Essentials: Introduction to Zener Diodes - Essentials: Giới thiệu về Điốt Zener
Zener diodes are a special type of semiconductor diode-- devices that allow current to flow in one direction only --that also allow current to flow in the opposite direction, but only when exposed to enough voltage. And while that sounds a bit esoteric, they're actually among the handiest components ever to cross an engineer's bench, providing great solutions to a number of common needs in circuit design.
In what follows, we'll show you how (and when) to use a Zener, for applications including simple reference voltages, clamping signals to specific voltage ranges, and easing the load on a voltage regulator.
Background: Semiconductor diodes, real and ideal
To understand how Zener diodes are different from other diodes, let's first review the properties of regular diodes. And, while there are many different types of diodes-- see here for a long list --we're going to focus on so-called "normal" semiconductor diodes, most commonly constructed with a p-n silicon junction.
Diodes usually come in glass or plastic cylindrical packages, marked with a stripe on one side to indicate polarity. In a perfectly ideal diode, current flows in one direction only, from the anode (positive side) to the cathode (negative side) which is marked with the stripe. The schematic symbol is a triangle pointing towards a bar, where the current flows in the same direction, towards the barred (striped) end. Surface mount versions of diodes tend to follow the same labeling convention, where the cathode end is marked with a broad stripe.
If we hook up a diode in a simple circuit with a variable voltage source and a current-limiting resistor, we can measure the current I through the diode when a given voltage V is applied across it. For an ideal diode, no current at all passes when the voltage is less than zero: the diode completely prevents reverse current flow. For small positive voltage ("forward bias," or sometimes "foward voltage"), a tiny amount of current may flow, and a very large amount of current will flow above a given threshold. The amount of current that flows is actually exponential with increasing voltage.
The threshold where an appreciable amount of current flows is typically around 0.7 V for simple semiconductor diodes, but may be as low as 0.15 V for Schottky diodes, or as high as 4 V for certain types of LEDs.
Of course, no diode is truly ideal. In real diodes, when the voltage is reversed, a very small amount of current (leakage) may flow. And, more significantly, each diode is rated for a certain maximum amount of reverse voltage. If you apply voltage more negative than that limit, the diode will undergo "reverse breakdown" and begin to conduct a significant amount of current, but backwards from the normal direction of diode current flow. For a regular diode, we would say that the diode has failed if it begins to conduct current in that direction.
Aside: The actual physics of what happens at breakdown is quite interesting; two separate effects, the Zener effect and Avalanche breakdown both contribute to this behavior.
Zener diodes
Zener diodes are semiconductor diodes which have been manufactured to have their reverse breakdown occur at a specific, well-defined voltage (its "Zener voltage"), and that are designed such that they can be operated be operated continuously in that breakdown mode. Commonly available Zener diodes are available with breakdown voltages ("Zener voltages") anywhere from 1.8 to 200 V.
The schematic symbol for a Zener diode is shown above-- it is very similar to that of a regular diode, but with bent edges on the bar. The Zener still conducts electricity in the forward direction like any other diode, but also conducts in the reverse direction, if the voltage applied is reversed and larger than the Zener breakdown voltage.
A typical application might be as above: A 10 V Zener diode (type 1N4740) is placed in series with a resistor and a fixed 12 V power supply. The resistor value is chosen such that several mA flow through it and through the Zener, keeping it in its breakdown region. In the circuit above, there is 10 V across the Zener diode, and 2 V across the resistor. With 2 V across a 400 ohm resistor, the current through that resistor (and the diode, in series) is 5 mA.
Zener voltage references
The fixed voltage property of Zener diodes makes them extremely handy as quick voltage references. The basic circuit looks like this:
There are a couple of requirements to consider. First, the input voltage has to be higher than the Zener voltage. Second, the resistor value must be chosen such that there is always current flowing through the Zener.
Some caveats: This is not necessarily a good power supply for all purposes-- the resistor limits how much current can be drawn. It is also not necessarily a precision voltage reference; the voltage will depend on the amount of current drawn. (That is to say, for the voltage to be steady, the load driven by that reference voltage must be consistent.) The voltage also depends upon the temperature. Zeners in the range 5-6 V have the best temperature stability, and there are high-precision Zener diodes (like the LM399) that include their own temperature-stabilized oven to further keep the diode temperature as steady as possible.
