Diody są jednymi z najbardziej rozpowszechnionych podzespołów elektronicznych. Około 100 lat temu były one już używane w detektorowych odbiornikach radiowych jako prostowniki do demodulacji modulowanych amplitudowo wysokich częstotliwości. Dioda Z - lub dioda Zenera, jak jest często nazywana - jest również prostownikiem. Ma jednak szczególnie przydatną właściwość: gdy działa w odwrotnym kierunku, może stabilizować i ograniczać napięcia.
Z naszego poradnika dowiesz się, jak działają te prostowniki, do jakich zastosowań są przeznaczone i na co zwracać uwagę przy ich zakupie.
Diody Zenera są specjalnym rodzajem półprzewodników i można je znaleźć w wielu urządzeniach elektronicznych. Działają one zgodnie z tymi samymi ogólnymi zasadami co diody, ale mają kilka zasadniczych różnic. Dzięki nim prąd może płynąć zarówno w kierunku do przodu, jak i do tyłu. Nazwa tego komponentu pochodzi od amerykańskiego fizyka Clarence'a Zenera, który po raz pierwszy opisał efekt nazwany jego imieniem w 1934 roku.
Największą zaletą diody Zenera jest to, że może ona utrzymywać stały spadek napięcia, nawet jeśli zmienia się zakres napięcia wejściowego. Ilość prądu przepływającego przez taką diodę również nie ma wpływu na poziom napięcia. Nawet przy zmieniającym się natężeniu prądu, napięcie pozostaje stabilne i prawie takie samo.
Gdy zostanie podana dodatnia napięcie elektryczne na anodzie i ujemne na katodzie, dioda Zenera zazwyczaj przyjmuje właściwości prostej diody prostowniczej. Jednak gdy polaryzacja zostanie odwrócona, dotychczasowe napięcie wstępne zmienia się w napięcie zaporowe, a dioda dostarcza teraz stałe napięcie. Wówczas nie działa jako prostownik, lecz jako stabilizator napięcia.
Dioda Zenera działa w kierunku odwrotnym, natomiast pracuje jak zwykła dioda w trybie przewodzenia. Charakteryzuje się tak zwanymi efektami Zenera lub lawinowymi, które powodują nagły wzrost prądu po osiągnięciu określonego napięcia wstecznego.
Oba efekty występują przy różnych napięciach. Napięcie wsteczne mniejsze niż 5 V określane jest jako efekt Zenera. Występuje on, gdy natężenie pola elektrycznego w złączu jest wystarczająco wysokie, aby przerwać wiązanie par elektronów. Wówczas elektrony są uwalniane ze swojej struktury sieciowej, co zwiększa przewodność elektryczną i prąd wsteczny , znany również jako prąd Zenera.
Przy napięciu powyżej 5 V, efekt Zenera i efekt lawinowy występują jednocześnie, przy czym to efekt lawinowy zapewnia napełnienie wbudowanej warstwy zaporowej uwolnionymi nośnikami energii. Przy odwrotnym napięciu powyżej ok. 6,5 V występuje tylko efekt lawinowy. Napięcie wzrasta do poziomu, przy którym nośniki ładunku przyspieszają do tego stopnia, że kolejne ładunki są uwalniane z innych atomów sieci.
Kolejność ta powtarza się i zwiększa liczbę uwalnianych nośników ładunku, co prowadzi do nagłego przewodnictwa warstwy zaporowej. Nazwa efektu lawinowego pochodzi zatem od nagłego „przekroczenia” punktu złącza przez uwolnione nośniki ładunku. Diody, które ze względu na ten efekt rozładowują się dopiero powyżej napięcia przebicia, nazywane są diodami lawinowymi. Gdy tylko napięcie ponownie spadnie poniżej wartości napięcia przebicia, połączenie jest natychmiast przywracane, tak że możliwy jest tylko bardzo niski przepływ prądu w odwrotnym kierunku.
Istnieją różne typy diod, które działają z różnymi napięciami wstecznymi. Można je scharakteryzować w następujący sposób:
| Typ diody | UZ w woltach przy IZ = 5 mA |
rZ w omach przy IZ = 5 mA | αZ · 10−4/Kbei IZ = 5 mA |
|---|---|---|---|
| ZPD 2,7 |
2,4 ... 3,1 | 70 | −9 ... −5 |
| ZPD 4,7 | 4,1 ... 5,2 | 60 | −6 ... 0 |
| ZPD 6,8 | 6,1 ... 7,5 | 4 | −1 ... +4 |
| ZPD 8,2 | 7,3 ... 9,2 |
4 | +2 ... +7 |
| ZPD 12 | 10,7 ... 13,4 | 15 | +6 ... +9 |
| ZPD 15 | 13,0 ... 16,5 | 20 | +7 ... +9 |
Welche Vor -und Nachteile haben Z-Dioden?
Diody Zenera są idealne do stabilizacji napięcia, ponieważ są stosunkowo niedrogie i proste w użyciu. Mogą zatem utrzymywać stałe napięcie pomimo zmiennego przepływu prądu, aby chronić wrażliwe komponenty przed wahaniami. Jednakże, w zależności od zastosowania, diody Z mają różne zalety i wady.
