

Solange die Batteriespannung nie unter 7 Volt absinkt, fallen immer etwa 7 Volt über den Zehn-Dioden-„Stack“ ab.

Wie Zenerdioden die Spannung regulieren

Wenn größere geregelte Spannungen erforderlich sind, könnten wir entweder mehr Dioden in Reihe verwenden (meiner Meinung nach eine unelegante Option) oder einen grundlegend anderen Ansatz versuchen.

Wir wissen, dass die Durchlassspannung von Dioden unter einer Vielzahl von Bedingungen ein ziemlich konstanter Wert ist, aber auch die Durchbruchspannung in Sperrrichtung Die Durchbruchspannung ist normalerweise viel, viel höher als die Durchlassspannung.

Wenn wir die Polarität der Diode in unserer Einzeldioden-Reglerschaltung umkehrten und die Versorgungsspannung bis zu dem Punkt erhöhten, an dem die Diode „zusammenbrach“ (das heißt, sie könnte der über ihr angelegten Sperrspannung nicht mehr standhalten), die Diode würde in ähnlicher Weise die Spannung an diesem Durchbruchspunkt regulieren und nicht zulassen, dass sie weiter ansteigt. Dies ist in Abbildung (a) unten dargestellt.

(a) In Sperrrichtung vorgespannte Si-Kleinsignaldiode bricht bei etwa 100 V durch. (b) Symbol für Zener-Diode.

Wenn normale Gleichrichterdioden „zusammenbrechen“, tun sie dies leider normalerweise destruktiv. Es ist jedoch möglich, einen speziellen Diodentyp zu bauen, der einen Durchbruch bewältigen kann, ohne vollständig zu versagen. Diese Art von Diode wird als Zener-Diode bezeichnet , und sein Symbol ist in der Abbildung (b) oben gezeigt.

Zener-Dioden verhalten sich in Durchlassrichtung ähnlich wie Standard-Gleichrichterdioden:Sie haben einen Durchlassspannungsabfall, der der „Diodengleichung“ folgt und etwa 0,7 Volt beträgt. Im Sperrspannungsmodus leiten sie nicht, bis die angelegte Spannung die sogenannte Zenerspannung erreicht oder überschreitet , an welchem ​​Punkt die Diode in der Lage ist, einen beträchtlichen Strom zu leiten, und versucht dabei, die an ihr abfallende Spannung auf diesen Zener-Spannungspunkt zu begrenzen.

Solange die Verlustleistung dieses Sperrstroms die thermischen Grenzen der Diode nicht überschreitet, wird die Diode nicht beschädigt. Aus diesem Grund werden Zener-Dioden manchmal als „Durchbruchsdioden“ bezeichnet.

Zener-Dioden-Schaltung

Zener-Dioden werden mit Zener-Spannungen hergestellt, die von einigen Volt bis zu Hunderten von Volt reichen. Diese Zenerspannung ändert sich leicht mit der Temperatur und kann wie übliche Werte für Widerstände aus Kohlenstoffzusammensetzung zwischen 5 und 10 Prozent von den Herstellerspezifikationen abweichen. Diese Stabilität und Genauigkeit ist jedoch im Allgemeinen gut genug, damit die Zener-Diode in der folgenden Abbildung als Spannungsregler in einer gemeinsamen Stromversorgungsschaltung verwendet werden kann.

Zener-Dioden-Reglerschaltung, Zener-Spannung =12,6 V).

Betrieb der Zener-Diode Bitte beachten Sie die Ausrichtung der Zener-Diode in der obigen Schaltung:Die Diode ist in Sperrrichtung vorgespannt , und zwar absichtlich. Wenn wir die Diode „normal“ ausgerichtet hätten, um in Durchlassrichtung vorgespannt zu sein, würde sie nur 0,7 Volt abfallen, genau wie eine normale Gleichrichterdiode. Wenn wir die Sperrwirkungseigenschaften dieser Diode ausnutzen wollen, müssen wir sie im Sperrspannungsmodus betreiben. Solange die Versorgungsspannung über der Zener-Spannung bleibt (in diesem Beispiel 12,6 Volt), bleibt die über der Zener-Diode abfallende Spannung bei ungefähr 12,6 Volt.

