O diodă semiconductoare blochează curentul în direcție inversă, dar va suferi defecțiuni sau străpungere prematură dacă tensiunea inversă aplicată pe ea este prea mare.
Dar, dioda Zener sau "Dioda de străpungere", este în esență aceeași ca dioda joncțiune PN standard, dar special concepută pentru a avea o tensiune de străpungere reversibilă mică și specificată, care profită de orice tensiune inversă aplicată ei.
Funcționarea de bază a diodei Zener
Dioda Zener se comportă la fel ca o diodă de scop general normală, constând dintr-o joncțiune PN de siliciu, atunci când este polarizată direct, anod pozitiv în raport cu catodul, permițând să circule curentul nominal.
Dar, spre deosebire de o diodă convențională care blochează orice flux de curent prin ea când se polarizează invers, sau catodul devine mai pozitiv decât anodul, de îndată ce tensiunea inversă atinge o valoare prestabilită, dioda zener începe să conducă în direcție inversă.
Acest lucru se datorează faptului că un proces numit străpungere în avalanșă apare în stratul de epuizare a semiconductorului și un curent începe să curgă prin diodă pentru a limita această creștere a tensiunii.
Curentul care curge acum prin dioda zener crește dramatic la valoarea maximă a circuitului (care este de obicei limitată de un rezistor serie) și, odată atins, acest curent de saturație inversă rămâne destul de constant pe o gamă largă de tensiuni inverse.
Punctul de tensiune, la care tensiunea pe diodă zener devine stabilă, se numește "tensiune zener" (Vz), iar pentru diodele zener această tensiune poate varia de la mai puțin de un volt până la câteva sute de volți.
Punctul la care tensiunea zener declanșează curentul să circule prin diodă poate fi controlat foarte precis (la o toleranță mai mică de 1%) în stadiul de dopare al construcției semiconductoare a diodelor, oferind diodei o anumită tensiune de străpungere zener (Vz) pentru exemplu, 4,3 V sau 7,5 V. Această tensiune de străpungere zener pe curba I-V este aproape o linie dreaptă verticală.
Caracteristici I-V ale diodei Zener
Dioda Zener este utilizată în „polarizare inversă“ sau mod de străpungere inversă, adică anodul diodei conectat la sursa negativă. Din curba caracteristicilor I-V de mai sus, putem vedea că dioda zener are o regiune în caracteristicile de polarizare inversă cu o tensiune negativă aproape constantă, indiferent de valoarea curentului care trece prin diodă, și rămâne aproape constantă chiar și cu variații mari de curent, în timp ce curentul diodelor zener rămâne între curentul de străpungere IZ(min) și curentul nominal maxim IZ(max).
Această abilitate de a se controla ea însăși poate fi utilizată cu mare efect pentru a regla sau stabiliza o sursă de tensiune față de variațiile de alimentare sau sarcină. Faptul că tensiunea pe diodă în regiunea de străpungere este aproape constantă se dovedește a fi o caracteristică importantă a diodei zener, deoarece poate fi folosită în cele mai simple tipuri de aplicații de reglare a tensiunii.
Regulatorul de tensiune cu diode Zener
Funcția unui regulator este de a furniza o tensiune de ieșire constantă la o sarcină conectată în paralel cu acesta, în ciuda riplurilor în tensiunea de alimentare sau variația curentului de sarcină, iar dioda zener va continua să regleze tensiunea până când curentul diodelor scade sub valoarea minimă IZ(min) în regiunea de străpungere.
Diodele Zener pot fi utilizate pentru a produce o ieșire de tensiune stabilizată, cu un riplu redus, în condiții de sarcină variată. Prin trecerea unui curent mic prin diodă dintr-o sursă de tensiune, prin intermediul unui rezistor de limitare a curentului adecvat (RS), dioda zener va conduce un curent suficient pentru a menține o cădere de tensiune Vout. Tensiunea de ieșire DC de la redresoarele mono- sau dublu-alternanță conține un riplu suprapus peste tensiunea DC și că valoarea sarcinii se modifică.
