Mạch điốt Zener, Đặc điểm, Tính toán

Điốt Zener - được đặt theo tên người phát minh ra nó, Tiến sĩ Carl Zener về cơ bản được sử dụng trong các mạch điện tử để tạo ra các tham chiếu điện áp chính xác. Đây là những thiết bị có thể tạo ra một điện áp thực tế không đổi trên chúng bất kể sự thay đổi của các tình huống mạch và điện áp.

Bên ngoài, bạn có thể tìm thấy điốt zener rất giống với điốt tiêu chuẩn như 1N4148. Điốt Zener cũng hoạt động bằng cách chỉnh lưu AC thành DC xung khá giống như các lựa chọn thay thế truyền thống của chúng. Tuy nhiên, trái với điốt chỉnh lưu tiêu chuẩn, điốt zener được cấu hình với cực âm của chúng được kết nối trực tiếp với cực dương của nguồn cung cấp và cực dương với nguồn cung cấp âm.

Nét đặc trưng

Trong cấu hình tiêu chuẩn của nó, điốt Zener thể hiện điện trở cao dưới một điện áp cụ thể, tới hạn (được gọi là điện áp Zerier). Khi điện áp tới hạn cụ thể này bị vượt qua, điện trở hoạt động của diode Zener giảm xuống mức cực kỳ thấp.

Và ở giá trị điện trở thấp này, một điện áp không đổi hiệu dụng được giữ trên Zutor, và điện áp không đổi này có thể được duy trì bất kể bất kỳ sự thay đổi nào trong dòng nguồn.

Nói một cách đơn giản, bất cứ khi nào nguồn cung cấp qua diode zener vượt quá giá trị zener định mức, diode zener sẽ dẫn và căn cứ vào điện áp vượt quá. Do đó, điện áp giảm xuống dưới điện áp zener làm TẮT zener và nguồn cung cấp lại cố gắng vượt quá điện áp zener, lại BẬT zener một lần nữa. Chu kỳ này lặp lại nhanh chóng dẫn đến việc ổn định đầu ra chính xác ở giá trị điện áp zener không đổi.

Đặc tính này được đánh dấu bằng đồ thị trong hình dưới đây cho thấy rằng ở trên 'điện áp Zener', điện áp ngược tiếp tục gần như không đổi ngay cả với các biến thể của dòng điện ngược. Do đó, điốt Zener thường được sử dụng để giảm điện áp liên tục, hoặc điện áp tham chiếu, với điện trở bên trong của chúng.

Điốt Zener được thiết kế theo nhiều mức công suất và với mức điện áp nằm trong khoảng từ 2,7 Volts đến 200 Volts. (Tuy nhiên, hầu hết, điốt Zener có giá trị trên 30 Volt hầu như không được sử dụng.)

Mạch điốt Zener cơ bản làm việc

Một mạch điều chỉnh điện áp tiêu chuẩn, sử dụng một điện trở duy nhất và một diode Zener, có thể được chứng kiến ​​trong hình ảnh sau đây. Ở đây, giả sử giá trị của diode Zener là 4,7 V và điện áp nguồn cung cấp V là 8,0 V.

Hoạt động cơ bản của một diode zener có thể được giải thích với những điểm sau:

Trong trường hợp không có tải qua đầu ra của diode zener, một 4,7 Volts có thể được nhìn thấy trên diode Zener trong khi một 2,4 Volts bị cắt được phát triển trên điện trở R.

Bây giờ, trong trường hợp điện áp đầu vào bị thay đổi, hãy tưởng tượng, từ 8,0 đến 9,0 V, sẽ gây ra sụt áp trên Zener để vẫn duy trì mức 4,7 V định mức.

Tuy nhiên, điện áp giảm trên điện trở R có thể được tăng lên, từ 2,4 V, lên 3,4 V.

Điện áp giảm trên một Zener lý tưởng có thể được dự kiến ​​là khá ổn định. Thực tế, bạn có thể thấy điện áp trên zener tăng lên một chút vì điện trở động của Zener.

Quy trình tính toán sự thay đổi điện áp Zener bằng cách nhân điện trở động của zener với sự thay đổi dòng điện Zener.

Điện trở R1, trong thiết kế bộ điều chỉnh cơ bản ở trên, tượng trưng cho tải ưu tiên có thể được kết nối với zener. R1 trong kết nối này sẽ hút một lượng dòng điện nhất định đang di chuyển qua Zener.

