Μια δίοδος ημιαγωγών έχει πολλά "επαγγέλματα". Μπορεί να διορθώσει την τάση, να λύσει ηλεκτρικά κυκλώματα, να προστατεύσει τον εξοπλισμό από ακατάλληλη παροχή ρεύματος. Αλλά υπάρχει ένα όχι αρκετά συνηθισμένο είδος "εργασίας" της διόδου, όταν η ιδιότητα της μονόδρομης αγωγιμότητας χρησιμοποιείται πολύ έμμεσα. Μια συσκευή ημιαγωγών για την οποία η κανονική λειτουργία είναι αντίστροφη πόλωση ονομάζεται δίοδος zener.
Περιεχόμενο
Τι είναι η δίοδος zener, πού χρησιμοποιείται και τι είναι
Μια δίοδος zener, ή μια δίοδος Zener (που πήρε το όνομά της από έναν Αμερικανό επιστήμονα που ήταν ο πρώτος που μελέτησε και περιέγραψε τις ιδιότητες αυτής της συσκευής ημιαγωγών), είναι μια συμβατική δίοδος με διασταύρωση p-n.Το χαρακτηριστικό του είναι η εργασία στο τμήμα του χαρακτηριστικού με αρνητική προκατάληψη, δηλαδή όταν η τάση εφαρμόζεται σε αντίστροφη πολικότητα. Μια τέτοια δίοδος χρησιμοποιείται ως ανεξάρτητος σταθεροποιητής που διατηρεί σταθερή την τάση του καταναλωτή, ανεξάρτητα από τις αλλαγές στο ρεύμα φορτίου και τις διακυμάνσεις στην τάση εισόδου. Επίσης, οι κόμβοι στις διόδους zener χρησιμοποιούνται ως πηγές τάσης αναφοράς για άλλους σταθεροποιητές με ανεπτυγμένο κύκλωμα. Λιγότερο συχνά, μια αντίστροφη δίοδος χρησιμοποιείται ως στοιχείο διαμόρφωσης παλμών ή προστατευτικό υπέρτασης.
Υπάρχουν συμβατικές δίοδοι zener και δίοδοι δύο ανόδου. Μια δίοδος zener δύο ανόδου είναι δύο δίοδοι συνδεδεμένες πλάτη με πλάτη σε ένα περίβλημα. Μπορεί να αντικατασταθεί από δύο ξεχωριστές συσκευές, συμπεριλαμβανομένων αυτών σύμφωνα με το κατάλληλο σχέδιο.
Χαρακτηριστικό Volt-ampere της διόδου zener και η αρχή λειτουργίας της
Για να κατανοήσουμε την αρχή λειτουργίας μιας διόδου zener, είναι απαραίτητο να μελετήσουμε το τυπικό χαρακτηριστικό ρεύματος-τάσης της (CVC).
Εάν εφαρμοστεί τάση στο zener προς τα εμπρός, όπως σε μια συμβατική δίοδο, τότε θα συμπεριφέρεται σαν μια συμβατική δίοδος. Σε τάση περίπου 0,6 V (για συσκευή πυριτίου), θα ανοίξει και θα εισέλθει στο γραμμικό τμήμα του χαρακτηριστικού I–V. Στο θέμα του άρθρου, η συμπεριφορά μιας διόδου zener είναι πιο ενδιαφέρουσα όταν εφαρμόζεται τάση αντίστροφης πολικότητας (αρνητικός κλάδος του χαρακτηριστικού). Πρώτον, η αντίστασή του θα αυξηθεί απότομα και η συσκευή θα σταματήσει να περνάει ρεύμα. Αλλά όταν επιτευχθεί μια ορισμένη τιμή τάσης, θα συμβεί μια απότομη αύξηση του ρεύματος, που ονομάζεται διάσπαση. Έχει χαρακτήρα χιονοστιβάδας και εξαφανίζεται μετά την αφαίρεση του ρεύματος.Εάν συνεχίσετε να αυξάνετε την αντίστροφη τάση, τότε η διασταύρωση p-n θα αρχίσει να θερμαίνεται και θα εισέλθει στη λειτουργία θερμικής διάσπασης. Η θερμική διάσπαση είναι μη αναστρέψιμη και σημαίνει αστοχία της διόδου zener, επομένως δεν πρέπει να βάλετε τη δίοδο σε αυτή τη λειτουργία.
