Eine Halbleiterdiode hat viele "Berufe". Es kann Spannungen gleichrichten, Stromkreise lösen und Geräte vor unsachgemäßer Stromversorgung schützen. Aber es gibt eine nicht ganz übliche Art der "Arbeit" der Diode, wenn ihre Eigenschaft der Einwegleitung sehr indirekt genutzt wird. Eine Halbleitervorrichtung, für die der Normalmodus eine Rückwärtsvorspannung ist, wird als Zenerdiode bezeichnet.
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Was ist eine Zenerdiode, wo wird sie verwendet und was sind sie?
Eine Zenerdiode oder eine Zenerdiode (benannt nach einem amerikanischen Wissenschaftler, der als erster die Eigenschaften dieses Halbleiterbauelements untersuchte und beschrieb) ist eine herkömmliche Diode mit einem pn-Übergang.Sein Merkmal ist das Arbeiten im Abschnitt der Kennlinie mit negativer Vorspannung, dh wenn die Spannung in umgekehrter Polarität angelegt wird. Eine solche Diode dient als unabhängiger Stabilisator, der die Verbraucherspannung unabhängig von Änderungen des Laststroms und Schwankungen der Eingangsspannung konstant hält. Außerdem werden Knoten an Zenerdioden als Referenzspannungsquellen für andere Stabilisatoren mit einer entwickelten Schaltung verwendet. Seltener wird eine Sperrdiode als Impulsformer oder Überspannungsschutz verwendet.
Es gibt herkömmliche Zenerdioden und solche mit zwei Anoden. Eine Zenerdiode mit zwei Anoden besteht aus zwei Dioden, die Rücken an Rücken in einem Gehäuse verbunden sind. Es kann durch zwei separate Geräte ersetzt werden, einschließlich dieser gemäß dem entsprechenden Schema.
Volt-Ampere-Kennlinie der Zenerdiode und ihr Funktionsprinzip
Um das Funktionsprinzip einer Zenerdiode zu verstehen, ist es notwendig, ihre typische Strom-Spannungs-Charakteristik (CVC) zu untersuchen.
Wird an den Zener wie an eine herkömmliche Diode eine Spannung in Durchlassrichtung angelegt, verhält sie sich wie eine herkömmliche Diode. Bei einer Spannung von etwa 0,6 V (für ein Siliziumgerät) öffnet es und tritt in den linearen Abschnitt der IV-Kennlinie ein. Zum Thema des Artikels ist das Verhalten einer Zenerdiode interessanter, wenn eine Spannung mit umgekehrter Polarität angelegt wird (negativer Zweig der Kennlinie). Erstens steigt sein Widerstand stark an und das Gerät hört auf, Strom zu leiten. Wenn jedoch ein bestimmter Spannungswert erreicht wird, tritt ein starker Stromanstieg auf, der als Durchbruch bezeichnet wird. Es hat einen Lawinencharakter und verschwindet, nachdem der Strom entfernt wurde.Wenn Sie die Sperrspannung weiter erhöhen, beginnt sich der p-n-Übergang zu erwärmen und tritt in den thermischen Durchbruchmodus ein. Ein thermischer Durchbruch ist irreversibel und bedeutet den Ausfall der Zenerdiode, daher sollten Sie die Diode nicht in diesen Modus versetzen.
Ein interessantes Einsatzgebiet eines Halbleiterbauelements im Avalanche-Durchbruchmodus. Seine Form ist nahezu linear, und er hat eine hohe Steilheit. Das bedeutet, dass bei einer großen Stromänderung (ΔI) die Spannungsabfalländerung an der Zenerdiode relativ klein ist (ΔU). Und das ist Stabilisierung.
Dieses Verhalten beim Anlegen einer Sperrspannung ist typisch für jede Diode. Die Besonderheit der Zenerdiode besteht jedoch darin, dass ihre Parameter in diesem Abschnitt des CVC normalisiert sind. Seine Stabilisierungsspannung und -steilheit sind (mit einer bestimmten Streuung) gegeben und wichtige Parameter, die die Eignung des Geräts in der Schaltung bestimmen. Sie finden sie in Nachschlagewerken. Als Zenerdioden können auch normale Dioden verwendet werden - wenn man deren CVC entfernt und darunter eine passende Kennlinie ist. Dies ist jedoch ein langer, mühsamer Prozess mit einem nicht garantierten Ergebnis.
