Elektroda.pl
Elektroda.pl
X

Search our partners

Find the latest content on electronic components. Datasheets.com
Elektroda.pl
Computer ControlsComputer Controls
Please add exception to AdBlock for elektroda.pl.
If you watch the ads, you support portal and users.

Stabilizatory napięcia z diodami Zenera

ghost666 11 Aug 2020 10:56 4785 16
  • W przypadku spolaryzowania w kierunku przewodzenia dioda Zenera zachowuje się jak normalna dioda krzemowa ze złączem PN, umożliwiając przepływ prądu z anody do katody. Jednak w przeciwieństwie do zwykłej diody, która blokuje przepływ prądu, gdy jest ona spolaryzowana zaporowo, po osiągnięciu pewnego progu napięcia wstecznego dioda Zenera zaczyna przewodzić prąd, który płynie w przeciwnym kierunku. Napięcie progowe dla tego zjawiska zwane jest napięciem Zenera. W poniższym artykule przeanalizujemy kilka aspektów sprzętowych i symulacji tego rodzaju układów, które wykorzystywane są jako stabilizatory napięcia.

    Kiedy napięcie przyłożone zaporowo do diody Zenera przekroczy graniczną wartość progową, typową dla danego elementu, w tzw. obszarze zubożenia półprzewodników zachodzi proces znany jako przebicie lawinowe. Na jego skutek przez diodę przepływa wysoki prąd, który ogranicza dalszy wzrost napięcia. Podczas tego procesu ładunki elektryczne powstają w wyniku zderzenia się wolnych elektronów z atomami półprzewodnika, co w konsekwencji prowadzi do wydzielania się ciepła i możliwości nieodwracalnego uszkodzenia urządzenia.

    Stabilizatory napięcia z diodami Zenera
    Rys.1. Typowa charakterystyka
    I-V diody Zenera.
    Jeśli jednak dioda jest wyprodukowana z bardzo cienkim i silnie domieszkowanym obszarem zubożenia, możliwe jest generowanie prądu wstecznego w wyniku wytworzenia w złączu pola elektrycznego o dostatecznie dużym natężeniu. Ten proces pokazany na rysunku 1 znany jest jako przebicie Zenera. Jest on w pełni odwracalny i nie powoduje uszkodzenia diody. Punkt na osi poziomej, od którego zaczyna się stabilizacja napięcia na diodzie Zenera, odpowiada tak zwanemu napięciu Zenera (VZ), którego wartość może wynosić od kilku do kilkuset woltów. Nachylenie krzywej przewodzenia i minimalna wartość prądu wstecznego, od której wyzwalany jest proces, można dokładnie kontrolować podczas procesu produkcyjnego, z tolerancją mniejszą niż 1%, zmieniając parametry domieszkowania i wytwarzania diod.

    Stabilizatory napięcia z diodami Zenera
    Rys.2. Stabilizator napięcia z diodą Zenera.
    Stabilizator napięcia Zenera

    Dioda Zenera oferuje znacznie wyższy poziom stabilności zasilania, niż można osiągnąć np. za pomocą samego obwodu mostka prostowniczego i kondensatora filtrującego. W szczególności, za pomocą odpowiedniego domieszkowania półprzewodników, możliwe jest uzyskanie praktycznie pionowego nachylenia krzywej załamania Zenera z rysunku 1, uzyskując stabilizowane napięcie o pomijalnych i stałych tętnieniach, niezmieniających się w miarę zmian napięcia wejściowego. Rysunek 2 przedstawia schematy najprostszego stabilizatora napięcia, opartego na diodzie Zenera. Zastosowano diodę Zenera o VZ = 12 V, natomiast wartość dla rezystora szeregowego R można wyznaczyć zgodnie z rysunkiem, gdzie Vi to napięcie wejściowe, Vo to stabilizowane napięcie wyjściowe (w tym przypadku 12 V), a IL to prąd pobierany przez obciążenie.

    Stabilizatory napięcia z diodami Zenera
    Rys.3. Stabilizator bocznikowy z diodą
    Zenera i tranzystorem.
    Bez obciążenia (IL = 0) cały prąd z obwodu przejdzie przez diodę Zenera, która z kolei rozproszy swoją maksymalną moc. Dlatego konieczne jest staranne dobranie wartości rezystancji szeregowej, aby nie przekroczyć maksymalnej mocy, jaką dioda Zenera może rozproszyć, gdy nie jest do niej podłączone żadne obciążenie. Obwód ten, zdolny do generowania prądu o wartości nieprzekraczającej kilkadziesiąt miliamperów, jest często używany do polaryzacji bazy tranzystora lub jako wejście do wzmacniacza operacyjnego, uzyskując w ten sposób wyższą wartość prądu wyjściowego z stabilizatora. Rysunek 3 przedstawia bocznikowy stabilizator tranzystorowy, zdolny do zwiększania mocy dostarczanej do obciążenia. Napięcie wyjściowe VO jest określone wzorem: VO = VZ + VBE.