Vì dòng điện tính bằng Rs sẽ cao hơn dòng điện đi vào tải, một lượng dòng điện sẽ tiếp tục đi qua Zener tạo ra một điện áp hoàn toàn không đổi trên Zener và tải.

Điện trở nối tiếp R được chỉ định nên được xác định theo cách sao cho dòng điện thấp nhất đi vào Zener luôn cao hơn mức tối thiểu được chỉ định cho một quy định ổn định từ zener. Mức này bắt đầu ngay dưới 'đầu gối' của đường cong điện áp ngược / dòng điện ngược như đã học từ sơ đồ hình trước ở trên.

Ngoài ra, bạn phải đảm bảo rằng việc lựa chọn Rs đảm bảo rằng dòng điện đi qua điốt Zener không bao giờ vượt quá định mức công suất của nó: có thể tương đương với điện áp Zener x dòng điện Zener. Đây là lượng dòng điện cao nhất có thể đi qua diode Zener khi không có tải R1.

Cách tính toán điốt Zener

Thiết kế một mạch zener cơ bản thực sự đơn giản và có thể được thực hiện thông qua các hướng dẫn sau:

1. Xác định dòng tải tối đa và tối thiểu (Li), ví dụ 10 mA và 0 mA.
2. Xác định điện áp nguồn tối đa có thể phát triển, ví dụ mức 12 V, cũng đảm bảo rằng điện áp nguồn tối thiểu luôn = 1,5 V + Vz (định mức điện áp zener).
3. Như đã chỉ ra trong thiết kế bộ điều chỉnh cơ bản, điện áp đầu ra yêu cầu là điện áp Zener tương đương Vz = 4,7 Volts và được chọn dòng Zener thấp nhất là 100 microamps . Điều này ngụ ý rằng dòng Zener dự định tối đa ở đây là 100 microampe cộng với 10 miliampe, là 10,1 miliampe.
4. Điện trở nối tiếp Rs phải cho phép lượng dòng điện tối thiểu 10,1 mA ngay cả khi nguồn cung cấp đầu vào là mức thấp nhất được chỉ định, cao hơn 1,5 V so với giá trị zener đã chọn Vz và có thể được tính bằng cách sử dụng luật Ohms như: Rs = 1,5 / 10,1 x 10^-3= 148,5 Ohm. Giá trị tiêu chuẩn gần nhất dường như là 150 Ohm, vì vậy Rs có thể là 150 ohm.
5. Nếu điện áp nguồn tăng lên 12 V, điện áp giảm trên Rs sẽ là Iz x Rs, trong đó Iz = dòng điện qua zener. Do đó, áp dụng định luật Ôm ta được Iz = 12 - 4,7 / 150 = 48,66 mA
6. Trên đây là dòng điện tối đa sẽ được phép đi qua diode zener. Nói cách khác, dòng điện tối đa có thể chạy trong khi tải đầu ra tối đa hoặc đầu vào điện áp cung cấp tối đa được chỉ định. Trong điều kiện này, diode zener sẽ tiêu tán một công suất Iz x Vz = 48,66 x 4,7 = 228 mW. Giá trị đánh giá công suất tiêu chuẩn gần nhất để đáp ứng điều này là 400 mW.

Ảnh hưởng của nhiệt độ lên điốt Zener

Cùng với các thông số về điện áp và tải, điốt Zener cũng có khả năng chống chịu khá tốt với các biến đổi nhiệt độ xung quanh chúng. Tuy nhiên, ở một mức độ nào đó, nhiệt độ có thể có một số ảnh hưởng đến thiết bị như được chỉ ra trong biểu đồ bên dưới:

Nó cho thấy đường cong hệ số nhiệt độ của diode zener. Mặc dù ở điện áp cao hơn, đường cong hệ số đáp ứng ở khoảng 0,1% mỗi độ C, nó di chuyển qua 0 ở 5 V và sau đó chuyển sang âm đối với các mức điện áp thấp hơn. Cuối cùng, nó đạt -0,04% mỗi độ C ở khoảng 3,5 V.

Sử dụng Diode Zener làm cảm biến nhiệt độ

Một cách sử dụng hiệu quả của độ nhạy của diode Zener đối với sự thay đổi nhiệt độ là áp dụng thiết bị như một thiết bị cảm biến nhiệt độ như trong sơ đồ sau

Sơ đồ cho thấy một mạng cầu được xây dựng bằng cách sử dụng một cặp điện trở và một cặp điốt Zener có các đặc tính giống hệt nhau. Một trong những điốt zener hoạt động giống như một máy phát điện áp tham chiếu, trong khi điốt zener khác được sử dụng để cảm nhận sự thay đổi của các mức nhiệt độ.