Die Hauptmerkmale der Zenerdiode
Um eine Zenerdiode für bestehende Zwecke auszuwählen, müssen Sie einige wichtige Parameter kennen. Diese Eigenschaften bestimmen die Eignung des ausgewählten Geräts zur Lösung der Aufgaben.
Nennstabilisierungsspannung
Der erste Parameter des Zeners, auf den Sie bei der Auswahl achten müssen, ist die Stabilisierungsspannung, die durch den Startpunkt des Lawinendurchbruchs bestimmt wird. Es beginnt mit der Auswahl eines Gerätes für den Einsatz in der Schaltung.Für verschiedene Fälle von gewöhnlichen Zenerdioden, sogar vom gleichen Typ, hat die Spannung eine Streuung im Bereich von mehreren Prozent, für Präzisionsdioden ist der Unterschied geringer. Wenn die Nennspannung nicht bekannt ist, kann sie durch Zusammenbau einer einfachen Schaltung ermittelt werden. Sie sollten vorbereiten:
- Ballastwiderstand 1 ... 3 kOhm;
- einstellbare Spannungsquelle;
- Voltmeter (Sie können einen Tester verwenden).
Es ist notwendig, die Spannung der Stromquelle von Null anzuheben und den Spannungsanstieg an der Zenerdiode mit einem Voltmeter zu steuern. Irgendwann hört es auf, trotz weiterer Erhöhung der Eingangsspannung. Dies ist die eigentliche Stabilisierungsspannung. Wenn keine geregelte Quelle vorhanden ist, können Sie ein Netzteil mit einer konstanten Ausgangsspannung verwenden, die offensichtlich höher als die UStabilisierung ist. Schema und Messprinzip bleiben gleich. Es besteht jedoch die Gefahr eines Ausfalls der Halbleitervorrichtung aufgrund des Überschusses des Betriebsstroms.
Zenerdioden werden verwendet, um mit Spannungen von 2 ... 3 V bis 200 V zu arbeiten. Um eine stabile Spannung unterhalb dieses Bereichs zu bilden, werden andere Geräte verwendet - Stabilisatoren, die im direkten Abschnitt des CVC arbeiten.
Betriebsstrombereich
Der Strom, bei dem die Zenerdioden ihre Funktion erfüllen, wird von oben und unten begrenzt. Nach unten wird er durch den Beginn des linearen Abschnitts des Rückwärtszweigs des ZVK begrenzt. Bei niedrigeren Strömen bietet die Kennlinie keinen Konstantspannungsmodus.
Der obere Wert wird durch die maximale Verlustleistung begrenzt, zu der ein Halbleiterbauelement in der Lage ist, und hängt von seinem Design ab. Zenerdioden in einem Metallgehäuse sind für mehr Strom ausgelegt, vergessen Sie jedoch nicht die Verwendung von Kühlkörpern.Ohne sie ist die maximal zulässige Verlustleistung deutlich geringer.
Differentialwiderstand
Ein weiterer Parameter, der den Betrieb der Zenerdiode bestimmt, ist der Differenzwiderstand Rst. Sie ist definiert als das Verhältnis der Spannungsänderung ΔU zu der sie verursachenden Stromänderung ΔI. Dieser Wert hat die Dimension Widerstand und wird in Ohm gemessen. Grafisch ist dies die Tangente der Steigung des Arbeitsabschnitts der Kennlinie. Je niedriger der Widerstand, desto besser die Stabilisierungsqualität. Für eine ideale (in der Praxis nicht vorhandene) Zenerdiode ist Rst gleich Null - eine Stromerhöhung führt zu keiner Spannungsänderung, und der I-V-Kennlinienabschnitt verläuft parallel zur y-Achse.
Markierung der Zenerdiode
Inländische und importierte Zenerdioden in einem Metallgehäuse sind einfach und eindeutig gekennzeichnet. Sie sind mit dem Gerätenamen und der Lage von Anode und Kathode in Form einer schematischen Bezeichnung gekennzeichnet.
