Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
SterControl
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Jak czytać karty katalogowe? Część 6 - diody Zenera

ghost666 09 Cze 2018 22:22 1185 2
  • W poprzednich częściach omawialiśmy już diody prostownicze oraz Schottkiego. W tej części omówimy kolejny rodzaj diod półprzewodnikowych - diody Zenera.

    Jak wspominaliśmy wcześniej, mówiąc o diodach, zasadą jest, że powinno unikać się pracowania z diodą spolaryzowaną w zakresie przebicia w kierunku zaporowym. Dotyczy to zwłaszcza diod prostowniczych, ale i w innych przypadkach nie jest bez znaczenia. W poniższym artykule omówimy inny rodzaj diody, która odbiega od tej zasady. Jest to dioda wykorzystująca zjawisko Zenera. Dla niej praca w zakresie przebicia w kierunku zaporowym jest stanem naturalnym.

    Po wszystkich wcześniejszych ostrzeżeniach można się zastanawiać, czemu chciałoby się pracować z diodą, która może pracować w tej części swojej charakterystyki. Praca w zakresie Zenera ma bardzo istotną aplikację - jako napięcie odniesienia. Dioda Zenera jest najprostszym stabilizatorem napięcia. Na przykład w połączeniu z komparatorem, stworzyć w ten sposób można układ, który posiada stałe napięcie odniesienia, które służyć może do porównywania zewnętrznego napięcia.

    Układ na rysunku 1 opracuje jak wykorzystać można diodę Zenera w najprostszy możliwy sposób. W tej konkretnej aplikacji wykorzystano diodę Zenera 3,3 V do stabilizacji napięcia 3,3 V z zasilania 5 V.

    Jak czytać karty katalogowe? Część 6 - diody Zenera
    Rys.1. Najprostszy układ z diodą Zebera - stabilizator napięcia 3,3 V.


    Powyższy układ można umieścić w symulatorze SPICE i zasymulować jego działanie. Jak widać na wykresie na rysunku 2 - dioda zaczyna przewodzić od około 2 V i przy 3,3 V zatrzymuje wzrost napięcia na wyjściu na stałym poziomie.

    Jak czytać karty katalogowe? Część 6 - diody Zenera
    Rys.2. Wyniki symulacji działania układu stabilizującego napięcie 3,3 V.


    Jedną z rzeczy, jakie da się zauważyć na symulacji, jest fakt, że przejście do regionu Zenera nie jest ostrym punktem na charakterystyce, jak można by się spodziewać. Przejście do regionu przebicia jest płynne, ale tą kwestię omówimy dokładniej za chwilę, czytając kartę katalogową układu.





    Diody Zenera produkowane są w rodzinach, w obrębie których głównym parametrem, który je od siebie odróżnia, jest napięcie Zenera. Spójrzmy na przykład na rodzinę 1N746. Użyjemy karty katalogowej tych elementów od Microsemi - Link - dobrze jest ją otworzyć w tle, albo nawet sobie wydrukować, by móc na bieżąco porównywać poszczególne fragmenty dokumentu z naszymi kopiami.

    Jak widzimy w dokumencie, karta katalogowa dotyczy dwóch serii diod - 1N749 do 1N759 oraz 1N4370 do 1N4732. Obie rodziny elementów mają maksymalną moc równą 0,5 W i tą samą obudowę. Najpewniej numeracja w dwóch pulach wynika z faktu, że elementy o wyższych numerach zostały dodane później do serii, wraz z zapotrzebowaniem na diody Zenera o coraz niższych napięciach przebicia. Seria 1N746 zaczyna się od 3,3 V i kończy na diodzie na 12 V. Seria 1N4730 z kolei posiada diodę o napięciu Zenera 2,4 V.

    Zauważmy, że w odróżnieniu od prezentowanych wcześniej diod prostowniczych, tutaj podstawowy parametr diody wyrażany jest w watach, nie w amperach. Wynika to z faktu, że diody te działają w stanie zaporowym, a co za tym idzie - ich wytrzymałość prądowa zależy od przyłożonego do nich napięcia, stąd też różnica i definicja mocy maksymalnej, a nie maksymalnego prądu.