Zener 10 V tiêu chuẩn có thể có hệ số nhiệt độ + 0,07% / ° C có thể tương ứng với sự thay đổi nhiệt độ 7 mV / ° C. Điều này sẽ tạo ra sự mất cân bằng khoảng 7 mV giữa hai nhánh của cầu đối với mỗi sự thay đổi nhiệt độ một độ C. Có thể sử dụng đồng hồ FSD đầy đủ 50 mV ở vị trí được chỉ định để hiển thị các số đọc nhiệt độ tương ứng.

Tùy chỉnh giá trị điốt Zener

Đối với một số ứng dụng mạch, có thể cần phải có giá trị zener chính xác, giá trị này có thể là giá trị không chuẩn hoặc giá trị không sẵn có.

Đối với những trường hợp như vậy, một mảng điốt zener có thể được tạo ra, sau đó có thể được sử dụng để nhận giá trị điốt zener tùy chỉnh mong muốn, như được hiển thị bên dưới:

Trong ví dụ này, nhiều giá trị zener tùy chỉnh, không chuẩn có thể được thu thập trên các thiết bị đầu cuối khác nhau, như được mô tả trong danh sách sau:

Bạn có thể sử dụng các giá trị khác ở các vị trí được chỉ định để nhận được nhiều bộ đầu ra diode zener tùy chỉnh khác

Điốt Zener với nguồn AC

Điốt Zors thường được sử dụng với nguồn điện một chiều, tuy nhiên, những thiết bị này cũng có thể được thiết kế để hoạt động với nguồn điện xoay chiều. Một số ứng dụng AC của điốt zener bao gồm âm thanh, mạch RF và các dạng khác của hệ thống điều khiển AC.

Như thể hiện trong ví dụ dưới đây khi nguồn cung cấp AC được sử dụng với một diode zener, zener sẽ dẫn ngay lập tức ngay khi tín hiệu AC đi từ 0 về phía nửa chu kỳ âm của nó. Bởi vì, tín hiệu là âm do đó AC sẽ bị ngắn mạch qua cực dương đến cực âm của zener, làm xuất hiện đầu ra 0 V.

Khi nguồn AC di chuyển qua nửa chu kỳ dương, zener không dẫn cho đến khi AC leo lên mức điện áp zener. Khi tín hiệu AC vượt qua điện áp zener, zener dẫn và ổn định đầu ra ở mức 4,7 V, cho đến khi chu kỳ AC giảm trở lại bằng không.

Hãy nhớ rằng, trong khi sử dụng zener với đầu vào AC, hãy đảm bảo rằng Rs được tính theo điện áp đỉnh AC.

Trong ví dụ trên, đầu ra không đối xứng, thay vì xung nhịp 4,7 V DC. Để có được một nguồn điện xoay chiều 4,7 V đối xứng ở đầu ra, có thể kết nối hai dây zôn trở lại như được mô tả trong sơ đồ dưới đây

Khử nhiễu Diode Zener

Mặc dù điốt zener cung cấp một cách nhanh chóng và dễ dàng để tạo ra các đầu ra điện áp cố định ổn định, nhưng nó có một nhược điểm là có thể ảnh hưởng đến các mạch âm thanh nhạy cảm như bộ khuếch đại công suất.

Điốt Zener tạo ra tiếng ồn khi hoạt động do hiệu ứng tuyết lở đường giao nhau trong khi chuyển mạch, dao động từ 10 uV đến 1 mV. Điều này có thể được ngăn chặn bằng cách thêm một tụ điện song song với diode zener, như hình dưới đây:

Giá trị của tụ điện có thể nằm trong khoảng 0,01uF đến 0,1uF, điều này sẽ cho phép khử nhiễu bằng hệ số 10 và sẽ duy trì ổn định điện áp tốt nhất có thể.

Đồ thị sau đây cho thấy tác dụng của tụ điện để giảm nhiễu diode zener.

Sử dụng Zener để lọc điện áp Ripple

Điốt Zener cũng có thể được sử dụng làm bộ lọc điện áp gợn sóng hiệu quả, giống như nó được sử dụng để ổn định điện áp AC.

Do trở kháng động cực thấp, điốt zener có thể hoạt động giống như bộ lọc gợn sóng giống như cách làm của tụ lọc.

