Zenerdiode - was ist das und wozu dient sie?

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-02 13:52

Eine Zenerdiode ist eine Halbleiterdiode mit einzigartigen Eigenschaften. Wenn ein gewöhnlicher Halbleiter beim Wiedereinsch alten ein Isolator ist, erfüllt er diese Funktion bis zu einem bestimmten Anstieg der angelegten Spannung, wonach ein lawinenartiger reversibler Durchbruch auftritt. Bei einer weiteren Erhöhung des durch die Zenerdiode fließenden Sperrstroms bleibt die Spannung aufgrund einer proportionalen Widerstandsabnahme weiterhin konstant. Auf diese Weise ist es möglich, den Stabilisierungsmodus zu erreichen.

Im geschlossenen Zustand fließt zunächst ein kleiner Leckstrom durch die Zenerdiode. Das Element verhält sich wie ein Widerstand, dessen Widerstandswert groß ist. Während des Durchbruchs wird der Widerstand der Zenerdiode vernachlässigbar. Wenn wir die Spannung am Eingang weiter erhöhen, beginnt sich das Element zu erwärmen und wenn der Strom den zulässigen Wert überschreitet, eine irreversiblethermischer Zusammenbruch. Wenn die Sache nicht dazu gebracht wird, bleiben die Eigenschaften der Zenerdiode erh alten, wenn sich die Spannung von Null auf die obere Grenze des Arbeitsbereichs ändert.

Wenn eine Zenerdiode direkt eingesch altet wird, sind die Eigenschaften die gleichen wie bei einer Diode. Wenn das Plus mit dem p-Bereich verbunden ist und das Minus mit dem n-Bereich verbunden ist, ist der Übergangswiderstand klein und der Strom fließt ungehindert hindurch. Sie steigt mit steigender Eingangsspannung.

Eine Zenerdiode ist eine spezielle Diode, die meist in entgegengesetzter Richtung gesch altet wird. Das Element befindet sich zunächst im geschlossenen Zustand. Im Falle eines elektrischen Durchschlags hält die Zenerdiode die Spannung über einen weiten Strombereich konstant.

An der Anode liegt ein Minus, an der Kathode ein Plus. Jenseits der Stabilisierung (unter Punkt 2) tritt eine Überhitzung auf und die Wahrscheinlichkeit eines Elementausfalls steigt.

Funktionen

Zener-Parameter sind wie folgt:

• U_st - Stabilisierungsspannung bei Bemessungsstrom I_st;
• I_{st min - minimaler elektrischer Durchschlagsstartstrom;}
• I_{st max - maximal zulässiger Strom;}
• TKN - Temperaturkoeffizient.

Im Gegensatz zu einer herkömmlichen Diode ist eine Zenerdiode ein Halbleiterbauelement, bei dem die elektrischen und thermischen Durchbruchbereiche in der Strom-Spannungs-Kennlinie ziemlich weit voneinander entfernt sind.

Der maximal zulässige Strom ist ein Parameter, der häufig in angegeben wirdTabellen - Verlustleistung:

P_max=I_{st max}∙ U_st.

Die Temperaturabhängigkeit der Zenerdiode kann sowohl positiv als auch negativ sein. Durch Reihensch altung von Elementen mit Koeffizienten unterschiedlichen Vorzeichens entstehen Präzisions-Zenerdioden, die unabhängig von Erwärmung oder Kühlung sind.

Inklusionssysteme

Typische Sch altung eines einfachen Stabilisators, besteht aus einem Ballastwiderstand R_{b und einer Zenerdiode, die die Last überbrückt.}

In einigen Fällen liegt eine Verletzung der Stabilisierung vor.

1. Übergabe an den Stabilisator einer großen Spannung von der Stromquelle in Gegenwart eines Filterkondensators am Ausgang. Stromstöße beim Laden können zum Ausfall der Zenerdiode oder zur Zerstörung des Widerstands R_{b. führen}
2. Laden abgesch altet. Wenn die maximale Spannung an den Eingang angelegt wird, kann der Strom der Zenerdiode den zulässigen überschreiten, was zu ihrer Erwärmung und Zerstörung führt. Hier gilt es den sicheren Arbeitspassbereich zu beachten.
3. Widerstand R_{b wird so klein gewählt, dass bei minimal möglicher Versorgungsspannung und maximal zulässigem Strom am Verbraucher die Zenerdiode im Arbeitsregelbereich liegt.}

Thyristorschutzsch altungen oder Sicherungen dienen zum Schutz des Stabilisators.

Widerstand R_{b wird nach folgender Formel berechnet:}

R_b=(U_pit - U_nom)(Ist _{+ I}n_).