Taking this idea a bit further, you can actually build a full multi-rail power supply using nothing more exotic than a set of Zener diodes to generate all the voltages that are needed, provided that the current requirements are modest on the different supply voltages. The circuit above is part of a working laboratory instrument.
Voltage clamps: Limiting signals with Zener diodes
A varying analog signal can be constrained to a fairly narrow range of voltages with a single Zener diode. If you have a voltage that swings between + 7 V and - 7 V, you could use a single 4 V Zener, connected to ground, to ensure that the signal does not exceed 4 V or go below -0.7 V (where the diode conducts forward to ground).
If you wanted to constrain the signal to never go negative-- e.g., for input to an analog-to-digital converter that accepts signals in the 0 - 5 V range, you could connect the anode of the Zener diode to a power rail at 1 V, instead of ground. Then, the output signal range would be constrained to the range of 0.3 V - 5 V.
Another neat trick is to use two Zener diodes, oppositely oriented, in series. This can provide a symmetric limit on the excursion of a signal from ground, for example. This is also a common configuration for using Zener diodes as transient supressors.
Voltage translation: Easing the load on a regulator
Here's something that doesn't work. We have a TL750L05, which is a type of 5 V output linear regulator, which can source up to 150 mA output, and its load will be variable. We need to drive it from a 36 V source. Unfortunately, the maximum input voltage of the TL750L05 is 26 V.
Let's try adding a resistor in series to drop some of that voltage:
Our output load can be as high as 125 mA and as low as 10 mA. So, what value resistor will work for us?
Suppose that we assume 125 mA load. Then to take up (say) 20 V on the resistor, 20 V / .125 A = 160 Ohms. If we use 160 ohms, that will drop only 160 Ohm * 0.01 A = 1.6 V at 10 mA load, and 36 V - 1.6 V is still larger than 26 V. In order to be safe for the 10 mA load, we should pick a resistor that gives us at least an 11 V drop, for 25 V input to the regulator. So, 11 V / .01 A = 1100 Ohms would be safe for the 10 mA load. But if the load increases to 125 mA, the drop across 1100 Ohms would be V = 0.125 A * 1100 Ohms = 137 V, which means that the input to the regulator would be below 5 V, and it would cease to operate.
Clearly, there is no resistor value that you can pick that actually will work for both the low and high current cases.
Let's try again, this time with our friend, the Zener diode.
Finally, let's try using one fat 20 V Zener diode (type 1N5357BRLG), to drop some of the load. Then, the output on the anode of the Zener is just 16 V, well within the safe input range of the regulator. The 1N5357BRLG is rated for 5 W maximum. At 20 V and .125 A, the power dissipated by the Zener would be 2.5 W, so it will get warm, but we are well in the safe operating conditions of the Zener, and now the circuit will work.
~
Essentials: Giới thiệu về Điốt Zener
Zener diode là một kiểu đặc biệt của diode bán dẫn - thiết bị cho phép hiện tại để chảy theo một hướng duy nhất - đó cũng cho phép hiện tại để chảy theo hướng ngược lại, nhưng chỉ khi tiếp xúc với điện áp đủ. Và trong khi đó âm thanh một chút bí truyền, họ thực sự giữa các thành phần handiest bao giờ hết để vượt qua băng ghế dự bị của một kỹ sư, cung cấp các giải pháp tuyệt vời để một số nhu cầu phổ biến trong thiết kế mạch.
Bối cảnh: điốt bán dẫn, thực tế và lý tưởng
Để hiểu làm thế nào điốt Zener khác nhau từ các điốt khác, chúng ta hãy lần đầu tiên xem xét các thuộc tính của diode thường xuyên. Và, trong khi có rất nhiều loại khác nhau của diode - nhìn thấy ở đây một danh sách dài - we're sẽ tập trung vào cái gọi là "bình thường" điốt bán dẫn, phổ biến nhất là xây dựng một đường giao nhau p-n silicon.