    Standardowe napięcia Zenera

    Na rynku dostępne są diody Zenera o napięciu charakterystycznym od nieco ponad 1 V do kilkuset woltów. Dla każdej wartości napięcia ogólnie dostępna jest jedna lub więcej wartości mocy, od nieco poniżej 0,5 W do ponad 5 W (typowo). Wśród najczęściej spotykanych rodzin diod Zenera jest seria małych diod sygnałowych BZX55, o napięciu VZ od 2,4 V do 75 V oraz maksymalnej rozpraszanej mocy do 500 mW. Rodzina diod mocy Zenera BZX85 jest również szeroko stosowana, przy napięciach VZ od 2,7 V do 100 V i maksymalnej rozpraszanej mocy do 1300 mW.

    Stabilizatory napięcia z diodami Zenera
    Rys.4. Szeregowy stabilizator napięcia
    z diodą Zenera i tranzystorem.
    Szeregowy regulator napięcia z diodą Zenera

    Rysunek 4 przedstawia najprostszy przykład stabilizatora szeregowego z diodą Zenera. Tranzystor jest podłączony jako wtórnik napięciowy, a napięcie wyjściowe jest o około 0,6 do 0,7 V niższe niż napięcie Zenera. Rezystor R musi być dobrany w taki sposób, aby dioda Zenera była przez cały czas prawidłowo spolaryzowana, a prąd bazy Q1 był wystarczający do doprowadzenia go do stanu przewodzenia. Aby zapobiec spadkowi prądu na diodzie Zenera do wartości niepozwalającej na występowanie efektu Zenera, tranzystor małej mocy 2N2222 można zastąpić tranzystorem Darlingtona.

    Źródło: https://www.powerelectronicsnews.com/power-supply-design-notes-zener-diode-voltage-regulator/

    Cool! Ranking DIY
    Can you write similar article? Send message to me and you will get SD card 64GB.
    About Author
    ghost666
    Translator, editor
    Offline 
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    ghost666 wrote 10363 posts with rating 8656, helped 157 times. Live in city Warszawa. Been with us since 2003 year.
  • Computer ControlsComputer Controls
  • #2
    CYRUS2
    Level 41  
    Dioda Zenera jest źródłem napięcia odniesienia – napięcia wzorcowego.
    Bardzo rzadko stosuje się ją jako stabilizator napięcia.

    Co to jest stabilizator napięcia ?
    To wzmacniacz prądu stałego o małej rezystancji wyjściowej, wzmacniający napięcie wzorcowe.

    Taki jest układ na rys 4.
    Dioda Zenera to napięcie wzorcowe, a wtórnik emiterowy to wzmacniacz prądu stałego o wzmocnieniu mniejszym trochę od 1.
    Z definicji o małej wtórnik ma małą rezystancję wyjściową.
    Ale w 21 wieku możemy to lepiej zrobić.
    Zastosować wzmacniacz operacyjny jako wzmacniacz prądu stałego.
    Otrzymamy znacznie lepsze parametry stabilizatora.
    Stabilizatory napięcia z diodami Zenera
    To układ – wtórnik - o wzmocnieniu bardzo dokładnie 1.
    Wejście „plus” nie pobiera prądu, wiec nie wpływa na wartość prądu diody Zenera
    Co to jest stabilizator napięcia ?
    To wzmacniacz prądu stałego o małej rezystancji wyjściowej.

    Można zrobić wzmacniacz o wzmocnieniu większym od 1.
    Stabilizatory napięcia z diodami Zenera
    Na rysunku jest układ o wzmocnieniu 3.
    Wzmocnienie jest określone wzorem:
    ku = R1+R2/ R2
    Ku= 3 Więc napięcie wyjściowe jest równe bardzo dokładnie +Uz x 3.
    Zmieniając wartości rezystorów możemy zmieniać wzmocnienie.
    Możemy ustawić napięcie wyjściowe jakie chcemy.
    Wartości rezystorów nie są ”krytyczne”.
    Mogą być w zakresie 0d 1k do 100k.
    Dlatego, że wejście „minus” także nie pobiera prądu.