Prin conectarea unui circuit simplu de stabilizare cu zener, așa cum se arată mai jos, pe ieșirea redresorului, se poate produce o tensiune de ieșire mai stabilă. Rezistorul RS este conectat în serie cu dioda Zener pentru a limita curentul prin diodă, cu sursa de tensiune VS conectată la întreaga combinație. Tensiunea de ieșire stabilizată Vout este preluată de pe dioda zener. Dioda zener este conectată cu catodul aflat la șina pozitivă a alimentării DC, astfel încât este polarizată invers și va funcționa în starea sa de străpungere.
RS este ales astfel încât să limiteze curentul maxim care circulă în circuit. Fără sarcină conectată la circuit, curentul de sarcină va fi zero, IL = 0, iar întregul curent din circuit trece prin dioda zener care, la rândul său, disipează puterea ei maximă. O valoare mică a RS poate crește curentul prin diodă în condiții de sarcină mare, așadar se alege RS astfel încât puterea nominală a diodei să nu fie depășită în stare de fără sarcină sau de înaltă impedanță.
Sarcina este conectată în paralel cu dioda zener, astfel încât tensiunea pe RL este întotdeauna aceeași cu tensiunea zener (VR = VZ). Există un curent zener minim pentru care stabilizarea tensiunii este eficientă, iar curentul zener trebuie să rămână în permanență peste această valoare, funcționând sub sarcină în regiunea sa de străpungere. Limita superioară a curentului este, desigur, dependentă de puterea nominală a dispozitivului. Tensiunea de alimentare VS trebuie să fie mai mare decât VZ.
O mică problemă a circuitelor de stabilizare cu dioda zener este faptul că dioda poate genera uneori zgomot electric pe partea superioară a alimentării DC, deoarece încearcă să stabilizeze tensiunea. În mod normal, acest lucru nu este o problemă pentru majoritatea aplicațiilor, dar adăugarea unui condensator de decuplare de mare valoare pe ieșirea zenerului poate fi necesară pentru a obține o netezire suplimentară.
Regulatorul de tensiune cu diode Zener: proiect simplu
Deci, o diodă zener este operată întotdeauna în condiția de polarizare inversă. Un circuit de reglare a tensiunii poate fi proiectat folosind o diodă zener pentru a menține o tensiune constantă de ieșire DC pe sarcină în ciuda variațiilor tensiunii de intrare sau a modificărilor în curentul de sarcină. Regulatorul de tensiune cu zener constă dintr-un rezistor RS de limitare a curentului conectat în serie cu tensiunea de intrare VS, cu dioda Zener conectată în paralel cu sarcina RL, în această condiție de polarizare inversă. Tensiunea de ieșire stabilizată este selectată întotdeauna să fie aceeași cu tensiunea de străpungere VZ a diodei.
Exemplu: analiză curent și rezistențe
Exemplu nr. 1: O sursă de alimentare stabilizată de 5 V trebuie produsă dintr-o sursă de alimentare de 12 V DC. Puterea maximă PZ a diodei zener este de 2W. Utilizând circuitul de reglare cu zener de mai sus calculați:
- Curentul maxim care curge prin dioda zener.
- Valoarea minimă a rezistorului serie RS.
- Curentul de sarcină IL în cazul în care un rezistor de sarcină de 1 kΩ este conectat la dioda Zener.
- Curentul Zener IZ la sarcină maximă.
Configurații cu diode Zener în serie
Peste regimul de referință, diodele Zener pot fi conectate în serie împreună cu diode de siliciu pentru a produce o varietate de valori de tensiune de referință la ieșire. În serie, valoarea tensiunii se alege în funcție de numărul și valoarea Zenerelor utilizate, iar dioda de siliciu va avea o cădere în polarizare directă de aproximativ 0,6-0,7 V.
Exemplu tipic: series BZX55 de 500 mW sau seria BZX85 cu puteri mai mari. Tensiunea zener standard variază în funcție de combinația folosită, de la puțin sub 1 V până la zeci de volți. Pentru referință, seria BZX55C7V5 oferă o tensiune de 7,5 V.
Circuite cu diode Zener pentru forme de undă AC
Când semnalul de intrare nu este DC stabil, diodele Zener pot fi conectate în diverse configurații pentru a modela sau modifica forma de undă. Circuitele de tăiere (limiter) cu diode Zener limitează o parte a formei de undă pentru protecția circuitelor sau pentru modelare.