Điốt thường trong thủy tinh hoặc bao bì nhựa có hình trụ, được đánh dấu với một sọc ở một bên để chỉ phân cực. Trong một diode hoàn toàn lý tưởng, hiện tại dòng chảy theo một hướng duy nhất, từ (mặt tích cực) cực dương đến cực âm (tiêu cực bên) được đánh dấu với sọc. Các biểu tượng sơ đồ mạch là một hình tam giác hướng về phía một quán bar, nơi các dòng trong cùng một hướng, hướng tới cuối (sọc) bị cấm. Bề mặt gắn kết các phiên bản của điốt có xu hướng theo cùng một quy ước ghi nhãn, nơi kết thúc cathode được đánh dấu với một dải rộng.
Ngưỡng mà một số tiền đáng của dòng chảy hiện tại thường là khoảng 0,7 V cho các điốt bán dẫn đơn giản, nhưng có thể thấp là 0,15 V đối với điốt Schottky, hoặc cao nhất là 4 V cho một số loại đèn LED.
Tất nhiên, không có diode thực sự là lý tưởng. Trong điốt thực tế, khi điện áp đảo ngược lại, một số lượng rất nhỏ hiện nay (rò rỉ) có thể chảy. Và, đáng kể hơn, diode từng được đánh giá cao nhất cho một số tiền tối đa nhất định của điện áp ngược lại. Nếu bạn áp dụng điện áp tiêu cực hơn giới hạn đó, các diode sẽ trải qua "sự cố đảo ngược" và bắt đầu tiến hành một số lượng đáng kể của hiện tại, nhưng ngược từ hướng bình thường của dòng chảy diode hiện nay. Đối với một diode thường xuyên, chúng tôi sẽ nói rằng các diode đã không thành công nếu nó bắt đầu tiến hành hiện tại theo hướng đó.
Bên cạnh vật lý thực tế của những gì xảy ra ở sự cố là khá thú vị, hiệu ứng hai riêng biệt, có hiệu lực Zener và sự cố Avalanche cả hai góp phần vào hành vi này.
Zener diode
Điốt Zener diode bán dẫn được sản xuất có sự cố đảo ngược của họ xảy ra tại một điện áp được xác định cụ thể, (điện áp Zener "của nó), và được thiết kế như vậy mà họ có thể hoạt động được vận hành liên tục trong chế độ sự cố. Điốt Zener thường có sẵn với các sự cố điện áp (điện áp Zener ") bất cứ nơi nào 1,8-200 V.
Các biểu tượng đồ cho một diode Zener được hiển thị ở trên - nó là rất tương tự như của một diode thường xuyên, nhưng với các cạnh trên thanh cong. Zener Các vẫn dẫn điện hướng về phía trước giống như bất kỳ diode khác, nhưng cũng tiến hành theo hướng ngược lại, nếu điện áp áp dụng được đảo ngược và lớn hơn so với điện áp phân tích Zener.
Một ứng dụng điển hình có thể được như ở trên: A 10 V Zener diode (loại 1N4740) được đặt trong loạt với một điện trở và một 12 V cung cấp năng lượng cố định. Giá trị điện trở được lựa chọn như vậy mà dòng chảy mA nhau thông qua nó và thông qua các Zener, giữ nó trong khu vực sự cố của nó. Trong mạch trên, có 10 V qua các diode Zener, và V 2 qua điện trở. Với 2 V qua một điện trở ohm 400, hiện tại thông qua điện trở đó (và các diode, trong series) là 5 mA.
Zener điện áp tham chiếu
Tài sản cố định điện áp của điốt Zener làm cho họ rất tiện dụng như là tài liệu tham khảo điện áp nhanh chóng. Các mạch cơ bản trông như thế này:
Có một vài yêu cầu để xem xét. Đầu tiên, điện áp đầu vào có thể cao hơn so với điện áp Zener. Thứ hai, giá trị điện trở phải được lựa chọn như vậy mà luôn luôn có dòng điện chạy qua Zener.