Wie jedes Halbleiterbauelement ist die Zenerdiode temperaturempfindlich. Eine zu hohe Temperatur zerstört eine Zenerdiode, und da sie sowohl die Spannung absenkt als auch Strom leitet, erzeugt sie gemäß dem Jouleschen Gesetz (P=IE) ihre eigene Wärme. Daher ist darauf zu achten, dass die Reglerschaltung so ausgelegt ist, dass die Verlustleistung der Diode nicht überschritten wird. Interessanterweise fallen Zener-Dioden, wenn sie aufgrund übermäßiger Verlustleistung ausfallen, normalerweise kurzgeschlossen . aus eher als offen. Eine auf diese Weise ausgefallene Diode wird leicht erkannt:Sie fällt fast auf Null, wenn sie in beide Richtungen vorgespannt wird, wie ein Stück Draht.

Mathematische Analyse der Zenerdioden-Regelschaltung

Lassen Sie uns einen Zener-Dioden-Regelkreis mathematisch untersuchen und alle Spannungen, Ströme und Verlustleistungen bestimmen. Wir nehmen die gleiche Schaltungsform wie zuvor gezeigt an und führen Berechnungen unter der Annahme einer Zenerspannung von 12,6 Volt, einer Versorgungsspannung von 45 Volt und einem Vorwiderstandswert von 1000 Ω durch (wir betrachten die Zenerspannung als genau 12,6 Volt, um zu vermeiden, dass alle Zahlen in Abbildung (a) unten als „ungefähr“ bezeichnet werden müssen

Wenn die Spannung der Zener-Diode 12,6 Volt beträgt und die Spannung des Netzteils 45 Volt beträgt, fallen 32,4 Volt am Widerstand ab (45 Volt - 12,6 Volt =32,4 Volt). 32,4 Volt, die über 1000 Ω fallen, ergeben 32,4 mA Strom in der Schaltung. (Abbildung unten (b))

(a) Zenerspannungsregler mit 1000 Ω Widerstand. (b) Berechnung von Spannungsabfällen und Strom.

Die Leistung wird berechnet, indem Strom mit Spannung multipliziert wird (P=IE), sodass wir die Verlustleistung sowohl für den Widerstand als auch für die Zener-Diode ganz einfach berechnen können:

Eine Zener-Diode mit einer Nennleistung von 0,5 Watt wäre ausreichend, ebenso wie ein Widerstand mit einer Nennleistung von 1,5 oder 2 Watt Verlustleistung.

Zener-Dioden-Schaltung mit höheren Widerständen

Wenn eine übermäßige Verlustleistung schädlich ist, warum dann nicht die Schaltung für die geringstmögliche Verlustleistung konzipieren? Warum nicht einfach den Widerstand für einen sehr hohen Widerstandswert dimensionieren, wodurch der Strom stark begrenzt und die Verlustleistung sehr niedrig gehalten wird? Nehmen Sie diese Schaltung zum Beispiel mit einem 100-k-Widerstand anstelle eines 1-kΩ-Widerstands. Beachten Sie, dass sowohl die Versorgungsspannung als auch die Zenerspannung der Diode in der folgenden Abbildung mit dem letzten Beispiel identisch sind:

Zenerregler mit 100 kΩ Widerstand.

Mit nur 1/100 des bisherigen Stroms (324 µA statt 32,4 mA) sollten beide Verlustleistungen 100-mal kleiner sein:

Überlegungen zum Lastwiderstand

Scheint ideal, nicht wahr? Weniger Verlustleistung bedeutet niedrigere Betriebstemperaturen sowohl für die Diode als auch für den Widerstand und auch weniger Energieverschwendung im System, richtig? Ein höherer Widerstandswert macht die Verlustleistung in der Schaltung zu reduzieren, aber leider führt dies zu einem anderen Problem. Denken Sie daran, dass der Zweck einer Reglerschaltung darin besteht, eine stabile Spannung für eine andere Schaltung . bereitzustellen . Mit anderen Worten, wir werden irgendwann etwas mit 12,6 Volt versorgen, und dieses Etwas wird eine eigene Stromaufnahme haben.

