Zenerovy diody. Základní pojmy a aplikace
Za otce zenerovy diody je považován americký fyzik Clarence Melvin Zener: v roce 1934 popsal průraz tunelu (někdy nazývaný Zenerův průraz) a elektrické vlastnosti diody pracující v opačném směru. Proto se v anglicky psané literatuře zenerova dioda obvykle nazývá Zenerova dioda. Tunelový a lavinový průraz je znázorněn na proudově-napěťové charakteristice zenerovy diody (viz obr. 1).
Rýže. 1. Proudově-napěťová charakteristika zenerovy diody se Zenerovým průrazem
Na rozdíl od lavinového rozpadu, ve kterém jsou elektrony ve valenčním pásmu, je Zenerův rozpad kvantový jev. Je spojena s tunelovacím efektem, kdy elektrony z p-oblasti pronikají do n-oblasti přes potenciální bariéru v bezprostřední blízkosti pn přechodu. Lavinový průraz nastává, když kinetická energie elektronu vzroste na hodnotu, při které je schopen vyrazit elektron z valenčního pásma při srážce s atomem.
Při průrazném napětí menším než 4,5 V převažuje Zenerův průraz a lavinový průraz nastává při napětích nad 6,7 V. V rozmezí 4,5–6,7 V může dojít k oběma typům průrazu současně. Uvedené hodnoty napětí se mohou mírně lišit v závislosti na technologii výroby zenerovy diody. Je důležité si uvědomit, že během Zenerova průrazu je teplotní koeficient napětí (TCV) záporný: s rostoucí teplotou průrazné napětí klesá. Při poruše laviny je situace opačná: TKN je kladná.
Klasifikace a značení zenerových diod
Podle účelu jsou zenerovy diody rozděleny do tří skupin:
- univerzální, univerzální;
- přesnost;
- vysoká rychlost.
Přesné zenerovy diody se vyznačují vysokou přesností, rozptyl stabilizačního napětí v různých vzorcích nepřesahuje setiny procenta. Jsou teplotně kompenzované, takže mají nízký teplotní drift. Vysokorychlostní zenerovy diody mají nízkou hodnotu bariérové kapacity nepřesahující několik desítek pikofaradů a jsou schopny omezit napěťové rázy. Zenerovy diody pro všeobecné použití jsou ekonomické, ale nemají vynikající parametry.
Bohužel neexistuje jednotná norma pro značení zenerových diod. V nejjednodušším případě jsou stabilizační napětí napsána na povrch zenerovy diody, přičemž písmeno V je použito jako čárka. Někdy se výrobce uchýlí k vlastní metodě označení, kterou dešifruje ve své dokumentaci. Zenerovy diody jsou často označeny barevnými kroužky podle japonského pravidla JIS-C-7012 (obr. 2) nebo amerického pravidla JEDEC (obr. 3).
Rýže. 2. Označení barevnými kroužky podle japonského pravidla JIS-C-7012
Rýže. 3. Značení barevnými kroužky podle amerického pravidla JEDEC
Parametry a použití zenerových diod
Rýže. 4. Proudově-napěťová charakteristika zenerovy diody s vypočtenými parametry
Hlavní parametry zenerovy diody potřebné pro výpočet jsou uvedeny na grafu proudově-napěťové charakteristiky (obr. 4). Označení v dokumentaci zahraničních výrobců jsou uvedena v závorkách:
- minimální stabilizační napětí VCTMIN (VBR);
- maximální stabilizační napětíVCTMAX (VZM):
- jmenovité stabilizační napětí VCTNOM (VZ);
- jmenovitý stabilizační proud ICTNOM (IZ);
- minimální stabilizační proud ICTMIN (IZK);
- maximální stabilizační proud ICTMAX (IZM).
Rýže. 5. Stabilizátor napětí s paralelním připojením zátěže k zenerově diodě
Typicky se zenerova dioda používá v obvodech stabilizace napětí nebo omezování napětí. Zvažme obě možnosti. Na Obr. Obrázek 5 ukazuje nejjednodušší schéma použití zenerovy diody jako stabilizátoru napětí. Zátěž je zapojena paralelně se zenerovou diodou. Předřadný odpor se vypočítá podle vzorce:
Výpočet se provádí pro případy maximálního a minimálního vstupního napětí a zatěžovacího proudu a ve všech případech musí být u zvolené zenerovy diody splněn následující poměr:
Splnění vztahu (2) můžete zkontrolovat následovně. Po určení hodnoty odporu R Б z (1) vypočítáme celkový proud I pomocí vzorce:
Poté určíme proud zenerovy diody:
A kontrolujeme splnění nerovnosti (2).
Jak je patrné z proudově-napěťové charakteristiky zenerovy diody (obr. 4), stabilizační napětí závisí na proudu zenerovy diody. Při změně zátěže v uvažovaném obvodu se změní proud zenerovy diody a tím i stabilizační napětí. Jinými slovy, charakteristika řízení zátěže uvažovaného obvodu může dosáhnout významné hodnoty.
Pokud tento stav není uspokojivý nebo pokud není splněna podmínka (2), měli byste použít obvod parametrického stabilizátoru s proudovým zesilovačem (sledovač emitoru), jak je znázorněno na obr. 6. V něm propustný tranzistor „odřízne“ zenerovu diodu od zátěže. Dá se říci, že tento obvod je výrazně zjednodušenou verzí integrovaného lineárního regulátoru napětí (LDO), ve kterém je místo zenerovy diody použit referenční zdroj napětí, nastavený bandgapem.
Rýže. 6. Stabilizátor napětí s propustným tranzistorem
Může vyvstat otázka, proč se v tomto případě obtěžovat, není jednodušší vzít hotový mikroobvod lineárního stabilizátoru? Faktem je, že ne vždy je možné si mezi těmito dvěma řešeními vybrat. Je nepravděpodobné, že se vám podaří najít čip LDO se vstupním napětím větším než 30–36 V. A v obvodu na Obr. 6, maximální vstupní napětí je určeno pouze volbou propustného tranzistoru, a proto může být stovky voltů. Kromě toho obvody napájené desítkami nebo dokonce stovkami voltů zpravidla nevyžadují vysokou přesnost při udržování napětí a snižování šumu a zvlnění, takže použití zjednodušeného obvodu není kritické.
Rýže. 7. Obvody omezující napětí pomocí zenerovy diody
Další možnost zenerovy diody – omezení napětí – je znázorněna na Obr. 7. V horní části obrázku je schéma unipolárního sinusového omezení napětí a ve spodní části je znázorněno bipolární. Je nepravděpodobné, že by obě schémata potřebovala vysvětlení. Jen si pamatujte, že napětí 0,7 V s unipolárním omezením odpovídá přímému poklesu napětí na diodě, což je zenerova dioda při provozu v prvním kvadrantu.
Na závěr zmiňme zenerku, která stabilizuje napětí maximálně 3 V. Je to dioda se silně dotovaným pn přechodem, pracuje v propustném směru a je schopna stabilizovat napětí v rozsahu 0,7–3 V Zenerova dioda nemůže pracovat v tomto rozsahu, protože – kvůli tomu, že při takových napětích není možné dosáhnout ani tunelu, ani lavinového průrazu.
