Zenerdioden sind normale PN-Sperrschichtdioden, die in einem in Sperrrichtung vorgespannten Zustand arbeiten. Die Arbeitsweise der Zenerdiode ähnelt einer PN-Sperrschichtdiode im vorwärtsgerichteten Zustand, die Einzigartigkeit liegt jedoch in der Tatsache, dass sie auch leiten kann, wenn sie in Sperrrichtung über ihrer Schwelle / Durchbruchspannung angeschlossen ist. Diese gehören zu den Grundtypen von Dioden wird häufig verwendet, abgesehen von den normalen Dioden.
Zenerdiode funktioniert
Halbleiterdiode im Sperrvorspannungszustand
Wenn Sie sich erinnern können, wird eine einfache PN-Sperrschichtdiode durch eine Kombination von p-Halbleitermaterial mit einem n-Halbleitermaterial gebildet. Wenn eine Seite eines Halbleiterkristalls mit Donorverunreinigungen und die andere Seite mit Akzeptorverunreinigungen dotiert ist, wird ein PN-Übergang gebildet.
Unvoreingenommene Halbleiterdiode
Unter normalen Bedingungen neigen Löcher von der p-Seite dazu, in einen Bereich niedriger Konzentration zu diffundieren, und dasselbe passiert für Elektronen von der n-Seite.
Somit diffundieren die Löcher zur n-Seite und die Elektronen diffundieren zur p-Seite. Dies führt zur Akkumulation von Ladungen um den Übergang herum und bildet einen Verarmungsbereich.
Unvoreingenommene Halbleiterdiode
Über den Übergang wird eine elektrische Polarität oder ein elektrischer Dipol gebildet, der den Fluss des Flusses von der n-Seite der Oberseite verursacht. Dies führt zu einer variierenden negativen elektrischen Feldstärke, wodurch ein elektrisches Potential über dem Übergang erzeugt wird. Dieses elektrische Potential ist tatsächlich die Schwellenspannung der Diode und liegt bei 0,6 V für Silizium und 0,2 V für Germanium. Dies wirkt als potentielle Barriere für den Fluss der Mehrheitsladungsträger und das Gerät leitet nicht.
Wenn nun eine normale Diode so vorgespannt wird, dass eine negative Spannung an die n-Seite und eine positive Spannung an die p-Seite angelegt wird, wird die Diode als in Vorwärtsvorspannungszustand bezeichnet. Diese angelegte Spannung neigt dazu, die Potentialbarriere zu verringern, nachdem sie die Schwellenspannung überschritten hat.
An diesem Punkt und danach überqueren die Mehrheitsträger die Potentialbarriere und die Vorrichtung beginnt mit dem Stromfluss durch sie zu leiten.
Wenn die Diode im umgekehrten Zustand nach oben vorgespannt ist, ist die angelegte Spannung so, dass sie zur Potentialbarriere beiträgt und den Fluss der Majoritätsträger behindert. Es erlaubt jedoch den Fluss von Minoritätsträgern (Löcher im n-Typ und Elektronen im p-Typ). Wenn diese Sperrvorspannung zunimmt, steigt der Sperrstrom tendenziell allmählich an.
Ab einem bestimmten Punkt ist diese Spannung so, dass sie den Durchschlag des Verarmungsbereichs verursacht, was zu einem massiven Anstieg des Stromflusses führt. Hier kommt die Zenerdiode ins Spiel.
Das Prinzip hinter der Zenerdiode Working
Wie oben erwähnt, liegt das Grundprinzip hinter dem Arbeiten einer Zenerdiode in der Ursache des Durchschlags für eine Diode in einem in Sperrrichtung vorgespannten Zustand. Normalerweise gibt es zwei Arten von Pannen: Zener und Avalanche.
Prinzip hinter der Zenerdiodenarbeit
Zener Zusammenbruch
Diese Art von Durchschlag tritt bei einer Sperrvorspannung zwischen 2 und 8 V auf. Selbst bei dieser niedrigen Spannung ist die elektrische Feldstärke stark genug, um eine Kraft auf die Valenzelektronen des Atoms auszuüben, so dass sie von den Kernen getrennt sind. Dies führt zur Bildung mobiler Elektron-Loch-Paare, wodurch der Stromfluss durch das Gerät erhöht wird. Der ungefähre Wert dieses Feldes beträgt ungefähr 2 · 10 & supmin; & sup7; V / m.