Erwägung des abfallenden Widerstands mit niedrigerem Wert

Betrachten Sie unsere erste Reglerschaltung, diesmal mit einer 500--Last, die in der Abbildung unten parallel zur Zener-Diode geschaltet ist.

Zenerregler mit 1000 Ω Vorwiderstand und 500 Ω Last.

Wenn 12,6 Volt an einer 500--Last aufrechterhalten werden, zieht die Last 25,2 mA Strom. Damit der "abfallende" Widerstand der 1-kΩ-Serie 32,4 Volt absenkt (wodurch die Spannung des Netzteils von 45 Volt auf 12,6 über dem Zener reduziert wird), muss er immer noch 32,4 mA Strom leiten. Dadurch bleiben 7,2 mA Strom durch die Zener-Diode.

Berücksichtigung eines höheren Wertabfallwiderstands

Betrachten Sie nun unsere „stromsparende“ Reglerschaltung mit dem 100-kΩ-Vorwiderstand, der dieselbe 500--Last mit Strom versorgt. Was es tun soll, ist 12,6 Volt über der Last aufrechtzuerhalten, genau wie der letzte Stromkreis. Wie wir jedoch sehen werden, kann es nicht diese Aufgabe erfüllen. (Abbildung unten)

Zener-Nicht-Regler mit 100 KΩ Vorwiderstand bei 500 Ω Last.>

Mit dem größeren Vorwiderstandswert liegen nur etwa 224 mV Spannung an der 500--Last an, weit weniger als der erwartete Wert von 12,6 Volt! Warum ist das? Wenn wir tatsächlich 12,6 Volt an der Last hätten, würde sie wie zuvor 25,2 mA Strom ziehen. Dieser Laststrom müsste wie zuvor durch den vorgeschalteten Vorwiderstand fließen, aber mit einem neuen (viel größeren!) Vorwiderstand würde die Spannung über diesem Widerstand bei 25,2 mA Strom durch ihn abfallen 2.520 Volt! Da wir natürlich nicht so viel Spannung von der Batterie haben, kann dies nicht passieren.

Analyse mit höherem Abfallwiderstand ohne Zenerdiode

Die Situation ist einfacher zu verstehen, wenn wir die Zener-Diode vorübergehend aus dem Stromkreis entfernen und das Verhalten der beiden Widerstände allein in der Abbildung unten analysieren.

Nicht-Regler mit entferntem Zener.

Sowohl der 100-kΩ-Vorwiderstand als auch der 500--Lastwiderstand sind in Reihe geschaltet, was einen Gesamtwiderstand von 100,5 kΩ ergibt. Bei einer Gesamtspannung von 45 Volt und einem Gesamtwiderstand von 100,5 kΩ sagt uns das Ohmsche Gesetz (I=E/R), dass der Strom 447,76 µA beträgt. Wenn wir die Spannungsabfälle an beiden Widerständen (E =IR) berechnen, kommen wir auf 44,776 Volt bzw. 224 mV.

Wenn wir die Zener-Diode an dieser Stelle neu installieren würden, würde sie auch 224 mV darüber „sehen“, parallel zum Lastwiderstand. Dies liegt weit unter der Zener-Durchbruchspannung der Diode und wird daher nicht "durchschlagen" und Strom leiten. Übrigens würde die Diode bei dieser niedrigen Spannung nicht leiten, selbst wenn sie in Durchlassrichtung vorgespannt wäre! Somit hört die Diode auf, die Spannung zu regulieren. Zum „Aktivieren“ müssen mindestens 12,6 Volt anliegen.

