דיודות זנר

מבוא

דיודות בדרך כלל ידועות כמכשיר המאפשר את זרימת הזרם לכיוון אחד (מוטה קדימה) ומציע עמידות לזרימת הזרם כאשר משתמשים בהטיה הפוכה. דיודת זנר (על שם המדען האמריקני סי. זנר שהסביר לראשונה את עקרונותיה המבצעיים), לעומת זאת, לא רק מאפשרת זרימת זרם כאשר משתמשים בהטיה קדימה, אלא גם מאפשרות זרימת זרם כאשר משתמשים בהטיה הפוכה עד כה המתח המופעל נמצא מעל מתח הפירוק המכונה מתח התמוטטות של זנר. או במילים אחרות מתח התמוטטות הוא המתח שעליו דיודת זנר מתחילה להתנהל בכיוון ההפוך.

העיקרון המבצעי של דיודת זנר:

בדיודות רגילות מתח הפירוק גבוה מאוד והדיודה נפגעת לחלוטין אם מוחל מתח מעל דיודת הפירוק, אך בדיודות זנר מתח הפירוק אינו גבוה ואינו מוביל לנזק קבוע של דיודת הזנר אם המתח מופעל.

כאשר המתח ההפוך המופעל על דיודת הזנר עולה לכיוון מתח ההתמוטט שצוין (Vz), מתחיל לזרום זרם דרך הדיודה וזרם זה מכונה זרם הזנר ותהליך זה מכונה פירוק מפולת . הזרם עולה למקסימום ומתייצב. זרם זה נשאר קבוע בטווח הרחב יותר של המתח המופעל ומאפשר לדיודת זנר לעמוד במתח גבוה יותר מבלי להיפגע. זרם זה נקבע על ידי הנגד הסדרה.

שקול את התמונות למטה של דיודה רגילה בפעולה.

כדי להציג את פעולות דיודת הזנר, שקול את שני הניסויים (A ו- B) להלן.

בשנת ניסוי, דיודה זנר 12V מחובר ב אירועים הפוך מוטה כמוצג בתמונה ניתן לראות כי דיודת זנר חסמו את מתח יעיל כי זה היה פחות / שווה למתח פירוט של דיודת זנר בפרט ואת המנורה ובכך נשאר בחוץ.

בשנת הניסוי B, A 6V זנר דיודה בשימוש מנהלת (הנורה נדלקת) ב מוטה לאחור בגלל המתח המיושם עולה מתח הפירוט שלה ובכך מראה כי באזור הפירוק הוא באזור הפעילות של דיודת הזנר.

עקומת מאפיין הנוכחי מתח של דיודת זנר מוצג למטה.

מהגרף ניתן להסיק כי דיודת הזנר המופעלת במצב הטיה לאחור תהיה בעלת מתח קבוע למדי ללא קשר לכמות הזרם המסופקת.

יישומים של דיודת זנר:

דיודות זנר משמשות בשלושה יישומים עיקריים במעגלים אלקטרוניים;

1. ויסות מתח

2. גוזז צורת גל

3. ממתח מתח

1. דיודת זנר כמווסת מתח

זה ללא ספק היישום הנפוץ ביותר של דיודות זנר.

יישום זה של דיודות הזנר מסתמך במידה רבה על היכולת של דיודות הזנר לשמור על מתח קבוע ללא קשר לשינויים בזרם האספקה ​​או העומס. תפקידו הכללי של מכשיר לוויסות מתח הוא לספק מתח יציאה קבוע לעומס המחובר במקביל אליו ללא קשר לשינויים באנרגיה הנמשכת על ידי העומס (עומס זרם) או וריאציות וחוסר יציבות במתח האספקה.

דיודת זנר תספק מתח קבוע בתנאי שהזרם יישאר בטווח הזרם ההפוך המרבי והמינימלי.

תרשים המעגל המציג את דיודת זנר המשמשת כווסת מתח מוצג להלן.

נגד, R1 מחובר בסדרה עם דיודת הזנר כדי להגביל את כמות הזרם הזורם דרך הדיודה ומתח הכניסה Vin (אשר חייב להיות גדול ממתח הזנר) מחובר לרוחב כמוצג בתמונה ומתח המוצא Vout, נלקח על פני דיודת הזנר עם Vout = Vz (Zener Voltage). מכיוון שמאפייני ההטיה ההפוכה של דיודת הזנר הם הדרושים לוויסות המתח, היא מחוברת במצב הטיה הפוכה, כאשר הקתודה מחוברת למסילה החיובית של המעגל.

