Diodi Zener

introduzione

I diodi sono generalmente noti come dispositivi che consentono il flusso di corrente in una direzione (polarizzazione diretta) e offrono resistenza al flusso di corrente quando vengono utilizzati in polarizzazione inversa. Zener Diode (dal nome dello scienziato americano C.Zener che per primo ha spiegato i suoi principi operativi) d'altra parte, non solo consente il flusso di corrente quando viene utilizzato in polarizzazione diretta, ma consente anche il flusso di corrente quando viene utilizzato in polarizzazione inversa finora la tensione applicata è superiore alla tensione di rottura nota come tensione di rottura Zener. O in altre parole, la tensione di rottura è la tensione sulla quale il diodo Zener inizia a condurre in direzione inversa.

Principio operativo del diodo Zener:

Nei diodi normali, la tensione di rottura è molto alta e il diodo viene danneggiato totalmente se viene applicata una tensione superiore al diodo di rottura, ma nei diodi Zener, la tensione di rottura non è così alta e non porta a danni permanenti del diodo Zener se la tensione è applicata.

Quando la tensione inversa applicata al diodo Zener aumenta verso la tensione di rottura specificata (Vz), una corrente inizia a fluire attraverso il diodo e questa corrente è nota come corrente Zener e questo processo è noto come guasto da valanga . La corrente aumenta al massimo e si stabilizza. Questa corrente rimane costante su un intervallo più ampio di tensione applicata e consente al diodo Zener di resistere a tensioni più elevate senza subire danni. Questa corrente è determinata dalla resistenza in serie.

Considera le immagini sotto di un normale diodo in azione.

Per mostrare il funzionamento del diodo zener, considera i due esperimenti (A e B) di seguito.

Nell'esperimento A, un diodo zener da 12V è collegato in polarizzazione inversa come mostrato nell'immagine e si può vedere che il diodo zener ha bloccato la tensione in modo efficace perché era minore / uguale alla tensione di rottura del particolare diodo zener e la lampada quindi rimase fuori.

Nell'esperimento B, un diodo Zener 6v utilizzato è conduttivo (la lampadina si accende) polarizzato inversamente perché la tensione applicata è maggiore della sua tensione di rottura e quindi mostra che la regione di rottura è la regione di funzionamento del diodo zener.

Di seguito è illustrata la curva caratteristica corrente-tensione del diodo Zener.

Dal grafico, si può dedurre che il diodo zener operato in modalità di polarizzazione inversa avrà una tensione abbastanza costante indipendentemente dalla quantità di corrente fornita.

Applicazioni del diodo Zener:

I diodi Zener sono utilizzati in tre applicazioni principali nei circuiti elettronici;

1. Regolazione della tensione

2. Clipper forma d'onda

3. Cambio di tensione

1. Diodo Zener come regolatore di tensione

Questa è probabilmente l'applicazione più comune dei diodi zener.

Questa applicazione dei diodi zener si basa fortemente sulla capacità dei diodi zener di mantenere una tensione costante indipendentemente dalle variazioni nella corrente di alimentazione o di carico. La funzione generale di un dispositivo di regolazione della tensione è quella di fornire una tensione di uscita costante ad un carico ad esso collegato in parallelo indipendentemente dalle variazioni dell'energia assorbita dal carico (Corrente di carico) o dalle variazioni e instabilità della tensione di alimentazione.

Il diodo Zener fornirà una tensione costante a condizione che la corrente rimanga entro l'intervallo della corrente inversa massima e minima.

Di seguito è mostrato lo schema del circuito che mostra il diodo Zener utilizzato come regolatore di tensione.

Un resistore, R1 è collegato in serie con il diodo zener per limitare la quantità di corrente che scorre attraverso il diodo e la tensione di ingresso Vin (che deve essere maggiore della tensione zener) è collegata come mostrato nell'immagine e la tensione di uscita Vout, viene preso attraverso il diodo zener con Vout = Vz (tensione Zener). Poiché le caratteristiche di polarizzazione inversa del diodo zener sono ciò che è necessario per regolare la tensione, è collegato in modalità di polarizzazione inversa, con il catodo collegato al rail positivo del circuito.