    Uwaga ! Określenie „wzmacniacz prądu stałego" to zwrot idiomatyczny.
    Należy to rozumieć jako wzmacniacz napięcia stałego jak i prądu stałego.
  • Computer ControlsComputer Controls
  • #3
    zgierzman
    Level 29  
    CYRUS2 wrote:
    Dioda Zenera jest źródłem napięcia odniesienia – napięcia wzorcowego.
    Bardzo rzadko stosuje się ją jako stabilizator napięcia.


    Pod warunkiem, że nie liczymy chińskich wynalazków z zasilaczami beztransformatorowymi. Tam w miażdżącej przewadze są właśnie stabilizatory takie jak "Rys.2. Stabilizator napięcia z diodą Zenera."

    Jeśli policzylibyśmy na sztuki takie cuda jak lampki choinkowe, programowalne zegarowe włączniki i tym podobne, to może okazać się, że jest wręcz odwrotnie niż piszesz - więcej diod robi za stabilizator, niż za źródło napięcia odniesienia.
    Żeby nie być gołosłownym zamieszczam zdjęcie płytki jednego z takich gadżetów. Strzałkami zaznaczone dwie diody zenera. Mniejsza stabilizuje napięcia dla procesora i reszty logiki, większa (jej brakuje - wyjąłem, bo była uszkodzona) "robi" 24 VDC dla przekaźnika.

    Stabilizatory napięcia z diodami Zenera
  • #4
    brofran
    Level 39  
    CYRUS2 wrote:
    Bardzo rzadko stosuje się ją jako stabilizator napięcia
    Obecnie dla dobrej stabilizacji to sa bardziej złożone układy , ale dawniej 1 zenerka + tranzystor to była norma. Dla większości i dzisiejszych wyrobów ( szczególnie Chińskich ) , też taka prosta stabilizacja jest stosowana i wystarcza.
  • #5
    katakrowa
    Level 21  
    Podepnę się pod temat ze swoim pytaniem.
    Mam wzmacniacz audio a w nim zasilacz symetryczny +/- 40V DC.
    Chciałbym z dodatniej gałęzi napięcia "uszczknąć" dla "sterownika" kilka Wat na zasilanie 2 przekaźników, potencjometru cyfrowego, uC (atmega328) i 16 diod LED.
    Wstępnie zbudowałem do tego osobny zasilacz z osobnym transformatorem ale chciałbym go wyeliminować, nawinąłem też dodatkowe uzwojenie na głównym trafo ale niestety strasznie bzyczało ( bzyczały druty ) mimo, że starałem się zacisnąć wszystko mocno i równomiernie..

    Stąd pytania:

    1. Czy takie stabilizatory na bazie diody Zenera się sprawdzą / ilość oddawanego ciepła nie będzie nadmierna da się to jakoś przeprojektować żaby oddawało jak najmniej ciepła ?
    2. Czy może jednak wskazane jest użyć przetwornicy DC-DC ( niestety te tanie mocno "sieją" zakłóceniami / szumem ) ?
    3. Czy jednak pozostać przy dodatkowym tradycyjnym transformatorze ?
    4. Czy do zastosowań audio nadadzą się regulatory napięcia typu: LM2675N5.0, L4962A, LM2672M5 ?
  • #6
    zgierzman
    Level 29  
    katakrowa wrote:
    1. Czy takie stabilizatory na bazie diody Zenera się sprawdzą / ilość oddawanego ciepła nie będzie nadmierna da się to jakoś przeprojektować żaby oddawało jak najmniej ciepła ?


    Stabilizatory napięcia z diodami Zenera
    Rys.4. Szeregowy stabilizator napięcia
    z diodą Zenera i tranzystorem.
    Szeregowy regulator napięcia z diodą Zenera

    Ten układ powinien dać radę - w zależności od spodziewanej mocy i napięcia wejściowego można dobrać tranzystor i ewentualnie radiator do niego. A moc tracona na tranzystorze - wiadomo U * I, gdzie U to różnica napięć wejściowego i wyjściowego, a I to prąd pobierany ze stabilizatora.
    Inaczej niż w scalonych stabilizatorach liniowych, które przeważnie mają dość niskie dopuszczalne napięcia wejściowe, możesz użyć tranzystora nawet na setki woltów. Ja robiłem taki stabilizator z Uwej = 60 V, Uwyj = 5 V.