Diese Art des Durchbruchs tritt normalerweise bei einer hochdotierten Diode mit niedriger Durchbruchspannung und einem größeren elektrischen Feld auf. Mit steigender Temperatur gewinnen die Valenzelektronen mehr Energie, um die kovalente Bindung zu lösen, und es ist weniger externe Spannung erforderlich. Somit nimmt die Zener-Durchbruchspannung mit der Temperatur ab.
Lawinenzusammenbruch
Diese Art von Durchschlag tritt bei einer Sperrspannung über 8 V und höher auf. Es tritt bei leicht dotierten Dioden mit einer großen Durchbruchspannung auf. Wenn Minoritätsladungsträger (Elektronen) durch die Vorrichtung fließen, neigen sie dazu, mit den Elektronen in der kovalenten Bindung zu kollidieren und die kovalente Bindung zu zerstören. Mit zunehmender Spannung steigt auch die kinetische Energie (Geschwindigkeit) der Elektronen und die kovalenten Bindungen werden leichter unterbrochen, was zu einer Zunahme der Elektron-Loch-Paare führt. Die Lawinendurchbruchspannung steigt mit der Temperatur an.
3 Zenerdiodenanwendungen
1. Zenerdiode als Spannung
In einem Gleichstromkreis kann die Zenerdiode als Spannungsregler oder als Spannungsreferenz verwendet werden. Die Hauptanwendung der Zenerdiode liegt in der Tatsache, dass die Spannung an einer Zenerdiode für eine größere Stromänderung konstant bleibt. Dies ermöglicht die Verwendung einer Zenerdiode als Konstantspannungsgerät oder Spannungsregler.
In irgendeiner Stromversorgungskreis wird ein Regler verwendet, um eine konstante Ausgangsspannung (Lastspannung) unabhängig von einer Änderung der Eingangsspannung oder einer Änderung des Laststroms bereitzustellen. Die Änderung der Eingangsspannung wird als Leitungsregelung bezeichnet, während die Änderung des Laststroms als Lastregelung bezeichnet wird.
Zenerdiode als Spannungsregler
Eine einfache Schaltung mit einer Zenerdiode als Regler erfordert einen Widerstand mit dem niedrigen Wert, der in Reihe mit der Eingangsspannungsquelle geschaltet ist. Der niedrige Wert ist erforderlich, um den maximalen Stromfluss durch die parallel geschaltete Diode zu ermöglichen. Die einzige Einschränkung besteht jedoch darin, dass der Strom durch die Zenerdiode nicht kleiner als der minimale Zenerdiodenstrom sein sollte. Einfach ausgedrückt sollte für eine minimale Eingangsspannung und einen maximalen Laststrom der Zenerdiodenstrom immer I seinzmin.
Beim Entwurf eines Spannungsreglers unter Verwendung einer Zenerdiode wird letzterer hinsichtlich seiner maximalen Nennleistung ausgewählt. Mit anderen Worten, der maximale Strom durch das Gerät sollte sein:
ichmax= Leistung / Zenerspannung
Da die Eingangsspannung und die erforderliche Ausgangsspannung bekannt sind, ist es einfacher, eine Zenerdiode mit einer Spannung zu wählen, die ungefähr gleich der Lastspannung ist, d. H. Vz ~ = V.oder.
Der Wert des Vorwiderstands wird zu gewählt
R = (V.im- V.mit)/(ICHzmin+ I.L.), wo ichL.= Lastspannung / Lastwiderstand.
Beachten Sie, dass für Lastspannungen bis zu 8 V eine einzelne Zenerdiode verwendet werden kann. Für Lastspannungen über 8 V, die Zenerspannungen mit einem höheren Spannungswert erfordern, ist es jedoch ratsam, eine in Vorwärtsrichtung vorgespannte Diode in Reihe mit der Zenerdiode zu verwenden. Dies liegt daran, dass die Zenerdiode bei höherer Spannung dem Lawinendurchbruchprinzip folgt und eine positive Temperatur des Koeffizienten aufweist.