De exemplu, pentru a limita forma de undă la +7,5 V, se utilizează o diodă zener de 7,5 V. Dacă forma de undă încearcă să depășească acest prag, dioda Zener “taie” tensiunea excesivă. În situații de polarizare directă, dioda zener poate limita la -0,7 V value în direcția negativă, acționând ca o diodă siliciu obișnuită.
Un aranjament simplu cu două diode Zener poate crea un generator de undă dreptunghiulară pentru săraci, limitând forma de undă între valori pozitive și negative diferite. Adăugarea tensiunii de polarizare directă de aproximativ 0,7 V în fiecare direcție trebuie luată în calcul la determinarea valorilor maxime de vârf-voltaj.
Alte tipuri de diode și aplicații
Diodele Zener sunt adesea introduse alături de diodele normale în circuitele de referință de tensiune și protecție, însă există și alte tipuri utile: diodele Schottky, LED-urile, diodele de redresare, diodele TVS etc. Diodele Schottky au o cădere de tensiune directă scăzută și răspund rapid, fiind utile în circuite de comutare. LED-urile produc lumină prin recombinarea purtătorilor de sarcină și goluri, iar diodele TVS protejează de supratensiuni bruște, clasic în protecția echipamentelor sensibile.
Tipuri de diode: scurtă prezentare
- Diodă redresoare: transformă curentul alternativ în curent continuu, pentru alimentări și încărcătoare; gestionează curenți/ tensiuni ridicate.
- Diodă Zener: menține tensiunea constantă în regim invers, pentru reglare și protecție la supratensiune.
- Diodă Schottky: cădere de tensiune directă mică, comutare rapidă; folosită în aplicații de înaltă viteză.
- LED: emite lumină când trece curentul, energie eficientă; utilizate în iluminat și afișaje.
- Diodă TVS: protecție la supratensiuni bruște, între punctul protejat și masă.
Testarea diodei
Folosind un multimetru digital, poți testa dacă dioda funcționează ca o poartă unidirecțională pentru curent. Pașii de bază:
- Setează multimetru în modul Testare diodă sau Rezistență.
- Conectează firul roșu la anod și firul negru la catod.
- Observă citirea; inversând cablurile, verifică din nou citirea.
- O diodă bună de siliciu în polarizarea directă arată o cădere de tensiune între 0,5 și 0,8 V; invers, citirea ar trebui să fie OL (suprasarcină).
Concluzie gata de aplicare
Diodele Zener reprezintă un element esențial în reglarea tensiunii și protecția circuitelor, permițând să rămână tensiunea de ieșire stabilă în diverse condiții de alimentare și sarcină. Folosind rezistori de limitare adecvați, diodele Zener pot oferi soluții simple și eficiente pentru generarea de tensiuni de referință, încadrate în contexte de redresare, limitare de formă de undă sau protecție împotriva supratensiunilor.
Diode Zener
| Tip diodă | Principală aplicație | Caracteristică cheie | Observații |
|---|---|---|---|
| Diodă Redresoare | Redresarea AC->DC | Gestionare curenți/tensiuni înalte | Conducere unidirecțională |
| Diodă Zener | Reglare tensiune, protecție | Străpungere inversă la Vz | Ieșire stabilă la Vz |
| Diodă Schottky | Circuite rapide | Cădere directă mică | Răspuns foarte rapid |
| LED | Iluminat, afișaje | Emite lumină la trecerea curentului | Eficiență energetică |
Răspuns la întrebări practice despre diode
Curentul de sarcină în exemplul de mai sus este limitat de puterea maximă a diodei Zener și de rezistorul RS. Tensiunea zener (Vz) este valorată în funcție de necesitatea de stabilizare, iar valoarea RS trebuie calculată pentru a asigura curentul minim IZ(min) în condițiile de sarcină. Când sarcina RL este conectată, tensiunea RL va fi VR (= VZ), iar curentul Zener IZ la sarcină maximă poate atinge valoarea uzuală pentru care dioda este proiectată. O diodă Zener uzuală precum BZX55 poate acoperi utilizări de tensiuni de la sub 1 V până la aproximativ 100 V în seriile de putere de 0,5-2 W, în funcție de seria aleasă.
tags: #curentul #de #sarcina #diode