Diody Zenera to normalne diody złączowe PN pracujące w stanie spolaryzowanym odwrotnie. Działanie diody Zenera jest podobne do diody złączowej PN w stanie spolaryzowanym w kierunku przewodzenia, ale wyjątkowość polega na tym, że może ona również przewodzić, gdy jest podłączona w odwrotnym polaryzacji powyżej jej napięcia progowego / przebicia. Są wśród podstawowe typy diod używane często, poza zwykłymi diodami.
Dioda Zenera działa
Dioda półprzewodnikowa w stanie odwróconej polaryzacji
Jeśli pamiętasz, zwykła dioda złączowa PN jest utworzona przez połączenie materiału półprzewodnikowego typu p z materiałem półprzewodnikowym typu n. Kiedy jedna strona kryształu półprzewodnika jest domieszkowana zanieczyszczeniami będącymi donorami, a druga stroną zanieczyszczeniami akceptorowymi, tworzy się złącze PN.
Bezstronne diody półprzewodnikowe
W normalnych warunkach dziury od strony p mają tendencję do dyfuzji do obszaru o niskim stężeniu i to samo dzieje się z elektronami ze strony n.
W ten sposób dziury dyfundują na stronę n, a elektrony na stronę p. Powoduje to gromadzenie się ładunków wokół złącza, tworząc obszar zubożenia.
Bezstronna dioda półprzewodnikowa
W poprzek złącza tworzy się biegunowość elektryczna lub dipol elektryczny, powodując przepływ strumienia od strony n od góry. Powoduje to zmienne ujemne natężenie pola elektrycznego, generując potencjał elektryczny w poprzek złącza. Ten potencjał elektryczny jest w rzeczywistości napięciem progowym diody i wynosi około 0,6 V dla krzemu i 0,2 V dla germanu. Działa to jako potencjalna bariera dla przepływu większości nośników ładunku i urządzenie nie przewodzi.
Teraz, gdy normalna dioda jest spolaryzowana tak, że napięcie ujemne jest przykładane po stronie n, a napięcie dodatnie po stronie p, mówi się, że dioda jest w stanie polaryzacji do przodu. To przyłożone napięcie ma tendencję do zmniejszania bariery potencjału po przekroczeniu napięcia progowego.
W tym momencie i później większość nośników przekracza barierę potencjału i urządzenie zaczyna przewodzić z przepływem przez nią prądu.
Gdy dioda jest spolaryzowana w odwrotnym stanie powyżej, przyłożone napięcie jest takie, że dodaje do bariery potencjału i utrudnia przepływ większości nośników. Jednak pozwala na przepływ nośników mniejszościowych (dziury w typie n i elektrony w typie p). Wraz ze wzrostem tego napięcia polaryzacji wstecznej prąd wsteczny ma tendencję do stopniowego wzrostu.
W pewnym momencie napięcie to jest takie, że powoduje załamanie obszaru zubożenia, powodując ogromny wzrost przepływu prądu. W tym miejscu do gry wkracza dioda Zenera.
Zasada działania diody Zenera
Jak stwierdzono powyżej, podstawową zasadą działania diody Zenera jest przyczyna awarii diody w stanie spolaryzowanym odwrotnie. Zwykle istnieją dwa rodzaje awarii - Zener i Avalanche.
Zasada działania diody Zenera
Podział Zenera
Ten rodzaj awarii występuje przy odwrotnym napięciu polaryzacji od 2 do 8 V. Nawet przy tak niskim napięciu natężenie pola elektrycznego jest wystarczająco silne, aby wywierać siłę na elektrony walencyjne atomu, tak że są one oddzielane od jąder. Powoduje to tworzenie ruchomych par elektron-dziura, zwiększając przepływ prądu przez urządzenie. Przybliżona wartość tego pola to około 2 * 10 ^ 7 V / m.
Ten rodzaj przebicia występuje normalnie w przypadku diody o wysokim stopniu domieszkowania o niskim napięciu przebicia i większym polu elektrycznym. Wraz ze wzrostem temperatury elektrony walencyjne uzyskują więcej energii do rozerwania z wiązania kowalencyjnego i wymagana jest mniejsza ilość napięcia zewnętrznego. Zatem napięcie przebicia Zenera maleje wraz z temperaturą.
Awaria lawiny
Ten typ awarii występuje przy odwrotnym napięciu polaryzacji powyżej 8 V i wyższym. Występuje dla diod słabo domieszkowanych o dużym napięciu przebicia. Gdy mniejszościowe nośniki ładunku (elektrony) przepływają przez urządzenie, mają tendencję do zderzania się z elektronami w wiązaniu kowalencyjnym i powodują przerwanie wiązania kowalencyjnego. Wraz ze wzrostem napięcia wzrasta również energia kinetyczna (prędkość) elektronów, a wiązania kowalencyjne są łatwiejsze do rozerwania, powodując wzrost liczby par elektron-dziura. Napięcie przebicia lawiny rośnie wraz z temperaturą.
3 Zastosowania diody Zenera
1. Dioda Zenera jako napięcie
W obwodzie prądu stałego dioda Zenera może służyć jako regulator napięcia lub do zapewnienia napięcia odniesienia. Główne zastosowanie diody Zenera polega na tym, że napięcie na diodzie Zenera pozostaje stałe przy większej zmianie prądu. Umożliwia to użycie diody Zenera jako urządzenia o stałym napięciu lub regulatora napięcia.