Podczas pracy z sygnałami dioda Zenera może zniekształcać sygnały ze względu na charakterystykę nieliniową elementu. Wszelkie zniekształcenia mogą wystąpić zarówno w kierunku przepływu, jak i w kierunku odwrotnym.
Nasza praktyczna wskazówka
Diody Zenera nadają się tylko do obwodów o niskim i względnie stałym poborze prądu. Regulatory napięcia sprawdzają się lepiej w przypadku większych wahań i przepływów prądu.
Jak bardzo diody Zenera reagują na temperaturę?
Diody Zenera prawie w ogóle nie nagrzewają się podczas normalnej pracy. Jeśli jednak zastosujemy duże obciążenie, mogą powstać bardzo wysokie temperatury. Jeśli obciążenie przekracza maksymalne dopuszczalne rozpraszanie mocy, nadmierne nagrzewanie powoduje bardzo szybkie zużycie materiału, co może prowadzić do zniszczenia komponentu. Współzależność od temperatury jest szczególnie niekorzystna w przypadku aplikacji wymagających precyzyjnego napięcia. Współczynnik temperaturowy wskazuje zależność diody Zenera od temperatury.
Nasza praktyczna wskazówka
Jeśli połączysz szeregowo diody Zenera o dodatnich i ujemnych współczynnikach temperaturowych, wówczas będą się one wzajemnie niwelować, redukując w ten sposób zależność temperaturową do minimum.
Do czego służą diody Zenera?
Diody Zenera są wyjątkowo przydatne do stabilizacji napięcia, zwłaszcza w obwodach o niskim przepływie prądu. Można je stosować na przykład w zasilaczach, ponieważ stabilizują napięcie stałe, a tym samym minimalizują tętnienia szczątkowe.
Mogą być one jednak również przydatne do ograniczania napięcia i ochrony przed przeciążeniem. Urządzenia miernicze są chronione przez diody Zenera, ponieważ ograniczają one napięcie przy pełnym odchyleniu w urządzeniu pomiarowym. W rezultacie prąd nie wzrasta dalej i jest ono chronione przed przeciążeniem. Jeśli chcesz użyć diod Z jako bariery bezpieczeństwa w ochronie przeciwwybuchowej, jest to zwykle określane jako bariera Zenera. Zapobiega ona przedostawaniu się niedopuszczalnie wysokiej energii do wysoce łatwopalnego obszaru.
Ponadto diody Zenera są często używane do przedstawiania zakłóceń, na przykład do opisywania zaburzeń w kanale transmisyjnym. Zakłócenia te nazywane są białym szumem i mogą być łatwo generowane przez efekt lawinowy diod Zenera. Im silniejszy przepływ prądu, tym większy efekt szumu. Szum spowodowany ruchem nośników ładunku wewnątrz diody jest również znany jako szum wystrzału i jest wzmacniany przez efekt lawinowy w diodach Z opisany powyżej.
Przy zakupie diod Zenera zawsze można znaleźć szczegółowe opisy produktów i informacje na temat danych technicznych. Wszystko zależy oczywiście od celu, w jakim dana dioda Zenera ma być używana. Należy jednak pamiętać, aby nigdy nie przekraczać maksymalnego dopuszczalnego rozproszenia mocy. Jest ona określona jako P(TOT) w danych technicznych diody. W przeciwnym razie może dojść do szybkiego zniszczenia.
Należy również zwrócić uwagę na określone napięcie wsteczne i jego tolerancję. Napięcie to można znaleźć jako Z.Spg. (Uz) w danych technicznych i dostarcza ono informacji o napięciu, przy którym dioda Zenera może pracować. Maksymalne dopuszczalne napięcie wsteczne i minimalne wymagane do prawidłowego działania diody są obliczane na podstawie określonego napięcia wstecznego i jego tolerancji.
Ważne są również różne rodzaje obudów, które są dostosowane do konkretnych zastosowań. W zależności od konstrukcji, mogą być one wykorzystywane do montażu przelotowego lub powierzchniowego. Odpowiedni typ obudowy można znaleźć w tytule danego artykułu oraz w opisie produktu. Obudowy mogą być wykonane z metalu, szkła lub tworzywa sztucznego i różnią się w zależności od producenta.
Niemniej jednak należy zawsze upewnić się, że nigdy nie zostanie przekroczony maksymalny dopuszczalny pobór mocy. Jest on określony w danych technicznych diody jako P(TOT). W przeciwnym razie dioda może zostać bardzo szybko zniszczona.
Zależnie od zastosowania diody Zenera, istnieje wiele innych wymagań i kluczowych parametrów, które należy wziąć pod uwagę. Można je również znaleźć w danych technicznych lub w kategorii „Dokumenty i pliki do pobrania”, gdzie dostępna jest obszerna karta produktu dla każdej diody.
Nasza praktyczna wskazówka
Obudowy ze zintegrowaną metalową chłodnicą umożliwiają znacznie lepsze rozpraszanie ciepła. Minimalizuje to maksymalne dopuszczalne straty mocy, tj. P(TOT).