Μια ενδιαφέρουσα περιοχή λειτουργίας μιας συσκευής ημιαγωγών σε λειτουργία κατάρρευσης χιονοστιβάδας. Το σχήμα του είναι κοντά στο γραμμικό και έχει μεγάλη κλίση. Αυτό σημαίνει ότι με μια μεγάλη αλλαγή στο ρεύμα (ΔI), η αλλαγή στην πτώση τάσης στη δίοδο zener είναι σχετικά μικρή (ΔU). Και αυτό είναι σταθεροποίηση.
Αυτή η συμπεριφορά κατά την εφαρμογή αντίστροφης τάσης είναι χαρακτηριστική για οποιαδήποτε δίοδο. Αλλά η ιδιαιτερότητα της διόδου zener είναι ότι οι παράμετροί της σε αυτό το τμήμα του CVC κανονικοποιούνται. Η τάση σταθεροποίησής του και η κλίση του δίνονται (με ορισμένο spread) και είναι σημαντικές παράμετροι που καθορίζουν την καταλληλότητα της συσκευής στο κύκλωμα. Μπορείτε να τα βρείτε σε βιβλία αναφοράς. Οι συνηθισμένες δίοδοι μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν ως δίοδοι zener - εάν αφαιρέσετε το CVC τους και ανάμεσά τους υπάρχει ένα κατάλληλο χαρακτηριστικό. Αλλά αυτή είναι μια μακρά, επίπονη διαδικασία με ένα μη εγγυημένο αποτέλεσμα.
Τα κύρια χαρακτηριστικά της διόδου zener
Για να επιλέξετε μια δίοδο Zener για υπάρχοντες σκοπούς, πρέπει να γνωρίζετε αρκετές σημαντικές παραμέτρους. Αυτά τα χαρακτηριστικά θα καθορίσουν την καταλληλότητα της επιλεγμένης συσκευής για την επίλυση των εργασιών.
Ονομαστική τάση σταθεροποίησης
Η πρώτη παράμετρος του zener, την οποία πρέπει να προσέξετε κατά την επιλογή, είναι η τάση σταθεροποίησης, η οποία καθορίζεται από το σημείο έναρξης της κατάρρευσης της χιονοστιβάδας. Ξεκινά με την επιλογή μιας συσκευής για χρήση στο κύκλωμα.Για διαφορετικές περιπτώσεις συνηθισμένων διόδων zener, ακόμη και του ίδιου τύπου, η τάση έχει μια εξάπλωση στην περιοχή πολλών τοις εκατό, για εκείνες ακριβείας η διαφορά είναι μικρότερη. Εάν η ονομαστική τάση είναι άγνωστη, μπορεί να προσδιοριστεί συναρμολογώντας ένα απλό κύκλωμα. Θα πρέπει να προετοιμάσετε:
- αντίσταση έρματος 1 ... 3 kOhm;
- Ρυθμιζόμενη πηγή τάσης.
- βολτόμετρο (μπορείτε να χρησιμοποιήσετε έναν ελεγκτή).
Είναι απαραίτητο να αυξήσετε την τάση της πηγής ισχύος από το μηδέν, ελέγχοντας την αύξηση της τάσης στη δίοδο zener χρησιμοποιώντας ένα βολτόμετρο. Σε κάποιο σημείο, θα σταματήσει, παρά την περαιτέρω αύξηση της τάσης εισόδου. Αυτή είναι η πραγματική τάση σταθεροποίησης. Εάν δεν υπάρχει ρυθμιζόμενη πηγή, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε ένα τροφοδοτικό με σταθερή τάση εξόδου προφανώς υψηλότερη από το Ustabilization. Το σχήμα και η αρχή της μέτρησης παραμένουν τα ίδια. Αλλά υπάρχει κίνδυνος αστοχίας της συσκευής ημιαγωγών λόγω της υπέρβασης του ρεύματος λειτουργίας.
Οι δίοδοι Zener χρησιμοποιούνται για εργασία με τάσεις από 2 ... 3 V έως 200 V. Για να σχηματιστεί μια σταθερή τάση κάτω από αυτό το εύρος, χρησιμοποιούνται άλλες συσκευές - σταθεροποιητές που λειτουργούν στο άμεσο τμήμα του CVC.