Daher wird zur Kompensation eine Diode mit negativem Temperaturkoeffizienten verwendet. Natürlich werden heutzutage praktische temperaturkompensierte Zenerdioden verwendet.
2. Zenerdiode als Spannungsreferenz
Zenerdiode als Spannungsreferenz
In Netzteilen und vielen anderen Schaltungen findet die Zenerdiode ihre Anwendung als Konstantspannungsversorger oder Spannungsreferenz. Die einzigen Bedingungen sind, dass die Eingangsspannung größer als die Zenerspannung sein sollte und der Vorwiderstand einen minimalen Wert haben sollte, so dass der maximale Strom durch das Gerät fließt.
3. Zenerdiode als Spannungsklemme
In einer Schaltung mit der AC-Eingangsquelle, die sich von der normalen unterscheidet PN-Diodenklemmschaltung kann auch eine Zenerdiode verwendet werden. Die Diode kann verwendet werden, um die Spitze der Ausgangsspannung auf einer Seite auf eine Zenerspannung und auf einer anderen Seite der sinusförmigen Wellenform auf etwa 0 V zu begrenzen.
Zenerdiode als Spannungsklemme
In der obigen Schaltung ist während des positiven Halbzyklus die Ausgangsspannung für eine bestimmte Zeit konstant, bis die Spannung abnimmt, sobald die Eingangsspannung so ist, dass die Zenerdiode in Sperrrichtung vorgespannt ist.
Während der negativen Halbwelle befindet sich die Zenerdiode nun in einer vorwärtsgerichteten Verbindung. Wenn die negative Spannung auf die Vorwärtsschwellenspannung ansteigt, beginnt die Diode zu leiten und die negative Seite der Ausgangsspannung ist auf die Schwellenspannung begrenzt.
Beachten Sie, dass Sie zwei entgegengesetzt vorgespannte Zenerdioden in Reihe verwenden, um eine Ausgangsspannung nur im positiven Bereich zu erhalten.
Arbeitsanwendungen der Zenerdiode
Mit der wachsenden Popularität von Smartphones, Android-basierte Projekte werden heutzutage bevorzugt. Diese Projekte beinhalten die Verwendung von Bluetooth technologiebasierte Geräte. Diese Bluetooth-Geräte benötigen für den Betrieb eine Spannung von ca. 3 V. In solchen Fällen wird eine Zenerdiode verwendet, um eine 3-V-Referenz für das Bluetooth-Gerät bereitzustellen.
Arbeitsanwendung der Zenerdiode mit einem Bluetooth-Gerät
Eine andere Anwendung beinhaltet die Verwendung einer Zenerdiode als Spannungsregler. Hier wird die Wechselspannung durch die Diode D1 gleichgerichtet und durch den Kondensator gefiltert. Diese gefilterte Gleichspannung wird von der Diode geregelt, um eine konstante Referenzspannung von 15 V bereitzustellen. Diese geregelte Gleichspannung wird verwendet, um den Steuerkreis anzutreiben, der zum Steuern des Lichtschaltens verwendet wird, wie in einem automatisiertes Lichtsteuersystem.
Anwendung zur Spannungsregelung der Zenerdiode
Wir hoffen, dass wir präzise und dennoch wichtige Informationen über die Funktionsweise der Zenerdiode und ihre Anwendungen liefern konnten. Hier ist eine einfache Frage für die Leser: Warum werden Regler-ICs bei geregelten Gleichstromversorgungen gegenüber Zenerdioden bevorzugt?
Geben Sie Ihre Antworten und natürlich Ihr Feedback im Kommentarbereich unten.
Bildnachweis
- Zenerdiode arbeitet mit Lernen über Elektronik
- Unvoreingenommene Halbleiterdiode von Wikimedia
- Prinzip hinter der Zenerdiode von was-wann-wie
