Un diodo a semiconduttore ha molte "professioni". Può rettificare la tensione, sciogliere i circuiti elettrici, proteggere le apparecchiature da un'alimentazione impropria. Ma c'è un tipo non del tutto usuale di "lavoro" del diodo, quando la sua proprietà di conduzione unidirezionale viene utilizzata in modo molto indiretto. Un dispositivo a semiconduttore per il quale la modalità normale è la polarizzazione inversa è chiamato diodo zener.
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Che cos'è un diodo zener, dove viene utilizzato e cosa sono
Un diodo zener, o diodo Zener (dal nome di uno scienziato americano che fu il primo a studiare e descrivere le proprietà di questo dispositivo a semiconduttore), è un diodo convenzionale con una giunzione p-n.La sua caratteristica è lavorare nella sezione della caratteristica con una polarizzazione negativa, cioè quando la tensione viene applicata a polarità inversa. Tale diodo viene utilizzato come stabilizzatore indipendente che mantiene costante la tensione del consumatore, indipendentemente dalle variazioni della corrente di carico e dalle fluttuazioni della tensione di ingresso. Inoltre, i nodi sui diodi zener vengono utilizzati come sorgenti di tensione di riferimento per altri stabilizzatori con un circuito sviluppato. Meno comunemente, un diodo inverso viene utilizzato come elemento di modellazione dell'impulso o protezione da sovratensione.
Esistono diodi zener convenzionali e diodi a due anodi. Un diodo zener a due anodi è costituito da due diodi collegati schiena contro schiena in un alloggiamento. Può essere sostituito da due dispositivi separati, includendoli secondo lo schema appropriato.
Caratteristica volt-ampere del diodo zener e suo principio di funzionamento
Per comprendere il principio di funzionamento di un diodo zener, è necessario studiarne la caratteristica corrente-tensione tipica (CVC).
Se viene applicata una tensione allo zener nella direzione in avanti, come a un diodo convenzionale, si comporterà come un diodo convenzionale. Ad una tensione di circa 0,6 V (per un dispositivo al silicio), si aprirà ed entrerà nella sezione lineare della caratteristica I–V. Sul tema dell'articolo, il comportamento di un diodo zener è più interessante quando viene applicata una tensione di polarità inversa (ramo negativo della caratteristica). Innanzitutto, la sua resistenza aumenterà notevolmente e il dispositivo smetterà di passare corrente. Ma quando viene raggiunto un certo valore di tensione, si verificherà un forte aumento della corrente, chiamato rottura. Ha un carattere da valanga e scompare dopo che il potere è stato rimosso.Se si continua ad aumentare la tensione inversa, la giunzione p-n inizierà a riscaldarsi ed entrerà in modalità di rottura termica. La rottura termica è irreversibile e significa il guasto del diodo zener, quindi non dovresti mettere il diodo in questa modalità.
Un'interessante area di funzionamento di un dispositivo a semiconduttore in modalità di rottura della valanga. La sua forma è quasi lineare e ha un'elevata pendenza. Ciò significa che con una grande variazione di corrente (ΔI), la variazione della caduta di tensione attraverso il diodo zener è relativamente piccola (ΔU). E questa è stabilizzazione.
Questo comportamento quando si applica una tensione inversa è tipico per qualsiasi diodo. Ma la particolarità del diodo zener è che i suoi parametri in questa sezione del CVC sono normalizzati. La sua tensione e pendenza di stabilizzazione sono date (con una certa diffusione) e sono parametri importanti che determinano l'idoneità del dispositivo nel circuito. Li puoi trovare nei libri di riferimento. I diodi ordinari possono anche essere usati come diodi zener - se rimuovi il loro CVC e tra questi c'è una caratteristica adatta. Ma questo è un processo lungo, laborioso con un risultato non garantito.
Le principali caratteristiche del diodo zener
Per scegliere un diodo Zener per scopi esistenti, è necessario conoscere diversi parametri importanti. Queste caratteristiche determineranno l'idoneità del dispositivo selezionato per la risoluzione dei compiti.
Tensione di stabilizzazione nominale
Il primo parametro dello zener, a cui devi prestare attenzione quando scegli, è la tensione di stabilizzazione, che è determinata dal punto di partenza della rottura della valanga. Inizia con la selezione di un dispositivo da utilizzare nel circuito.Per diverse istanze di diodi zener ordinari, anche dello stesso tipo, la tensione ha uno spread dell'ordine di diverse percentuali, per quelli di precisione la differenza è inferiore. Se la tensione nominale è sconosciuta, può essere determinata assemblando un semplice circuito. Dovresti preparare:
- resistenza di zavorra 1 ... 3 kOhm;
- sorgente di tensione regolabile;
- voltmetro (puoi usare un tester).
È necessario aumentare la tensione della fonte di alimentazione da zero, controllando la crescita della tensione sul diodo zener usando un voltmetro. Ad un certo punto si fermerà, nonostante un ulteriore aumento della tensione di ingresso. Questa è la tensione di stabilizzazione effettiva. Se non è presente una sorgente regolata, è possibile utilizzare un alimentatore con una tensione di uscita costante ovviamente superiore a Ustabilizzazione. Lo schema e il principio di misurazione rimangono gli stessi. Ma esiste il rischio di guasto del dispositivo a semiconduttore a causa dell'eccesso di corrente di esercizio.
I diodi Zener sono utilizzati per funzionare con tensioni da 2 ... 3 V a 200 V. Per formare una tensione stabile al di sotto di questo intervallo, vengono utilizzati altri dispositivi: stabitori che operano nella sezione diretta del CVC.