    Jak czytać karty katalogowe? Część 6 - diody Zenera
    Jak widać w tabeli na stronie drugiej karty katalogowej (po lewej) - parametry poszczególnych diod zmieniają się wraz z napięciem Zenera. Diody w tabeli posortowane są po napięciu Zenera w kolejności wzrastającej. Po lewej stronie wpisano nazwę katalogową danej diodę, a następnie jej parametry. Pozwala to na porównywanie podobnych do siebie diod w prosty sposób i jest częstą metodą prezentowania tego typu rodzin elementów elektronicznych.

    Napięcie Zenera w zaprezentowanej serii zmienia się tak samo jak wartości oporników z szeregu 5%. Może to nas wprowadzić w błędne przekonanie, że są to elementy o tolerancji wynoszącej 5%, co jest nieprawdą. Wystarczy zerknąć do notki numer jeden pod tabelką, gdzie jest napisane, że diody bez litery A na końcu mają 10% tolerancji, a diody z literą A mają tolerancję równą 5%. Dodatkowo, ten producent diod dostarcza także elementy o tolerancji 2% (litera C) oraz 1% (litera D), jeśli tak precyzyjne diody Zenera są potrzebne.

    Idąc dalej przez uwagi do parametrów, widzimy, że napięcie Zenera podawane jest dla konkretnego prądu diody - w tym wypadku mierzone jest dla 20 mA. Widzimy także, że wyspecyfikowana jest impedancja diody, maksymalny prąd Zenera przez nią płynący oraz współczynnik temperaturowy dla napięcia Zenera.

    Pierwszą rzeczą, która jest niejasna w tym dokumencie, jest specyfikacja maksymalnego prądu wstecznego. Wynika to z faktu, że diody Zenera pracują właśnie z polaryzacją zaporową, co sprawia wrażenie, że prąd wsteczny to to samo co prąd Zenera. Jednakże, jeśli przyjrzymy się bliżej, dostrzeżemy, że prąd wsteczny podawany jest dla polaryzacji wstecznej napięciem równym 1 V, a więc poniżej progu napięcia przebicia. Parametr ten daje nam informację o tym, ile prądu "przecieka" przez diodę w momencie, gdy na nasz układ podane jest napięcie niższe niż napięcie Zenera.

    Kolejny parametr, na jaki się natykamy, to maksymalny prąd Zenera. Jako że wszystkie diody mają taką samą moc, spodziewamy się, że maksymalny prąd będzie spadał z temperaturą. I w rzeczywistości tak robi. Jednakże, jeśli pomnożymy maksymalny prąd Zenera przez nominalne napięcie przebicia dla każdej z diod, widzimy, że wynikowa moc jest niższa niż 0,5 W. Wskazuje to na to, że producent diod nie jest w stanie zagwarantować, że dioda będzie w maksymalnej temperaturze równie wydajnie rozpraszać ciepło. Dodatkowo, notka numer 4 poniżej tabelki wskazuje, że preferowaną mocą jest 400 mW lub mniej.

    Notka czwarta wskazuje też, że napięcie Zenera (VZ) będzie rosło z uwagi na zmiany impedancji (ZZ). Co to dokładnie oznacza? Wróćmy do tabeli, gdzie znajdziemy nieomówione jeszcze kolumny opisane jako maksymalna impedancja Zenera oraz testowe napięcie Zenera. To z kolei przekieruje nas do notki 3. pod tabelką, w której wskazano sposób pomiaru tych wartości. Głównie karta katalogowa odsyła nas do noty aplikacyjnej 202, którą znaleźć można tutaj. Na tej podstronie znaleźć można jednakże także inne ciekawe dokumenty dotyczące tego, w jaki sposób prowadzone są pomiary poszczególnych wartości. Warto się z nimi zapoznać, gdyż dotyczą one nie tylko diod Zenera, ale także i innych podobnych elementów.

    W dużym uproszczeniu mówiąc, napięcie diody Zenera zmienia się w funkcji przepływającego przez nią prądu. Przez to obliczenia dotyczące odprowadzanej mocy muszą to uwzględniać. To dobrze, że producent pomyślał o tym za nas i zawarł w karcie katalogowej już odpowiednio przeliczone dane. Drugą kwestią jest fakt, że wpływa to także na precyzję układu. Dokładniej mówiąc, im prąd jest bliższy testowemu, tym napięcie Zenera jest bliższe temu, jakie zapisano w karcie katalogowej.

    Teraz możemy powrócić do opisywanego na samym początku nachylenia charakterystyki napięciowej diody Zenera.