Bộ lọc gợn sóng rất ấn tượng có thể thu được bằng cách kết nối một diode Zener trên tải, với bất kỳ nguồn DC nào. Ở đây, điện áp phải bằng với mức độ gợn sóng của máng.

Trong hầu hết các ứng dụng mạch, điều này có thể hoạt động hiệu quả như một tụ điện làm mịn điển hình có dung lượng vài nghìn microfarads, dẫn đến giảm đáng kể mức điện áp gợn sóng chồng lên đầu ra DC.

Làm thế nào để tăng khả năng xử lý nguồn điện của Diode Zener

Một cách dễ dàng để tăng khả năng xử lý nguồn của diode zener có lẽ là chỉ cần kết nối chúng song song như hình dưới đây:

Tuy nhiên, trên thực tế điều này có thể không đơn giản như vẻ ngoài và có thể không hoạt động như dự kiến. Điều này là do cũng giống như bất kỳ thiết bị bán dẫn nào khác, các zner cũng không bao giờ có các đặc điểm giống hệt nhau, do đó một trong các zner có thể dẫn điện trước khi thiết bị kia hút toàn bộ dòng điện qua chính nó, cuối cùng sẽ bị phá hủy.

Một cách nhanh chóng để khắc phục sự cố này có thể là thêm các điện trở nối tiếp có giá trị thấp với mỗi điốt zener như hình dưới đây, điều này sẽ cho phép mỗi điốt zener chia sẻ dòng điện một cách đồng nhất thông qua các sụt áp bù được tạo ra bởi các điện trở R1 và R2:

Mặc dù, khả năng xử lý nguồn có thể được tăng lên bằng cách kết nối song song điốt Zener, một cách tiếp cận được cải thiện nhiều có thể là thêm một BJT shunt kết hợp với một diode zener được định cấu hình làm nguồn tham chiếu. Vui lòng xem sơ đồ ví dụ sau để biết tương tự.

Việc thêm một bóng bán dẫn shunt không chỉ nâng cao khả năng xử lý công suất của zener lên hệ số 10, nó còn cải thiện hơn nữa mức điều chỉnh điện áp của đầu ra, có thể cao bằng mức tăng dòng được chỉ định của bóng bán dẫn.

Loại bộ điều chỉnh zener bóng bán dẫn shunt này có thể được sử dụng cho các mục đích thí nghiệm vì mạch có tính năng chống ngắn mạch 100%. Điều đó nói rằng, thiết kế này khá kém hiệu quả vì bóng bán dẫn có thể tiêu tán một lượng đáng kể dòng điện khi không có tải.

Để có kết quả tốt hơn nữa, bóng bán dẫn vượt qua loạt loại bộ điều chỉnh như hình dưới đây có vẻ là một lựa chọn tốt hơn và thích hợp hơn.

Trong mạch này, điốt Zener tạo ra một điện áp tham chiếu cho bóng bán dẫn truyền nối tiếp, về cơ bản, hoạt động giống như một người theo dõi emitter . Kết quả là điện áp phát được duy trì trong khoảng vài phần mười vôn của điện áp cơ bản của bóng bán dẫn do điốt Zener tạo ra. Do đó, bóng bán dẫn hoạt động giống như một thành phần nối tiếp và cho phép kiểm soát hiệu quả các biến thể điện áp cung cấp.

Toàn bộ dòng tải bây giờ chạy qua bóng bán dẫn loạt này. Khả năng xử lý điện năng của loại cấu hình này được thiết lập hoàn toàn bởi giá trị và thông số kỹ thuật của bóng bán dẫn, và cũng phụ thuộc vào hiệu quả và chất lượng của bộ tản nhiệt được sử dụng.

Quy định tuyệt vời có thể đạt được từ thiết kế trên bằng cách sử dụng điện trở nối tiếp 1k. Quy định có thể được tăng lên với hệ số 10 bằng cách thay thế zener bình thường bằng một diode zener động năng thấp đặc biệt như 1N1589).

Trong trường hợp bạn muốn mạch trên cung cấp đầu ra điều chỉnh điện áp thay đổi, có thể dễ dàng đạt được nó bằng cách sử dụng chiết áp 1K trên diode Zener. Điều này cho phép một điện áp tham chiếu thay đổi được điều chỉnh ở chân của bóng bán dẫn nối tiếp.

Tuy nhiên, việc sửa đổi này có thể dẫn đến hiệu suất điều chỉnh thấp hơn do một số hiệu ứng tắt nguồn do chiết áp tạo ra.