    Będzie się to grzało, ale coś za coś - albo stabilizacja liniowa (grzanie) albo impulsowa (sianie)...

    Jeżeli nie chcesz przetwornic, to układy LM2675N5.0, L4962A, LM2672M5 odpadają, bo to są stabilizatory impulsowe, czyli właśnie przetwornice :-) Np. taki LM2675 ma "260-kHz Fixed Frequency Internal Oscillator"...

    Są jeszcze układy hybrydowe - przetwornica z 40 V na, powiedzmy, 7 V a potem zwykły stabilizator liniowy - jakiś LM317 czy podobny. Widywałem takie rozwiązania, stabilizator liniowy powoduje zmniejszenie szumu przetwornicy na wyjściu układu, a całość ma większą sprawność niż "goły" stabilizator liniowy. Jednak w audio może być kicha, bo zakłócenia z przetwornicy będą też przenosić się na wejście - to 40 V, które jest pewnie do zasilania końcówek mocy.
  • #8
    katakrowa
    Level 21  
    Wielkie dzięki za wskazówkę / sugestię. Części dyskretnych mam sporo więc nawet nie muszę iść do sklepu a chciałem uniknąć kolejnych zakupów niepotrzebnych gratów.
    zgierzman wrote:
    to 40 V, które jest pewnie do zasilania końcówek mocy.


    Dokładnie tak.
    Mam kilka takich gołych wzmacniaczy/końcówek, które chciałem wyposażyć w jakieś podstawowe sterowanie głośności, balansu, wyciszania itp ...
  • #9
    micro
    Level 19  
    ghost666 wrote:
    Rysunek 2 przedstawia schematy najprostszego stabilizatora napięcia, opartego na diodzie Zenera. Zastosowano diodę Zenera o VZ = 12 V, natomiast wartość dla rezystora szeregowego R można wyznaczyć zgodnie z rysunkiem, gdzie Vi to napięcie wejściowe, Vo to stabilizowane napięcie wyjściowe (w tym przypadku 12 V), a IL to prąd pobierany przez obciążenie.

    Dodałbym tylko, że musimy w tym wzorze uwzględnić min. prąd diody, aby było utrzymane napięcie wyjściowe.
  • #10
    CYRUS2
    Level 41  
    micro wrote:
    Dodałbym tylko, że musimy w tym wzorze uwzględnić min. prąd diody, aby było utrzymane napięcie wyściowe.
    Jest uwzględniony IL +5mA.
  • #11
    jarek_lnx
    Level 43  
    Współcześnie zwykłe diody Zenera przydają się rzadko, bo do stabilizacji napięcia mamy gotowe stabilizatory szeregowe (np 78xx, LM317, LM1117, LM2981), do napięć odniesienia wzorce band-gap (np TL431,LM385,LM336), albo diody Zenera skompensowane temperaturowo (np LM329, LM399).

    Ostatnio wg rys 4 robiłem stabilizator na 350V małej mocy - trudno było by znaleźć gotowca, zamiast rezystora był MOSFET ze zubożanym kanałem - źródło prądowe dzięki czemu układ pracował poprawnie w szerokim zakresie napięć.

    W zasilaczach beztransformatorowych nawet jeśli jest jakiś stabilizator scalony i tak potrzeba diody Zenera która ograniczy napięcie na kondensatorze przy braku obciążenia.

    Diody Zenera i ich wzmocnione odpowiedniki (TVS) najczęściej przydają sie jako ograniczniki napięć/przepięć na wejściach układów.

    Diody Zenera w porównaniu z układami scalonymi mają kiepski współczynnik temperaturowy (poza tymi blisko 5,6V) i sporą zależność napięcia od prądu (rezystancję dynamiczną), szczególnie te poniżej 5V.

    katakrowa wrote:
    Chciałbym z dodatniej gałęzi napięcia "uszczknąć" dla "sterownika" kilka Wat na zasilanie 2 przekaźników, potencjometru cyfrowego, uC (atmega328) i 16 diod LED.
    Jeśli nie projektowałeś tego specjalnie pod takie zasilanie, to stabilizacja liniowa nie ma sensu, ze względu na straty mocy.