W jakimkolwiek obwód zasilania , regulator służy do zapewnienia stałego napięcia wyjściowego (obciążenia) niezależnie od zmian napięcia wejściowego lub zmian prądu obciążenia. Zmiana napięcia wejściowego nazywana jest regulacją linii, natomiast zmiana prądu obciążenia nazywana jest regulacją obciążenia.
Dioda Zenera jako regulator napięcia
Prosty obwód z diodą Zenera jako regulatorem wymaga rezystora o małej wartości połączonego szeregowo ze źródłem napięcia wejściowego. Niska wartość jest wymagana, aby umożliwić maksymalny przepływ prądu przez diodę połączoną równolegle. Jednak jedynym ograniczeniem jest to, że prąd płynący przez diodę Zenera nie powinien być mniejszy niż minimalny prąd diody Zenera. Mówiąc najprościej, dla minimalnego napięcia wejściowego i maksymalnego prądu obciążenia prąd diody Zenera powinien zawsze wynosić I.zmin.
Projektując regulator napięcia wykorzystujący diodę Zenera, tę ostatnią dobiera się ze względu na jej maksymalną moc znamionową. Innymi słowy, maksymalny prąd przepływający przez urządzenie powinien wynosić: -
jamax= Moc / napięcie Zenera
Ponieważ znane jest napięcie wejściowe i wymagane napięcie wyjściowe, łatwiej jest wybrać diodę Zenera o napięciu w przybliżeniu równym napięciu obciążenia, tj. Vz ~ = Vlub.
Wartość rezystora szeregowego jest wybierana
R = (Vw- Vz)/(JAzmin+ IL), Gdzie jaL= Napięcie obciążenia / rezystancja obciążenia.
Należy pamiętać, że dla napięć obciążenia do 8 V można zastosować jedną diodę Zenera. Jednak w przypadku napięć obciążenia powyżej 8 V, wymagających napięć Zenera o wyższej wartości, zaleca się stosowanie diody spolaryzowanej do przodu połączonej szeregowo z diodą Zenera. Dzieje się tak, ponieważ dioda Zenera przy wyższym napięciu działa zgodnie z zasadą przebicia lawinowego, mając dodatnią temperaturę współczynnika.
Dlatego do kompensacji stosowana jest dioda o ujemnym współczynniku temperaturowym. Oczywiście obecnie stosowane są praktyczne diody Zenera z kompensacją temperatury.
2. Dioda Zenera jako odniesienie napięcia
Dioda Zenera jako odniesienie napięcia
W zasilaczach i wielu innych obwodach dioda Zenera znajduje zastosowanie jako źródło stałego napięcia lub napięcie odniesienia. Jedynym warunkiem jest, aby napięcie wejściowe było większe niż napięcie Zenera, a rezystor szeregowy miał minimalną wartość, taką aby maksymalny prąd przepływał przez urządzenie.
3. Dioda Zenera jako zacisk napięcia
W obwodzie, w którym występuje źródło wejściowe prądu przemiennego, inne niż normalne Obwód mocowania diody PN można również użyć diody Zenera. Dioda może być wykorzystana do ograniczenia szczytu napięcia wyjściowego do napięcia Zenera z jednej strony i do około 0 V z drugiej strony przebiegu sinusoidalnego.
dioda Zenera jako zacisk napięcia
W powyższym obwodzie, podczas dodatniego półokresu, gdy napięcie wejściowe jest takie, że dioda Zenera jest spolaryzowana odwrotnie, napięcie wyjściowe jest stałe przez pewien czas, aż napięcie zacznie spadać.
Teraz, podczas ujemnego półcyklu, dioda Zenera jest w stanie przewodzenia polaryzowanego. Gdy ujemne napięcie wzrasta do progowego napięcia przewodzenia, dioda zaczyna przewodzić, a ujemna strona napięcia wyjściowego jest ograniczona do napięcia progowego.
Zauważ, że aby uzyskać napięcie wyjściowe tylko w dodatnim zakresie, użyj dwóch przeciwnie polaryzowanych diod Zenera połączonych szeregowo.
Zastosowania robocze diody Zenera
Wraz z rosnącą popularnością smartfonów projekty oparte na systemie Android są obecnie preferowane. Projekty te obejmują wykorzystanie Bluetooth urządzenia oparte na technologii. Te urządzenia Bluetooth wymagają do działania napięcia około 3 V. W takich przypadkach dioda Zenera jest używana do zapewnienia odniesienia 3 V do urządzenia Bluetooth.
Działająca aplikacja diody Zenera z wykorzystaniem urządzenia Bluetooth
Innym zastosowaniem jest zastosowanie diody Zenera jako regulatora napięcia. Tutaj napięcie przemienne jest prostowane przez diodę D1 i filtrowane przez kondensator. To przefiltrowane napięcie DC jest regulowane przez diodę, aby zapewnić stałe napięcie odniesienia 15 V. To regulowane napięcie stałe służy do sterowania obwodem sterującym, używanym do sterowania włączaniem światła, jak w zautomatyzowany system sterowania oświetleniem.
Aplikacja do regulacji napięcia diody Zenera
Mamy nadzieję, że udało nam się udzielić precyzyjnych, ale niezbędnych informacji o działaniu diody Zenera i jej zastosowaniach. Oto proste pytanie do czytelników - Dlaczego układy scalone regulatora są najczęściej preferowane w stosunku do diody Zenera w regulowanym zasilaniu DC?
Podaj swoje odpowiedzi i oczywiście swoją opinię w sekcji komentarzy poniżej.
Kredyty fotograficzne
- Dioda Zenera pracująca wg nauka o elektronice
- Bezstronne diody półprzewodnikowe wg wikimedia
- Zasada działania diody Zenera wg co-kiedy-jak
