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.
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.
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.
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.
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/
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.
Rys.1. Typowa charakterystyka
I-V diody Zenera.
Rys.2. Stabilizator napięcia z diodą 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.
Rys.3. Stabilizator bocznikowy z diodą
Zenera i tranzystorem.
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.
Rys.4. Szeregowy stabilizator napięcia
z diodą Zenera i tranzystorem.
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/
Fajne? Ranking DIY
Np. taki LM2675 ma "260-kHz Fixed Frequency Internal Oscillator"...