Geräte im Kunststoffgehäuse sind auf der Kathoden- und Anodenseite mit verschiedenfarbigen Ringen und Punkten gekennzeichnet. Anhand der Farbe und Zeichenkombination kann man zwar den Gerätetyp bestimmen, dazu muss man aber in Fachbücher nachschlagen oder Rechenprogramme verwenden. Beides ist im Internet zu finden.
Manchmal wird eine Stabilisierungsspannung an Zenerdioden mit niedriger Leistung angelegt.
Schaltungen mit Zenerdioden
Der Hauptstromkreis zum Einschalten einer Zenerdiode liegt in Reihe mit Widerstand, der den Strom durch das Halbleiterbauelement einstellt und die Überspannung übernimmt. Die beiden Elemente machen gemeinsamer Teiler. Wenn sich die Eingangsspannung ändert, bleibt der Abfall über der Zenerdiode konstant, während sich der Abfall über dem Widerstand ändert.
Eine solche Schaltung kann unabhängig verwendet werden und wird als parametrischer Stabilisator bezeichnet. Es hält die Spannung am Verbraucher konstant, trotz Schwankungen der Eingangsspannung oder des entnommenen Stroms (innerhalb gewisser Grenzen). Ein ähnlicher Block wird auch als Hilfsschaltung verwendet, wenn eine Referenzspannungsquelle benötigt wird.
Ein solcher Einschluss wird auch als Schutz empfindlicher Geräte (Sensoren usw.) vor einem abnormalen Auftreten von Hochspannung in der Strom- oder Messleitung (konstante oder zufällige Impulse) verwendet. Alles oberhalb der Stabilisierungsspannung des Halbleiterbauelements wird "abgeschaltet". Ein solches Schema wird als "Zener-Barriere" bezeichnet.
Früher wurde die Eigenschaft der Zenerdiode, die Spannungsspitzen „abzuschneiden“, häufig in Pulsformerschaltungen genutzt. Zwei-Anoden-Geräte wurden in Wechselstromkreisen verwendet.
Aber mit der Entwicklung der Transistortechnologie und dem Aufkommen integrierter Schaltkreise wurde dieses Prinzip selten verwendet.
Wenn für die gewünschte Spannung keine Zenerdiode zur Hand ist, kann sie aus zwei bestehen. Die Gesamtstabilisierungsspannung ist gleich der Summe der beiden Spannungen.
Wichtig! Keine Zenerdioden parallel schalten, um den Betriebsstrom zu erhöhen! Die Ausbreitung der Strom-Spannungs-Kennlinie führt zum Ausgang einer Zenerdiode in die Zone des thermischen Durchbruchs, dann fällt die zweite aufgrund des Überschusses des Laststroms aus.
Obwohl es in der technischen Dokumentation der Zeiten der UdSSR erlaubt ist parallel Aufnahme Zener parallel, jedoch mit der Maßgabe, dass die Geräte vom gleichen Typ sein müssen und die gesamte tatsächliche Verlustleistung während des Betriebs den zulässigen Wert für eine einzelne Zenerdiode nicht überschreiten sollte. Das heißt, eine Erhöhung des Betriebsstroms kann unter dieser Bedingung nicht erreicht werden.
Um den zulässigen Laststrom zu erhöhen, wird ein anderes Schema verwendet. Der parametrische Stabilisator wird durch einen Transistor ergänzt, und ein Emitterfolger wird mit einer Last im Emitterkreis und einem stabilen Zustand erhalten Basisspannung des Transistors.
In diesem Fall ist die Ausgangsspannung des Stabilisators um den Betrag des Spannungsabfalls am Emitterübergang geringer als UStabilisierung - für einen Siliziumtransistor etwa 0,6 V. Um diesen Abfall zu kompensieren, können Sie eine Diode in Reihe schalten mit die Zenerdiode in Durchlassrichtung.
Auf diese Weise (durch Einschalten einer oder mehrerer Dioden) können Sie die Ausgangsspannung des Stabilisators in einem kleinen Bereich nach oben regeln. Wenn Sie Uout radikal erhöhen müssen, ist es besser, eine weitere Zenerdiode in Reihe zu schalten.
Der Anwendungsbereich der Zenerdiode in elektronischen Schaltungen ist umfangreich. Mit einer bewussten Herangehensweise an die Wahl wird dieses Halbleiterbauelement dazu beitragen, viele Probleme zu lösen, die dem Entwickler zugewiesen werden.
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