Die analytische Technik, eine Zener-Diode aus einem Stromkreis zu entfernen und zu sehen, ob genügend Spannung vorhanden ist, um sie leiten zu lassen, ist solide. Nur weil eine Zener-Diode in einen Stromkreis geschaltet ist, ist nicht garantiert, dass immer die volle Zener-Spannung daran abfällt! Denken Sie daran, dass Zener-Dioden durch Begrenzen work funktionieren Spannung bis zu einem bestimmten Höchstwert; sie können sich nicht schminken bei Spannungsmangel.

Regel für den Betrieb der Zener-Dioden-Regelung

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass jeder Zener-Dioden-Regelkreis funktioniert, solange der Widerstand der Last gleich oder größer als ein Mindestwert ist. Wenn der Lastwiderstand zu niedrig ist, zieht er zu viel Strom, lässt zu viel Spannung über den vorgeschalteten Vorwiderstand ab, so dass nicht genügend Spannung an der Zener-Diode verbleibt, um sie leitend zu machen. Wenn die Zener-Diode keinen Strom mehr leitet, kann sie die Spannung nicht mehr regulieren und die Lastspannung sinkt unter den Regulierungspunkt.

Berechnung des Lastwiderstands für bestimmte Fallwiderstände

Unsere Reglerschaltung mit dem 100-kΩ-Vorwiderstand muss jedoch für einen bestimmten Lastwiderstandswert gut sein. Um diesen akzeptablen Lastwiderstandswert zu finden, können wir den Widerstand in der Reihenschaltung mit zwei Widerständen (keine Diode) anhand einer Tabelle berechnen, indem wir die bekannten Werte der Gesamtspannung und des Vorwiderstandswiderstands einsetzen und eine erwartete Lastspannung von 12,6 Volt berechnen :

Bei einer Gesamtspannung von 45 Volt und 12,6 Volt an der Last sollten 32,4 Volt an R_Abfall sein :

Bei 32,4 Volt am Vorwiderstand und einem Widerstandswert von 100 kΩ beträgt der durch ihn fließende Strom 324 µA:

Da es sich um eine Reihenschaltung handelt, ist der Strom durch alle Komponenten zu jedem Zeitpunkt gleich:

Die Berechnung des Lastwiderstands ist jetzt eine einfache Angelegenheit des Ohmschen Gesetzes (R =E/I), was uns 38,889 kΩ ergibt:

Wenn der Lastwiderstand also genau 38,889 kΩ beträgt, liegen 12,6 Volt darüber an, Diode oder keine Diode. Jeder Lastwiderstand kleiner als 38,889 kΩ führt zu einer Lastspannung von weniger als 12,6 Volt, Diode oder keine Diode. Wenn die Diode vorhanden ist, wird die Lastspannung auf maximal 12,6 Volt für jeden Lastwiderstand größer . geregelt als 38,889 kΩ.

Mit dem ursprünglichen Wert von 1 kΩ für den Vorwiderstand konnte unsere Reglerschaltung die Spannung auch bei einem Lastwiderstand von nur 500 ausreichend regeln. Was wir sehen, ist ein Kompromiss zwischen Verlustleistung und akzeptablem Lastwiderstand. Der höherwertige Vorwiderstand lieferte uns weniger Verlustleistung, auf Kosten der Erhöhung des akzeptablen minimalen Lastwiderstandswerts. Wenn wir die Spannung für niedrige Lastwiderstände regulieren möchten, muss die Schaltung auf eine höhere Verlustleistung vorbereitet sein.

Wie Zenerdioden die Spannungsregelung durchführen

Zener-Dioden regulieren die Spannung, indem sie als komplementäre Lasten wirken und je nach Bedarf mehr oder weniger Strom ziehen, um einen konstanten Spannungsabfall an der Last zu gewährleisten. Dies ist vergleichbar mit der Regulierung der Geschwindigkeit eines Autos durch Bremsen und nicht durch Variieren der Gashebelposition:Es ist nicht nur verschwenderisch, sondern die Bremsen müssen auch so gebaut sein, dass sie die gesamte Motorleistung verarbeiten, wenn die Fahrbedingungen dies nicht erfordern.