יש לנקוט בזהירות בבחירת ערך הנגד R1, מכיוון שנגד בעל ערך קטן יביא לזרם דיודה גדול כאשר העומס מחובר וזה יגדיל את דרישת פיזור ההספק של הדיודה שעלולה להיות גבוהה יותר מדירוג ההספק המרבי של את הזנר ועלול לפגוע בו.

ניתן לקבוע את ערך הנגד לשימוש באמצעות הנוסחה הבאה.

R ₁ = (V _in - V _Z) / I _Z איפה; R1 הוא ערך התנגדות הסדרה. וין הוא מתח הכניסה. Vz שזהה ל- Vout הוא מתח הזנר ואיז הוא זרם הזנר.

על ידי שימוש בנוסחה זו הופך קל להבטיח שערך הנגד שנבחר אינו מוביל לזרימת זרם גבוהה ממה שהזנר יכול להתמודד איתו.

בעיה אחת קטנה שחווה במעגלי הרגולטור המבוססים על דיודות זנר היא שלפעמים הזנר מייצר רעש חשמלי על מסילת האספקה ​​תוך שהוא עושה ניסיונות לווסת את מתח הכניסה. אמנם זה לא יכול להיות בעיה עבור מרבית היישומים, אך בעיה זו עשויה להיפתר על ידי הוספת קבלים לניתוק ערך רב על פני הדיודה. זה עוזר לייצב את תפוקת הזנר.

2. דיודת זנר כגוזז צורת הגל

אחד השימושים בדיודות רגילות הוא ביישום מעגלי גזירה והידוק שהם מעגלים המשמשים לעיצוב או שינוי של צורת גל קלט או אות קלט, המייצרים אות יציאה בצורת שונה בהתאם למפרט הקוצץ או המהדק.

מעגלי גזירה באופן כללי הם מעגלים המשמשים למניעת מעבר היציאה של מעגל מעבר לערך המתח שנקבע מראש מבלי לשנות שום חלק אחר של אות הכניסה או צורת הגל.

מעגלים אלה יחד עם מהדקים נמצאים בשימוש נרחב במשדרי רדיו טלוויזיה אנלוגיים ו FM עבור הסרת הפרעות (מעגלי הידוק) והגבלת פסגות הרעש על ידי גזירת פסגות גבוהות.

מכיוון שדיודות זנר מתנהגות באופן כללי כמו דיודות רגילות כאשר המתח המיושם אינו שווה למתח הפירוק, הן משמשות כך גם במעגלי גזירה.

מעגלי גזירה יכולים להיות מתוכננים כך שהם יצלמו את האות באזורים החיוביים, השליליים או בשני האזורים. למרות שהדיודה באופן טבעי תפסיק את האזור האחר ב -0.7 וולט ללא קשר לשאלה אם היא תוכננה כגוזז חיובי או שלילי.

לדוגמה, שקול את המעגל להלן.

מעגל הקליפר נועד לקצץ את אות הפלט ב -6.2 וולט, ולכן נעשה שימוש בדיודת זנר 6.2V. דיודת הזנר מונעת מאות המוצא לעבור את מתח הזנר ללא קשר לצורת גל הקלט. לדוגמא ספציפית זו נעשה שימוש במתח כניסה של 20 וולט ומתח המוצא בתנופה החיובית היה 6.2 וול בקנה אחד עם המתח של דיודת הזנר. אולם במהלך התנודה השלילית של מתח ה- AC, דיודת הזנר מתנהגת בדיוק כמו הדיודה הרגילה וקובצת את מתח המוצא ב -0.7 וולט, בהתאם לדיודות סיליקון רגילות.

כדי ליישם את מעגל החיתוך לתנופה השלילית של מעגל ה- AC כמו גם את הנדנדה החיובית באופן שהמתח נחתך ברמות שונות בתנופה החיובית והשלילית, משתמשים במעגל גזירה כפול. תרשים המעגל למעגל הגזירה הכפול של זנר מוצג להלן.

במעגל החיתוך שלמעלה, המתח Vz2 מייצג את המתח בתנופה השלילית של מקור ה- AC בו רצוי לקצץ את אות הפלט, ואילו המתח Vz1 מייצג את המתח על הנדנדה החיובית של מקור ה- AC בו מתח היציאה רצוי לגזוז.