È necessario prestare attenzione quando si seleziona il valore del resistore R1, poiché un resistore di piccolo valore si tradurrà in una grande corrente del diodo quando il carico è collegato e ciò aumenterà il requisito di dissipazione di potenza del diodo che potrebbe diventare superiore alla potenza nominale massima di lo zener e potrebbe danneggiarlo.

Il valore del resistore da utilizzare può essere determinato utilizzando la formula seguente.

R ₁ = (V _in - V _Z) / I _Z Dove; R1 è il valore della resistenza in serie. Vin è la tensione di ingresso. Vz che è uguale a Vout è la tensione Zener e Iz è la corrente zener.

Utilizzando questa formula diventa facile assicurarsi che il valore del resistore selezionato non porti a un flusso di corrente superiore a quello che lo zener può gestire.

Un piccolo problema riscontrato con i circuiti regolatori basati su diodi zener è che lo Zener a volte genera rumore elettrico sulla linea di alimentazione mentre si tenta di regolare la tensione di ingresso. Sebbene questo possa non essere un problema per la maggior parte delle applicazioni, questo problema può essere risolto aggiungendo un condensatore di disaccoppiamento di grande valore attraverso il diodo. Questo aiuta a stabilizzare l'uscita dello zener.

2. Diodo Zener come tagliatore di forme d'onda

Uno degli usi dei diodi normali è nell'applicazione di circuiti di clipping e di bloccaggio che sono circuiti utilizzati per modellare o modificare una forma d'onda o un segnale CA in ingresso, producendo un segnale di uscita di forma diversa a seconda delle specifiche del clipper o del morsetto.

I circuiti Clippers sono genericamente circuiti che vengono utilizzati per impedire al segnale di uscita di un circuito di andare oltre un valore di tensione predeterminato senza modificare nessun'altra parte del segnale di ingresso o della forma d'onda.

Questi circuiti insieme ai morsetti sono ampiamente utilizzati nella televisione analogica e nei trasmettitori radio FM per la rimozione delle interferenze (circuiti di bloccaggio) e per limitare i picchi di rumore tagliando i picchi alti.

Poiché i diodi Zener si comportano genericamente come i normali diodi quando la tensione applicata non è uguale alla tensione di rottura, vengono quindi utilizzati anche nei circuiti di clipping.

I circuiti di clipping potrebbero essere progettati per tagliare il segnale nelle regioni positive, negative o in entrambe. Sebbene il diodo taglierà naturalmente l'altra regione a 0,7 V indipendentemente dal fatto che sia stato progettato come un clipper positivo o negativo.

Ad esempio, considera il circuito seguente.

Il circuito clipper è progettato per tagliare il segnale di uscita a 6.2v, quindi è stato utilizzato un diodo zener da 6.2v. Il diodo zener impedisce al segnale di uscita di andare oltre la tensione zener indipendentemente dalla forma d'onda in ingresso. Per questo particolare esempio, è stata utilizzata una tensione di ingresso di 20 V e la tensione di uscita sull'oscillazione positiva era di 6,2 V coerente con la tensione del diodo zener. Durante l'oscillazione negativa della tensione CA, tuttavia, il diodo zener si comporta proprio come il normale diodo e taglia la tensione di uscita a 0,7 V, in modo coerente con i normali diodi in silicone.

Per implementare il circuito di clipping per l'oscillazione negativa del circuito CA e l'oscillazione positiva in modo tale che la tensione venga tagliata a livelli diversi sull'oscillazione positiva e negativa, viene utilizzato un doppio circuito di clipping zener. Di seguito è mostrato lo schema del circuito per il circuito di clipping doppio zener.