AktuellZenerdiode I_st wird je nach Eingangsspannung U_pit und Laststrom I _{zwischen den zulässigen Maximal- und Minimalwerten ausgewählt n.}

Zener-Auswahl

Elemente haben eine große Streuung in der Stabilisierungsspannung. Um den genauen Wert von U_{n zu erh alten, werden Zenerdioden aus derselben Charge ausgewählt. Es gibt Typen mit einem engeren Parameterbereich. Bei hoher Verlustleistung werden die Elemente auf Radiatoren montiert.}

Um die Parameter der Zenerdiode zu berechnen, werden Anfangsdaten benötigt, zum Beispiel diese:

• U_{pit=12-15 V - Eingangsspannung;}
• U_{st=9 V - stabilisierte Spannung;}
• R_{n=50-100 mA - Last.}

Die Parameter sind typisch für Geräte mit geringem Stromverbrauch.

Für eine minimale Eingangsspannung von 12 V wird der Strom an der Last auf das Maximum gewählt - 100 mA. Nach dem Ohmschen Gesetz können Sie die Gesamtlast der Sch altung finden:

R_{∑=12 V / 0,1 A=120 Ohm.}

An der Zenerdiode beträgt der Spannungsabfall 9 V. Bei einem Strom von 0,1 A beträgt die Ersatzlast:

R_{eq=9 V / 0,1 A=90 Ohm.}

Jetzt können Sie den Widerstand des Vorsch altgeräts bestimmen:

R_{b=120 Ohm - 90 Ohm=30 Ohm.}

Es wird aus der Standardzeile ausgewählt, in der der Wert derselbe ist wie der berechnete.

Der maximale Strom durch die Zenerdiode wird unter Berücksichtigung der Absch altung der Last bestimmt, damit sie nicht ausfällt, wenn irgendein Draht abgelötet wird. Der Spannungsabfall am Widerstand beträgt:

U_{R=15 - 9=6 B.}

Dann wird der Strom durch den Widerstand ermittelt:

I_{R=6/30=0, 2 A.}

Da die Zenerdiode mit ihr in Reihe gesch altet ist, ist I_c=I_{R=0,2 A.}

Die Verlustleistung beträgt P=0,2∙9=1,8 W.

Nach den erh altenen Parametern wird eine geeignete Zenerdiode D815V ausgewählt.

Symmetrische Zenerdiode

Symmetrischer Diodenthyristor ist ein Sch altgerät, das Wechselstrom leitet. Ein Merkmal seiner Arbeit ist ein Spannungsabfall von bis zu mehreren Volt beim Einsch alten im Bereich von 30-50 V. Er kann durch zwei gegengesch altete herkömmliche Zenerdioden ersetzt werden. Als Sch altelemente werden Geräte verwendet.

Analog einer Zenerdiode

Wenn es nicht möglich ist, ein geeignetes Element zu finden, verwenden sie ein Analogon einer Zenerdiode auf Transistoren. Ihr Vorteil ist die Möglichkeit der Spannungsregelung. Dazu können mehrstufige DC-Verstärker verwendet werden.

Am Eingang ist ein Spannungsteiler mit Trimmwiderstand R1 eingebaut. Wenn die Eingangsspannung ansteigt, steigt sie aufgrund des Transistors VT1 ebenfalls an. Gleichzeitig steigt der Strom durch den Transistor VT2, wodurch der Spannungsanstieg kompensiert und dadurch am Ausgang stabil geh alten wird.

Kennzeichnung von Zenerdioden

Glas-Zenerdioden und Zenerdioden in Kunststoffgehäusen werden hergestellt. Im ersten Fall werden 2 Zahlen darauf aufgebracht, zwischen denen sich der Buchstabe V befindet, die Aufschrift 9V1 bedeutet dasU_{st=9, 1 V.}

Auf dem Kunststoffgehäuse werden die Beschriftungen anhand eines Datenblattes entschlüsselt, wo Sie auch weitere Parameter erfahren können.

Der dunkle Ring am Gehäuse zeigt an, an welcher Kathode das Plus angeschlossen ist.

Schlussfolgerung

Eine Zenerdiode ist eine Diode mit besonderen Eigenschaften. Der Vorteil von Zenerdioden ist ein hohes Maß an Spannungsstabilisierung mit einem weiten Bereich von Betriebsstromänderungen sowie einfachen Anschlussschemata. Um eine kleine Spannung zu stabilisieren, werden die Geräte in Vorwärtsrichtung eingesch altet und beginnen, wie gewöhnliche Dioden zu arbeiten.