Intervallo di corrente di funzionamento
La corrente alla quale i diodi zener svolgono la loro funzione è limitata dall'alto e dal basso. Dal basso, è limitato dall'inizio della sezione lineare del ramo inverso del CVC. A correnti inferiori, la caratteristica non fornisce una modalità a tensione costante.
Il valore superiore è limitato dalla massima dissipazione di potenza di cui è capace un dispositivo a semiconduttore e dipende dal suo design. I diodi Zener in una custodia di metallo sono progettati per più corrente, ma non dimenticare l'uso di dissipatori di calore.Senza di essi, la massima potenza di dissipazione consentita sarà notevolmente inferiore.
Resistenza differenziale
Un altro parametro che determina il funzionamento del diodo zener è la resistenza differenziale Rst. È definito come il rapporto tra la variazione di tensione ΔU e la variazione di corrente ΔI che l'ha provocata. Questo valore ha la dimensione della resistenza e si misura in ohm. Graficamente, questa è la tangente della pendenza della sezione di lavoro della caratteristica. Ovviamente, minore è la resistenza, migliore è la qualità della stabilizzazione. Per un diodo zener ideale (non esistente nella pratica), Rst è uguale a zero: qualsiasi aumento di corrente non causerà alcuna variazione di tensione e la sezione caratteristica I–V sarà parallela all'asse y.
Marcatura del diodo Zener
I diodi zener domestici e importati in una custodia di metallo sono contrassegnati in modo semplice e chiaro. Sono contrassegnati dal nome del dispositivo e dalla posizione dell'anodo e del catodo sotto forma di una designazione schematica.
I dispositivi in una custodia di plastica sono contrassegnati con anelli e punti di vari colori sui lati del catodo e dell'anodo. Dal colore e dalla combinazione di caratteri, puoi determinare il tipo di dispositivo, ma per questo devi guardare nei libri di riferimento o usare programmi di calcolatrice. Entrambi possono essere trovati su Internet.
A volte viene applicata una tensione di stabilizzazione ai diodi zener a bassa potenza.
Circuiti di commutazione a diodi Zener
Il circuito principale per l'accensione di un diodo zener è in serie con resistore, che imposta la corrente attraverso il dispositivo a semiconduttore e assume la tensione in eccesso. I due elementi fanno divisore comune. Quando la tensione di ingresso cambia, la caduta attraverso il diodo zener rimane costante, mentre la caduta attraverso il resistore cambia.
Tale circuito può essere utilizzato indipendentemente ed è chiamato stabilizzatore parametrico. Mantiene costante la tensione al carico, nonostante le fluttuazioni della tensione di ingresso o della corrente assorbita (entro determinati limiti). Un blocco simile viene utilizzato anche come circuito ausiliario dove è necessaria una sorgente di tensione di riferimento.
Tale inclusione viene utilizzata anche come protezione di apparecchiature sensibili (sensori, ecc.) dal verificarsi anormale di alta tensione nella linea di alimentazione o di misura (impulsi costanti o casuali). Qualsiasi cosa al di sopra della tensione di stabilizzazione del dispositivo a semiconduttore viene "tagliata". Tale schema è chiamato "barriera Zener".
In precedenza, la proprietà del diodo zener di "tagliare" i picchi di tensione era ampiamente utilizzata nei circuiti di formatura di impulsi. I dispositivi a due anodi sono stati utilizzati nei circuiti a corrente alternata.
Ma con lo sviluppo della tecnologia dei transistor e l'avvento dei circuiti integrati, questo principio è stato utilizzato raramente.
Se non è disponibile un diodo zener per la tensione desiderata, può essere composto da due. La tensione di stabilizzazione totale sarà uguale alla somma delle due tensioni.
Importante! Non collegare i diodi zener in parallelo per aumentare la corrente di esercizio! La diffusione delle caratteristiche di corrente-tensione porterà all'uscita di un diodo zener nella zona di rottura termica, quindi il secondo si guasterà a causa dell'eccesso di corrente di carico.
Sebbene nella documentazione tecnica dei tempi dell'URSS sia consentito parallelo inclusione zener in parallelo, ma a condizione che i dispositivi debbano essere dello stesso tipo e che la potenza totale effettiva dissipata durante il funzionamento non superi quella consentita per un singolo diodo zener. Cioè, non è possibile ottenere un aumento della corrente operativa in questa condizione.
Per aumentare la corrente di carico consentita, viene utilizzato un altro schema. Lo stabilizzatore parametrico è integrato con un transistor e si ottiene un inseguitore di emettitore con un carico nel circuito dell'emettitore e uno stabile tensione di base del transistor.
In questo caso, la tensione di uscita dello stabilizzatore sarà inferiore a Ustabilizzazione dalla quantità di caduta di tensione alla giunzione dell'emettitore - per un transistor al silicio, circa 0,6 V. Per compensare questa diminuzione, è possibile accendere un diodo in serie con il diodo zener in avanti.
In questo modo (accendendo uno o più diodi), è possibile regolare la tensione di uscita dello stabilizzatore verso l'alto entro un piccolo intervallo. Se è necessario aumentare radicalmente Uout, è meglio accendere un altro diodo zener in serie.
La portata del diodo zener nei circuiti elettronici è ampia. Con un approccio consapevole alla scelta, questo dispositivo a semiconduttore aiuterà a risolvere molti problemi assegnati allo sviluppatore.
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