Trotz dieser grundlegenden Ineffizienz des Designs werden Zener-Dioden-Reglerschaltungen aufgrund ihrer Einfachheit weit verbreitet verwendet. Bei Hochleistungsanwendungen, bei denen die Ineffizienzen nicht akzeptabel wären, werden andere spannungsregulierende Techniken angewendet. Aber selbst dann werden oft kleine Zener-basierte Schaltungen verwendet, um eine „Referenz“-Spannung bereitzustellen, um eine effizientere Verstärkerschaltung anzusteuern, die die Hauptleistung steuert.

Gemeinsame Zenerdiodenspannungen

Zenerdioden werden in den in der folgenden Tabelle aufgeführten Standardspannungswerten hergestellt. In der Tabelle „Gemeinsame Zenerdiodenspannungen“ sind die gängigen Spannungen für 0,3 W- und 1,3 W-Teile aufgeführt. Die Wattzahl entspricht der Chip- und Gehäusegröße und ist die Leistung, die die Diode ohne Schaden ableiten kann.

Gemeinsame Zenerdiodenspannungen

0.5W 2.7V3.0V3.3V3.6V3.9V4.3V4.7V5.1V5.6V6.2V6.8V7.5V8.2V9.1V10V11V12V13V15V16V18V20V24V27V30V 1.3W 4.7V5.1V5.6V6.2V6.8V7.5V8.2V9.1V10V11V12V13V15V16V18V20V22V24V36V30V33

Zenerdioden-Clipper: Eine Abschneideschaltung, die die Spitzen der Wellenform bei ungefähr der Zenerspannung der Dioden abschneidet. Die Schaltung der Abbildung unten hat zwei Zener, die in Reihe geschaltet sind, um eine Wellenform bei fast der Zenerspannung symmetrisch zu beschneiden. Der Widerstand begrenzt den von den Zenern gezogenen Strom auf einen sicheren Wert.

*SPICE 03445.eps D1 4 0 Diode D2 4 2 Diode R1 2 1 1.0k V1 1 0 SIN(0 20 1k) .Modell Diode d bv=10 .tran 0.001m 2m .end 

Zenerdioden-Clipper:

Die Zener-Durchbruchspannung für die Dioden wird durch den Diodenmodellparameter „bv=10“ in der Gewürznetzliste in Abbildung oben auf 10 V eingestellt. Dies führt dazu, dass die Zeners bei etwa 10 V abschneiden. Die Back-to-Back-Dioden schneiden beide Spitzen ab. Für eine positive Halbwelle ist der obere Zener in Sperrrichtung vorgespannt und bricht bei der Zenerspannung von 10 V zusammen. Der untere Zener fällt um ungefähr 0,7 V ab, da er in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist. Somit ist ein genauerer Clipping-Pegel 10 + 0,7 =10,7 V. Ein ähnliches negatives Halbzyklus-Clipping tritt bei -10,7 V auf. (Abbildung unten) zeigt den Clipping-Pegel bei etwas über ±10 V.

Zenerdioden-Clipper:Der Eingang v(1) wird bei der Wellenform v(2) abgeschnitten.

RÜCKBLICK:

• Zenerdioden sind für den Betrieb in Sperrrichtung ausgelegt und bieten einen relativ niedrigen, stabilen Durchbruch, oder Zener Spannung, bei der sie beginnen, erheblichen Rückstrom zu leiten.
• Eine Zener-Diode kann als Spannungsregler fungieren, indem sie als Zusatzlast fungiert und mehr Strom aus der Quelle zieht, wenn die Spannung zu hoch ist, und weniger, wenn sie zu niedrig ist.

VERWANDTE ARBEITSBLÄTTER:

• Zenerdioden-Arbeitsblatt
• Designprojekt:Arbeitsblatt DC-Spannungsregler