3. דיודת זנר כמתח מתח

ממתח המתח הוא אחד היישומים הפשוטים אך המעניינים ביותר של דיודת הזנר. אם היה לך ניסיון במיוחד בחיבור חיישן 3.3V ל- MCU 5V, וראית ממקור ראשון את השגיאות בקריאות וכו ', שהדבר יכול להוביל אליהן תבין את החשיבות של מעברי מתח. מעברי מתח מסייעים בהמרת אות ממתח אחד למשנהו ועם יכולת דיודת הזנר לשמור על מתח יציאה יציב באזור ההתמוטטות, זה הופך אותם לרכיב אידיאלי לפעולה.

In a מחלף מתח המבוססת דיודת זנר, המעגל, מוריד את מתח המוצא, לפי ערך שווה למתח הפירוט של דיודת זנר המסוימת משמשת. תרשים המעגל לממתח המתואר מוצג להלן.

שקול את הניסוי להלן,

המעגל מתאר מעביר מתח מבוסס דיודה זנר 3.3v. מתח המוצא (3.72V) של המעגל ניתן על ידי הפחתת מתח ההתמוטטות (3.3V) של דיודת הזנר ממתח הכניסה (7V).

Vout = Vin –Vz

Vout = 7 - 3.3 = 3.7v

ממתח המתח, כפי שתואר קודם לכן, כולל מספר יישומים בתכנון מעגלים אלקטרוניים מודרניים מכיוון שמהנדס התכנון עשוי להצטרך לעבוד עם עד שלוש רמת מתח שונות לפעמים במהלך תהליך התכנון.

סוגי דיודות זנר:

דיודות זנר מסווגות לסוגים המבוססים על מספר פרמטרים הכוללים;

1. מתח נומינלי
2. פיזור כוח
3. זרם הכונן קדימה
4. מתח קדימה
5. סוג האריזה
6. זרם הפוך מרבי

מתח נומינלי

מתח הפעולה הנומינלי של דיודת זנר ידוע גם כמתח פירוק של דיודת הזנר, תלוי ביישום שעבורו יש להשתמש בדיודה, לרוב זה הקריטריונים החשובים ביותר לבחירת דיודות זנר.

פיזור כוח

זה מייצג את כמות הכוח המרבית שזרם הזנר יכול להפיץ. חריגה מדירוג הספק זה מובילה לעלייה מוגזמת בטמפרטורת דיודת הזנר שעלולה לפגוע בה ולהוביל לכשל של הדברים המחוברים אליה במעגל. לכן יש לקחת בחשבון גורם זה בבחירת הדיודה תוך התחשבות בשימוש.

זרם זנר מרבי

זהו הזרם המרבי שניתן להעביר דרך דיודת הזנר במתח הזנר מבלי לפגוע בהתקן.

זרם זנר מינימלי

הכוונה לזרם המינימלי הנדרש לדיודת הזנר להתחיל לפעול באזור ההתמוטטות.

פרמטרים אחרים המשמשים כמפרט לדיודה, כולם צריכים להילקח בחשבון באופן מלא לפני שתתקבל החלטה על סוג הסוג של דיודת הזנר הדרושה לאותו עיצוב מוזר.

סיכום:

להלן 5 נקודות שאסור לך לשכוח את דיודת הזנר.

1. דיודת זנר היא כמו דיודה רגילה רק שהיא סוממה כדי שיהיה לה מתח פירוק חד.
2. דיודת הזנר שומרת על מתח יציאה יציב ללא קשר למתח הכניסה בתנאי שזרם הזנר המרבי לא יחרוג.
3. כאשר היא מחוברת בהטיה קדימה, דיודת הזנר מתנהגת בדיוק כמו דיודת הסיליקון הרגילה. הוא מוליך באותה ירידת מתח של 0.7 וולט המלווה את השימוש בדיודה הרגילה.
4. מצב הפעולה המוגדר כברירת מחדל של דיודת הזנר הוא באזור ההתמוטטות (מוטה הפוכה). פירוש הדבר שהוא מתחיל לעבוד כאשר המתח המיושם גבוה ממתח זנר במוטה הפוכה.
5. דיודת הזנר משמשת בעיקר ביישומים הכוללים, ויסות מתח, מעגלי גזירה ומעברי מתח.