Princip činnosti Zenerovy diody. Hlavní charakteristiky a parametry zenerovy diody

Zenerova dioda (nebo zenerova dioda) je typ polovodičové diody, která pracuje pod zpětným předpětím v režimu průrazu. Než dojde k průrazu, protékají zenerovou diodou velmi malé svodové proudy a její odpor je poměrně vysoký. V okamžiku průrazu se prudce zvyšuje proud, který prochází, a jeho diferenciální odpor klesá na malé hodnoty. Díky tomu je v průrazném režimu napětí na zenerově diodě udržováno s dobrou přesností v širokém rozsahu zpětných proudů.

Zenerova dioda je silně dopovaná dioda z křemíkového krystalu, která prochází proudem v propustném směru stejně jako normální dioda. Umožňuje také proudění proudu v opačném směru, když úroveň potenciálů aplikovaných na polovodič překročí určitou hodnotu známou jako průrazné napětí nebo Zenerovo kolenní napětí.

Historický odkaz: Zenerovy diody byly objeveny na počátku 50. let minulého století a již koncem 50. let se začaly aktivně využívat v elektronickém průmyslu. Ačkoli první model elektrického průrazu vyslovil již v roce 1933 Clarence Zener, podle jehož principu toto polovodičové zařízení funguje

Zařízení bylo poprvé pojmenováno po americkém vědci Clarence Zenerovi, který ve své práci popsal vlastnost ničení elektrických izolátorů.

Elektrický průraz p-n přechodu, objevený americkým fyzikem Zenerem a přímo související s tunelovým jevem, fenoménem úniku elektronů přes tenkou vrstvu potenciálové bariéry, se nazýval Zenerův jev.

Fyzikální obraz Zenerova jevu je takový, že když je pn přechod obráceně vychýlen, energetické pásy se začnou blokovat a volné elektrony mohou proudit z valenčního pásma p-oblasti do vodivostního pásma typu n, v důsledku elektrického pole to zvyšuje počet volných nosičů náboje a prudce se zvyšuje zpětný proud zenerovy diody.

Hlavním úkolem zenerovy diody je tedy stabilizace napětí. Elektronický průmysl je vyrábí pro jmenovitá napětí od 1,8 V do 400 V, vysoký, střední a nízký výkon, které se liší maximálním přípustným zpětným proudem.

Zenerovy diody jsou na schematických nákresech označeny symbolem podobným znaménku polovodičové diody, jen s nepatrným rozdílem, že jejich katoda je znázorněna ve tvaru ruského písmene „G“.

Zenerovy diody skryté integrované struktury se stabilizací 7 V jsou nejstabilnějšími a nejpřesnějšími polovodičovými referenčními zdroji napětí: jejich nejlepší zástupci se svými vlastnostmi blíží běžnému galvanickému článku Weston (standardní rtuť-kadmiový galvanický článek).

Různé zenerové diody lze považovat za „supresory“, „TVS-diody“, jejich hlavním úkolem je chránit elektrická zařízení.

Zenerovy diody, základní pojmy a princip činnosti

Polovodičové zenerovy diody se objevily někde v druhé polovině 50. let minulého století. Rozlišovat diskrétní zenerovy diody obecný účel – jiná síla. Přesné Zenerovy diodyvčetně teplotně kompenzované a se skrytou strukturou; Potlačovače přepětí („omezovací diody“, „supresory“).

Nejprve je třeba připomenout, že zenerovy diody fungují pouze ve stejnosměrných obvodech. Napětí je na něj aplikováno v obrácené polaritě, to znamená, že mínus bude aplikováno na anodu a plus bude aplikováno na katodu. Při tomto připojení jím prochází zpětný proud (I_arr). Jeho vstup U se může změnit a změní se pouze zpětný proud na zenerově diodě a volty na zátěži zůstanou konstantní, to znamená stabilní. Níže uvedený obrázek ukazuje proudově napěťovou charakteristiku Zenerovy diody.

Základní princip činnosti zenerovy diody spočívá v tom, že pracuje na zpětné větvi voltampérové ​​charakteristiky. Jak je z něj jasně vidět, hlavní charakteristiky zenerovy diody jsou U_umění. — stabilizační napětí a Ist (stabilizační proud). Tyto informace lze nalézt v příručkách elektroniky.

V typické diodě, pokud je na ni aplikováno U_arrmůže dojít k průrazu v jednom ze tří směrů: tunel, lavina a průraz v důsledku tepelného ohřevu svodovými proudy. Tepelný průraz není pro křemíkové zenerovy diody vůbec zajímavý, protože jsou navrženy tak, že buď tunelový nebo lavinový průraz nastává dlouho před vznikající tendencí k tepelnému průrazu. Sériové zenerovy diody tuzemského i zahraničního designu jsou v současnosti vyráběny převážně z křemíku.