Mạch điốt Zener dòng điện không đổi

Nguồn cung cấp dòng điện không đổi do Zener điều chỉnh đơn giản có thể được thiết kế thông qua một bóng bán dẫn duy nhất như một điện trở nối tiếp biến đổi. Hình dưới đây minh họa sơ đồ mạch điện cơ bản.

Bạn có thể thấy một vài đoạn mạch ở đây, một đoạn qua diode zener nối tiếp với điện trở phân cực, trong khi đoạn còn lại thông qua các điện trở R1, R2 và bóng bán dẫn nối tiếp.

Trong trường hợp dòng điện lệch khỏi phạm vi ban đầu của nó, nó tạo ra sự thay đổi tương ứng trong mức phân cực của R3, do đó làm cho điện trở của bóng bán dẫn nối tiếp tăng hoặc giảm tương ứng.

Sự điều chỉnh này trong điện trở của bóng bán dẫn dẫn đến việc tự động điều chỉnh dòng điện đầu ra đến mức mong muốn. Độ chính xác của điều khiển dòng điện trong thiết kế này sẽ vào khoảng +/- 10% để đáp ứng điều kiện đầu ra có thể nằm trong khoảng giữa ngắn mạch và tải lên đến 400 Ohm.

Mạch chuyển mạch chuyển tiếp tuần tự sử dụng điốt Zener

Nếu bạn có một ứng dụng trong đó một bộ rơ le được yêu cầu chuyển đổi tuần tự lần lượt trên công tắc nguồn thay vì tất cả cùng kích hoạt, thì thiết kế sau đây có thể tỏ ra khá tiện dụng.

Ở đây, các điốt zener tăng dần theo thứ tự được lắp đặt nối tiếp với một nhóm rơle cùng với các điện trở nối tiếp giá trị thấp riêng lẻ. Khi nguồn được BẬT, các điốt zener dẫn lần lượt theo thứ tự theo thứ tự tăng dần các giá trị zener của chúng. Điều này dẫn đến việc chuyển tiếp BẬT theo trình tự như mong muốn của ứng dụng. Giá trị của các điện trở có thể là 10 ôm hoặc 20 ôm tùy thuộc vào giá trị điện trở của cuộn dây rơ le.

Mạch diode Zener để bảo vệ quá áp

Do đặc tính nhạy cảm với điện áp của chúng, có thể kết hợp điốt Zener với đặc tính nhạy dòng của cầu chì để bảo vệ các thành phần mạch quan trọng khỏi sự tăng điện áp cao và cũng loại bỏ rắc rối do cầu chì thổi thường xuyên, điều này có thể xảy ra đặc biệt khi đánh giá cầu chì rất gần với thông số dòng điện hoạt động của mạch.

Bằng cách nối một điốt Zener được đánh giá chính xác trên tải, có thể sử dụng cầu chì được đánh giá thích hợp để xử lý dòng tải dự định trong thời gian dài. Trong tình huống này, giả sử điện áp đầu vào tăng đến mức vượt quá điện áp đánh thủng Zener - sẽ buộc điốt Zener dẫn điện. Điều này sẽ gây ra sự gia tăng đột ngột dòng điện thổi cầu chì gần như ngay lập tức.

Ưu điểm của mạch này là nó ngăn không cho cầu chì thổi thường xuyên và không thể đoán trước do giá trị nung chảy của nó gần với dòng tải. Thay vào đó, cầu chì chỉ nổ khi điện áp và dòng điện thực sự tăng vượt quá mức không an toàn quy định.

Mạch bảo vệ dưới điện áp sử dụng Diode Zener

Một rơ le và một diode zener được lựa chọn thích hợp là đủ để tạo ra một mạch bảo vệ điện áp thấp chính xác hoặc dưới điện áp bị cắt cho bất kỳ ứng dụng mong muốn nào. Sơ đồ mạch được trình bày dưới đây:

Hoạt động thực sự rất đơn giản, nguồn cung cấp Vin được lấy từ mạng cầu máy biến áp thay đổi tương ứng tùy thuộc vào các biến thể AC đầu vào. Điều đó có nghĩa là, nếu giả sử 220 V tương ứng với 12 V từ máy biến áp, thì 180 V sẽ tương ứng với 9,81 V, v.v. Do đó, nếu 180 V được giả định là ngưỡng cắt điện áp thấp, thì việc chọn diode zener làm thiết bị 10 V sẽ cắt hoạt động của rơ le bất cứ khi nào AC đầu vào giảm xuống dưới 180 V.