Nel circuito di clipping sopra, la tensione Vz2 rappresenta la tensione sull'oscillazione negativa della sorgente AC alla quale si desidera che il segnale di uscita venga tagliato, mentre la tensione Vz1 rappresenta la tensione sull'oscillazione positiva della sorgente AC alla quale la tensione di uscita si desidera ritagliare.

3. Diodo Zener come variatore di tensione

Lo shifter di tensione è una delle applicazioni più semplici ma interessanti del diodo zener. Se hai avuto esperienza in particolare con il collegamento di un sensore 3.3v a un MCU 5V e hai visto di prima mano gli errori nelle letture, ecc., Che questo può portare a loro, apprezzerai l'importanza dei cambi di tensione. I traslatori di tensione aiutano a convertire il segnale da una tensione all'altra e con la capacità del diodo Zener di mantenere una tensione di uscita costante nella regione di rottura, li rende componenti ideali per l'operazione.

In un variatore di tensione basato su diodo zener, il circuito abbassa la tensione di uscita di un valore pari alla tensione di rottura del particolare diodo zener utilizzato. Di seguito è illustrato lo schema del circuito per il cambio di tensione.

Considera l'esperimento di seguito,

Il circuito descrive un variatore di tensione basato su diodi zener da 3,3 V. La tensione di uscita (3,72 V) del circuito è data sottraendo la tensione di rottura (3,3 V) del diodo zener dalla tensione di ingresso (7 V).

Vout = Vin –Vz

Vout = 7 - 3.3 = 3.7 v

Il variatore di tensione come descritto in precedenza ha diverse applicazioni nella progettazione di circuiti elettronici moderni poiché il progettista potrebbe dover lavorare con un massimo di tre diversi livelli di tensione a volte durante il processo di progettazione.

Tipi di diodi Zener:

I diodi Zener sono classificati in tipi in base a diversi parametri che includono;

1. Voltaggio nominale
2. Dissipazione di potenza
3. Corrente di azionamento diretta
4. Tensione diretta
5. Tipo di confezione
6. Corrente inversa massima

Voltaggio nominale

La tensione di funzionamento nominale di un diodo zener è anche nota come tensione di rottura del diodo zener, a seconda dell'applicazione per la quale il diodo deve essere utilizzato, questo è spesso il criterio più importante per la selezione del diodo Zener.

Dissipazione di potenza

Questo rappresenta la quantità massima di potenza che la corrente zener può dissipare. Il superamento di questa potenza nominale comporta un aumento eccessivo della temperatura del diodo zener che potrebbe danneggiarlo e portare al guasto delle cose ad esso collegate in un circuito. Quindi questo fattore dovrebbe essere considerato quando si seleziona il diodo con l'uso in mente.

Corrente Zener massima

Questa è la corrente massima che può essere fatta passare attraverso il diodo zener alla tensione zener senza danneggiare il dispositivo.

Corrente Zener minima

Questo si riferisce alla corrente minima richiesta affinché il diodo Zener inizi a funzionare nella regione di guasto.

Altri parametri che servono come specifiche per il diodo devono essere tutti considerati completamente prima di prendere una decisione sul tipo di diodo zener necessario per quel particolare progetto.

Conclusione:

Ecco 5 punti che non dovresti mai dimenticare del diodo zener.

1. Un diodo zener è come un normale diodo solo che è stato drogato per avere una forte tensione di rottura.
2. Il diodo Zener mantiene una tensione di uscita stabile indipendentemente dalla tensione di ingresso, a condizione che la corrente Zener massima non venga superata.
3. Quando è collegato in polarizzazione diretta, il diodo zener si comporta esattamente come il normale diodo in silicone. Conduce con la stessa caduta di tensione di 0,7 V che accompagna l'uso del normale diodo.
4. Lo stato operativo predefinito del diodo Zener è nella regione di rottura (polarizzazione inversa). Significa che inizia effettivamente a funzionare quando la tensione applicata è superiore alla tensione Zener con polarizzazione inversa.
5. Il diodo zener viene utilizzato principalmente in applicazioni che coinvolgono, regolazione della tensione, circuiti di clipping e traslatori di tensione.