    katakrowa wrote:
    nawinąłem też dodatkowe uzwojenie na głównym trafo ale niestety strasznie bzyczało ( bzyczały druty ) mimo, że starałem się zacisnąć wszystko mocno i równomiernie..
    Druty przez które nie płynie prąd nie maja prawa drgać albo zrobiłeś zwarcie albo pobierałeś jakieś "grube" ampery :)

    katakrowa wrote:
    1. Czy takie stabilizatory na bazie diody Zenera się sprawdzą / ilość oddawanego ciepła nie będzie nadmierna da się to jakoś przeprojektować żaby oddawało jak najmniej ciepła ?
    A ile maksymalnie pobiera twój układ?

    katakrowa wrote:
    2. Czy może jednak wskazane jest użyć przetwornicy DC-DC ( niestety te tanie mocno "sieją" zakłóceniami / szumem ) ?
    Tu nie chodzi o to czy tanie czy drogie nie widziałem przetwornicy, czy to za 5zł czy za 50zł która by zawierała dodatkowe filtry, pierwsze nie mają ze względu na cenę drugie ze względu na miniaturyzację.

    katakrowa wrote:
    3. Czy jednak pozostać przy dodatkowym tradycyjnym transformatorze ?

    Przy transformatorze problemów nie będzie, przy zasilaniu impulsowym mogą ale nie muszą. Jak już wystąpią ich usuniecie może być trudne.
    katakrowa wrote:
    4. Czy do zastosowań audio nadadzą się regulatory napięcia typu: LM2675N5.0, L4962A, LM2672M5 ?

    Źle zadane pytanie, w sprzęcie ze sklepu są tylko przetwornice i działa, nawet w oscyloskopach i radiach gdzie są wzmacniane słabe sygnały.
    Poprawne pytanie brzmiało by czy twój projekt urządzenia audio jest na tyle dobry że praca pobliskiej przetwornicy go nie zakłóci?
    I czy twój projekt płytki przetwornicy będzie dobry, to nie scalak decyduje o zakłóceniach ale PCB i elementy bierne.
  • #12
    User removed account
    Level 1  
  • #13
    pawelr98
    Level 39  
    Myślę, że warto w tym wątku wspomnieć o złączu Baza-Emiter zwykłego tranzystora bipolarnego spolaryzowanego zaporowo. Występuje zjawisko przebicia zenera.

    Często wykorzystywane do zabezpieczania wejść w multimetrach i innych urządzeniach pomiarowych ze względu na niską cenę i dużą prędkość działania.
    Do tego duże tranzystory bez problemu przykręcimy do radiatora.

    I jeszcze warto rozróżniać przebicie zenera od przebicia lawinowego.
    W praktyce są to zjawiska na tyle "podobne", że większość diod lawinowych i tak jest nazywanych diodami zenera.
    Powyżej tych 7V to w zasadzie należy mówić o diodzie lawinowej.
  • #14
    CYRUS2
    Level 41  
    pawelr98 wrote:
    Myślę, że warto w tym wątku wspomnieć o złączu Baza-Emiter zwykłego tranzystora bipolarnego spolaryzowanego zaporowo.
    Nie warto.
    Bo temat jest taki:
    Re: Stabilizatory napięcia z diodami Zenera
    pawelr98 wrote:
    Często wykorzystywane do zabezpieczania wejść w multimetrach
    To nie są stabilizatory
  • #15
    pawelr98
    Level 39  
    Ale jak najbardziej można je używać do stabilizacji.

    Zresztą w niektórych oszczędnościowych konstrukcjach tak właśnie robiono kiedy nie była krytyczna wartość napięcia a sam fakt istnienia stabilizacji.

    Przecież nawet u nas w Polsce wybrakowane tranzystory sprzedawano jako zenery, po prostu obcinano trzecią nogę bądź mostkowano ją z jedną z pozostałych.
  • #16
    jarek_lnx
    Level 43  
    Były robione Zenery w obudowach tranzystorowych TO-18 i TO-126. I to nie tylko na "tranzystorowe" napięcie przebicia.
  • #17
    katakrowa
    Level 21  
    jarek_lnx wrote:
    Druty przez które nie płynie prąd nie maja prawa drgać albo zrobiłeś zwarcie albo pobierałeś jakieś "grube" ampery

    Płynął prąd ale mały góra 0,5A i bzyczało na tyle głośno, że było to słychać.

    jarek_lnx wrote:
    A ile maksymalnie pobiera twój układ?


    Myślę, że góra 200mA w tym: AtMega328, 2 mikro przekaźniki z cewkami 5V, Czujnik podczerwieni TSOP1736, Cyfrowy potencjometr, max 15 diod LED, enkoder.