Průraz při napětí pod 5 V je charakterizován projevem Zenerova jevu, průraz nad 5 Voltů je projevem lavinového průrazu. Střední průrazné napětí asi 5 V je výsledkem kombinace dvou výše uvedených efektů. Síla elektrického pole v okamžiku průrazu je asi 30 MV/m. K průrazu Zenerovy diody dochází u středně dotovaných polovodičů typu p a silně dotovaných polovodičů typu n. S rostoucí teplotou na přechodu klesá průraz zenerovy diody a zvyšuje se příspěvek lavinového průrazu.

Co je zenerova dioda

Když se U reverzní aplikovaný na zenerovu diodu zvýší a dosáhne úrovně průrazu, elektrický proud, který jí prochází, může dosáhnout poměrně velkých hodnot. V průrazném režimu zenerovy diody již nedojde k dalšímu nárůstu U reverzu, pouze se zvýší proud. Na zenerově diodě je tak při změně napájecího napětí udržováno konstantní napětí. Proto funguje na principu regulátoru.

Reverzní větev voltampérové ​​charakteristiky zenerovy diody se získá vynesením U_arr osa X a zpětný proud podél osy Y. Když U_arr dosáhne určité hodnoty, I_arr se zvýší na mnohem vyšší úroveň, ale napětí na zenerově diodě zůstává konstantní.

Hlavní referenční parametry a charakteristiky zenerových diod

Pro návrh a vývoj obvodů využívajících zenerovy diody je nutné znát tři jeho hlavní parametry: stabilizační napětí, minimální proud a maximální přípustný zpětný proud. V některých případech se používá maximální přípustný propustný proud zenerovy diody, pokud je použita ve střídavém obvodu a musí vést proud v obou půlperiodách.

Charakteristika Zenerovy diody

Stabilizační napětí, jedná se o průměrnou hodnotu mezi minimální a maximální úrovní U _stabilizace . V referenčních knihách je uveden jako hlavní technický parametr tohoto prvku. Někdy je indikována chyba U _stabilizace , stejně jako minimální a maximální úroveň.
Minimální stabilizační proud zenerovy diody Toto je aktuální hodnota, při které dochází k reverzibilnímu lavinovému rozpadu pn přechodu. Tato hodnota odpovídá minimálnímu U_stabilizace
Maximální přípustný stabilizační proud hodnota zpětného proudu, při které může být pn přechod vystaven reverzibilnímu průrazu bez zničení fyzické integrity pn přechodu.
Maximální propustný proud zenerovy diody — hodnota proudu, kterou může pn přechod vydržet po dlouhou dobu bez tepelného zničení.
Diferenční napětí Zenerovy diody r_umění.

Níže uvedený obrázek ukazuje jako příklad diferenciální charakteristiky různých zenerových diod.

a — závislost diferenciálního odporu na propustném proudu
b — závislost změny stabilizačního napětí na teplotě
in — závislost diferenciálního odporu na stejnosměrném proudu

Jak vidíme z grafů, hodnota diferenčního odporu pro zenerovu diodu je nepřímo úměrná stabilizačnímu proudu a při provozních proudových parametrech činí desítky ohmů. Přesnost hodnoty stabilizace U jsou desítky milivoltů v typickém teplotním rozsahu.

Maximální výkon rozptýlený tělem zenerovy diody je obvykle v rozmezí od 0,125 do 1 wattu. To je zcela dostačující pro normální provoz ochranného obvodu impulsního rušení a pro stavbu nízkopříkonových stabilizátorů.

Aplikace Zenerových diod v radioamatérské praxi

Jak již víme, hlavní oblastí použití zenerových diod je stabilizace stejnosměrného napětí v napájecích zdrojích. V nejjednodušších konstrukcích lineárního parametrického stabilizátoru plní zenerova dioda roli jak zdroje referenčního napětí, tak i prvku regulace výkonu. Ve složitějších obvodech je mu přiřazena pouze úloha zdroje referenčního napětí a regulačním prvkem je externí výkonový tranzistor.

Zvažme reálné praktické příklady použití zenerových diod v napájecích obvodech, které nevyžadují vysokou stabilitu napájecího napětí.

Zenerovy diody se běžně používají jako regulátory napětí v různých amatérských rádiových obvodech a lze je také použít v přepěťových ochranách používaných v různých domácích spotřebičích, které je chrání před kolísáním elektrického vedení.

Zenerova dioda v elektronice a praxi

Jak zkontrolovat zenerovu diodu

Mnoho amatérských rádiových DIY projektů vyžaduje stabilizované napájecí zdroje. Jejich hlavním prvkem je polovodičové zařízení, které je schopné poskytovat konstantní výstupní napětí. Tento rádiový prvek a jeho funkčnost a provoz si tedy můžete ověřit několika jednoduchými způsoby.

Zenerova dioda analogová na tranzistorech

Pokud je vyžadována zenerova dioda pro „nestandardní“ napětí, pomůže tranzistorový analog. Obvod je plně vhodný pro výměnu a lze jím nahradit zenerovy diody v rozsahu napětí 3-25 voltů.