Một số hãy cẩn thận: Điều này không nhất thiết phải là một nguồn cung cấp năng lượng tốt cho tất cả các mục đích giới hạn điện trở có thể được rút ra nhiều hiện nay. Nó cũng không nhất thiết phải là một tài liệu tham khảo chính xác điện áp, điện áp sẽ phụ thuộc vào số lượng hiện tại rút ra. (Đó là để nói, đối với điện áp được ổn định, tải được điều khiển bởi điện áp tham chiếu đó phải phù hợp.) Điện áp cũng phụ thuộc vào nhiệt độ. Zeners trong vòng 5-6 phạm vi V có sự ổn định nhiệt độ tốt nhất, và có độ chính xác cao điốt Zener (như LM399) bao gồm lò nướng nhiệt độ ổn định của họ để tiếp tục giữ nhiệt độ diode là ổn định nhất có thể.
Điện áp kẹp: Hạn chế tín hiệu với điốt Zener
Nếu bạn muốn để hạn chế các tín hiệu không bao giờ đi tiêu cực - ví dụ, cho đầu vào một công cụ chuyển đổi analog-to-kỹ thuật số chấp nhận tín hiệu trong các 0 - 5 V phạm vi, bạn có thể kết nối anode của diode Zener với một đường sắt điện 1 V, thay vì mặt đất. Sau đó, phạm vi tín hiệu đầu ra sẽ được hạn chế phạm vi 0,3 V - 5 V.
Một thủ thuật tinh vi khác là sử dụng hai điốt Zener, trái dấu theo định hướng, trong loạt. Điều này có thể cung cấp một giới hạn đối xứng trên các chuyến tham quan của một tín hiệu từ mặt đất, ví dụ. Đây cũng là một cấu hình chung cho việc sử dụng các diode Zener như supressors thoáng qua.
Điện áp dịch: Đơn giản hóa các tải về điều chỉnh
Dưới đây là một cái gì đó mà không làm việc. Chúng tôi có một TL750L05, mà là một loại 5 V điều chỉnh đầu ra tuyến tính, mà có thể nguồn đầu ra mA 150, và tải của nó sẽ thay đổi. Chúng tôi cần phải lái xe nó từ một nguồn V 36. Thật không may, điện áp đầu vào tối đa của TL750L05 là 26 V.
Hãy thử thêm một điện trở trong loạt để thả một số của điện áp đó:
Tải đầu ra của chúng tôi có thể cao là 125 mA và thấp nhất là 10 mA. Vì vậy, những gì giá trị điện trở sẽ làm việc cho chúng ta?
Giả sử chúng ta giả định 125 tải mA. Sau đó, để mất (nói) 20 V trên điện trở, 20 V / 0,125 A = 160 Ohms. Nếu chúng ta sử dụng 160 ohms, sẽ giảm xuống chỉ 160 Ohm * 0,01 A = 1,6 V tải mA 10, và 36 V - 1,6 V vẫn còn lớn hơn 26 V. Để được an toàn cho các tải mA 10, chúng ta nên chọn một điện trở cung cấp cho chúng tôi ít nhất là một thả V 11, đầu vào V 25 để điều tiết. Vì vậy, 11 V / 0,01 A = 1100 Ohms sẽ được an toàn cho tải 10 mA. Nhưng nếu tải tăng đến 125 mA, thả trên 1.100 Ohms sẽ là V = 0,125 A * 1100 Ohms = 137 V, có nghĩa là đầu vào để điều chỉnh sẽ là dưới 5 V, và nó sẽ ngừng hoạt động.
Rõ ràng, không có giá trị điện trở mà bạn có thể chọn đó sẽ thực sự làm việc cho cả hai trường hợp hiện nay thấp và cao.
Hãy thử một lần nữa, lần này với bạn bè của chúng tôi, các diode Zener.
Cuối cùng, hãy thử sử dụng 1 chất béo 20 V Zener diode (loại 1N5357BRLG), để thả một số của tải. Sau đó, sản lượng trên anode của Zener chỉ là 16 V, trong phạm vi đầu vào an toàn của cơ quan điều hành. 1N5357BRLG được đánh giá cao nhất cho tối đa W 5. Tại 20 V và 0,125 A, điện năng tiêu tan bởi Zener sẽ là 2,5 W, do đó, nó sẽ nhận được ấm áp, nhưng chúng tôi tốt trong điều kiện hoạt động an toàn của Zener, và bây giờ các mạch sẽ làm việc.
Điều này đầu tiên xuất hiện trong E V I L
No comments:
Post a Comment