Εύρος ρεύματος λειτουργίας
Το ρεύμα στο οποίο οι δίοδοι zener εκτελούν τη λειτουργία τους περιορίζεται από πάνω και κάτω. Από κάτω, περιορίζεται από την αρχή του γραμμικού τμήματος του αντίστροφου κλάδου του CVC. Σε χαμηλότερα ρεύματα, το χαρακτηριστικό δεν παρέχει λειτουργία σταθερής τάσης.
Η ανώτερη τιμή περιορίζεται από τη μέγιστη απαγωγή ισχύος που μπορεί να κάνει μια συσκευή ημιαγωγών και εξαρτάται από τον σχεδιασμό της. Οι δίοδοι Zener σε μεταλλική θήκη έχουν σχεδιαστεί για περισσότερο ρεύμα, αλλά μην ξεχνάτε τη χρήση ψυκτών θερμότητας.Χωρίς αυτά, η μέγιστη επιτρεπόμενη ισχύς διάχυσης θα είναι σημαντικά μικρότερη.
Διαφορική αντίσταση
Μια άλλη παράμετρος που καθορίζει τη λειτουργία της διόδου zener είναι η διαφορική αντίσταση Rst. Ορίζεται ως ο λόγος της αλλαγής τάσης ΔU προς τη μεταβολή ρεύματος ΔI που την προκάλεσε. Αυτή η τιμή έχει τη διάσταση της αντίστασης και μετριέται σε ohms. Γραφικά, αυτή είναι η εφαπτομένη της κλίσης του τμήματος εργασίας του χαρακτηριστικού. Προφανώς, όσο χαμηλότερη είναι η αντίσταση, τόσο καλύτερη είναι η ποιότητα σταθεροποίησης. Για μια ιδανική (που δεν υπάρχει στην πράξη) δίοδο zener, το Rst ισούται με μηδέν - οποιαδήποτε αύξηση του ρεύματος δεν θα προκαλέσει καμία αλλαγή στην τάση και το χαρακτηριστικό τμήμα I–V θα είναι παράλληλο με τον άξονα y.
Σήμανση διόδου Zener
Οι οικιακές και εισαγόμενες δίοδοι zener σε μεταλλική θήκη επισημαίνονται απλά και καθαρά. Σημειώνονται με το όνομα της συσκευής και τη θέση της ανόδου και της καθόδου με τη μορφή σχηματικού χαρακτηρισμού.
Οι συσκευές σε πλαστική θήκη επισημαίνονται με δακτυλίους και κουκκίδες διαφόρων χρωμάτων στις πλευρές της καθόδου και της ανόδου. Με το χρώμα και τον συνδυασμό χαρακτήρων, μπορείτε να προσδιορίσετε τον τύπο της συσκευής, αλλά για αυτό πρέπει να ψάξετε σε βιβλία αναφοράς ή να χρησιμοποιήσετε προγράμματα αριθμομηχανής. Και τα δύο μπορούν να βρεθούν στο Διαδίκτυο.
Μερικές φορές μια τάση σταθεροποίησης εφαρμόζεται σε δίοδοι zener χαμηλής ισχύος.
Κυκλώματα μεταγωγής διόδου Zener
Το κύριο κύκλωμα για την ενεργοποίηση μιας διόδου zener είναι σε σειρά με αντίσταση, που ρυθμίζει το ρεύμα μέσω της συσκευής ημιαγωγών και αναλαμβάνει την πλεονάζουσα τάση. Τα δύο στοιχεία κάνουν κοινός διαιρέτης. Όταν αλλάζει η τάση εισόδου, η πτώση στη δίοδο zener παραμένει σταθερή, ενώ η πτώση στην αντίσταση αλλάζει.
Ένα τέτοιο κύκλωμα μπορεί να χρησιμοποιηθεί ανεξάρτητα και ονομάζεται παραμετρικός σταθεροποιητής. Διατηρεί σταθερή την τάση στο φορτίο, παρά τις διακυμάνσεις της τάσης εισόδου ή του ρεύματος (εντός ορισμένων ορίων). Ένα παρόμοιο μπλοκ χρησιμοποιείται επίσης ως βοηθητικό κύκλωμα όπου απαιτείται πηγή τάσης αναφοράς.