    Prześledźmy to na przykładzie prostego układu (schemat na rysunku 3 poniżej). Zadaniem tego układu jest monitorowanie napięcia i w momencie wystąpienia jego zaniku - generacja sygnału przerwania dla znajdującego się dalej w urządzeniu mikroprocesora. Układ miałby dzięki temu informację, że musi zakończyć obliczenia i zapisać je w pamięci SRAM, zanim napięcie zasilania (5 V) spadnie do poziomu, który uniemożliwia dalszą pracę. Monitorowana linia zasilania wyposażona była w całkiem dużą pojemność, niestety stabilizujący 5 V układ LM7805 potrzebuje 7,5 V na wejściu, by poprawnie stabilizować 5 V. Dlatego też zastosowana została dioda 9,1 V, która monitorowała linię zasilania przed stabilizatorem. Próg wyłączenia ustawiono na 9,5 V, co zapewniało spory zapas napięcia dla pozostałych elementów.

    Jako że układ był zasilany z baterii, to zaprojektowano go tak, by pobierał możliwie mało prądu. W związku z tym prąd diody wynosił sporo mniej niż 20 mA, a rezultatem tego był inny niż spodziewany próg uruchomienia zabezpieczenia przed zanikiem napięcia. Na szczęście prąd pobierany przez stabilizator też był minimalnie mniejszy niż początkowo zakładano, w związku z czym wszystko działało poprawnie. Przyjrzyjmy się jednak bliżej temu układowi.

    Na rysunku 3 przedstawiono model układu. Wyliczony próg zadziałania zabezpieczenia wynosi Vin = 9,1 V x (10 k? + 470 ?) / 10 k? = 9,53 V.

    Jak czytać karty katalogowe? Część 6 - diody Zenera
    Rys.3. Schemat układu wykorzystanego do symulacji.


    Gdy dokonamy symulacji działania powyższego układu, to jak widać na rysunku 4 poniżej, uzyskamy próg w wysokości około 9,41 V. Jest to około 0,1 V mniej niż wstępnie wyliczono - różnica nie jest drastyczna, ale warta zapamiętania podczas projektowania tego rodzaju układów.

    Jak czytać karty katalogowe? Część 6 - diody Zenera
    Rys.4. Wynik symulacji działania układu wykrywania zaniku zasilania.


    Dodatkowo, patrząc na ten układ, zadać można sobie pytanie, w jaki sposób układ ten może działać z diodą Zenera wpiętą do wejścia, a nie do masy. To proste - generalnie dioda Zenera nie musi być podłączona do masy tak jak na schemacie na początku, równie dobrze sprawdza się w tego rodzaju układzie. Układ ten najlepiej sprawdza się z komparatorami, które nie posiadają wejść rail-to-rail, gdyż gwarantuje to nam większą różnicę napięć pomiędzy mierzonym napięciem zasilania, a napięciem do jakiego spolaryzowane może być wewnętrznie wejście układu.

    Diody Zenera wyróżniają się na tle innych diod półprzewodnikowych trybem swojej pracy. Pamiętajmy o tym, a także o innych parametrach, które je odróżniają od zwykłych diod krzemowych podczas stosowania tych elementów w projektowanych przez nas układach. Jakkolwiek elementy te nie są często stosowane w obecnych czasach jako elementy dyskretne, bardzo często pojawiają się w strukturach układów scalonych jako jedne z ich podzespołów.

    W kolejnej odsłonie cyklu omówimy diody zabezpieczające - transile, które służą do zabezpieczenia układów scalonych przed przepięciami.

    Źródło: https://www.eeweb.com/profile/elizabeth-simon/articles/how-to-read-data-sheets-zener-diodes


    Fajne!
  • SterControl
  • #2 10 Cze 2018 10:42
    lukiiiii
    Poziom 26  

    ghost666 napisał:
    że przejście do regionu Zenera nie jest ostrym punktem na charakterystyce,


    No właśnie, sam się o tym przekonałem budując ładowarkę rowerową na przetwornicy step-down (Vout 5V) i dając na wyjściu dla zabezpieczenia zenerkę 5V1, przetwornica poszła z dymem. Zenerka przetrwała, przy drugim podejściu podłączyłem amperomierz pod nią i stopniowo zwiększałem napięcie i wtedy wyszło szydło z worka :). Szkoda że ten artykuł nie pojawił się wcześniej :).

  • SterControl