Τέτοια συμπερίληψη χρησιμοποιείται επίσης ως προστασία ευαίσθητου εξοπλισμού (αισθητήρες κ.λπ.) από μη φυσιολογική εμφάνιση υψηλής τάσης στη γραμμή ισχύος ή μέτρησης (σταθερές ή τυχαίες παλμοί). Οτιδήποτε πάνω από την τάση σταθεροποίησης της συσκευής ημιαγωγών "κόβεται". Ένα τέτοιο σύστημα ονομάζεται "φράγμα Zener".
Προηγουμένως, η ιδιότητα της διόδου zener να «κόβει» τις κορυφές τάσης χρησιμοποιήθηκε ευρέως σε κυκλώματα διαμορφωτή παλμών. Σε κυκλώματα εναλλασσόμενου ρεύματος χρησιμοποιήθηκαν συσκευές δύο ανόδου.
Αλλά με την ανάπτυξη της τεχνολογίας τρανζίστορ και την έλευση των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων, αυτή η αρχή χρησιμοποιήθηκε σπάνια.
Εάν δεν υπάρχει δίοδος zener για την επιθυμητή τάση, μπορεί να αποτελείται από δύο. Η συνολική τάση σταθεροποίησης θα είναι ίση με το άθροισμα των δύο τάσεων.
Σπουδαίος! Μη συνδέετε διόδους zener παράλληλα για να αυξήσετε το ρεύμα λειτουργίας! Η εξάπλωση των χαρακτηριστικών ρεύματος-τάσης θα οδηγήσει στην έξοδο μιας διόδου zener στη ζώνη θερμικής διάσπασης και στη συνέχεια η δεύτερη θα αποτύχει λόγω της υπέρβασης του ρεύματος φορτίου.
Αν και στην τεχνική τεκμηρίωση της εποχής της ΕΣΣΔ επιτρέπεται παράλληλο συμπερίληψη zeners παράλληλα, αλλά με την προϋπόθεση ότι οι συσκευές πρέπει να είναι του ίδιου τύπου και η συνολική πραγματική ισχύς διαρροής κατά τη λειτουργία δεν θα πρέπει να υπερβαίνει την επιτρεπόμενη για μία μόνο δίοδο zener. Δηλαδή, δεν μπορεί να επιτευχθεί αύξηση του ρεύματος λειτουργίας υπό αυτήν την προϋπόθεση.
Για να αυξηθεί το επιτρεπόμενο ρεύμα φορτίου, χρησιμοποιείται ένα άλλο σχήμα. Ο παραμετρικός σταθεροποιητής συμπληρώνεται με ένα τρανζίστορ και ένας ακόλουθος εκπομπού λαμβάνεται με φορτίο στο κύκλωμα εκπομπού και ένα σταθερό τάση βάσης τρανζίστορ.
Σε αυτή την περίπτωση, η τάση εξόδου του σταθεροποιητή θα είναι μικρότερη από τη σταθεροποίηση κατά την ποσότητα της πτώσης τάσης στη διασταύρωση του εκπομπού - για ένα τρανζίστορ πυριτίου, περίπου 0,6 V. Για να αντισταθμίσετε αυτή τη μείωση, μπορείτε να ενεργοποιήσετε μια δίοδο σε σειρά με τη δίοδο zener στην προς τα εμπρός κατεύθυνση.
Με αυτόν τον τρόπο (ενεργοποιώντας μία ή περισσότερες διόδους), μπορείτε να ρυθμίσετε την τάση εξόδου του σταθεροποιητή προς τα πάνω σε μικρό εύρος. Εάν πρέπει να αυξήσετε ριζικά το Uout, είναι προτιμότερο να ενεργοποιήσετε μία ακόμη δίοδο zener σε σειρά.
Το πεδίο εφαρμογής της διόδου zener στα ηλεκτρονικά κυκλώματα είναι εκτεταμένο. Με μια συνειδητή προσέγγιση στην επιλογή, αυτή η συσκευή ημιαγωγών θα βοηθήσει στην επίλυση πολλών προβλημάτων που έχουν ανατεθεί στον προγραμματιστή.
Παρόμοια άρθρα:
