Zenerdioden. Zenerdioden används i huvudsak för att stabilisera likspänningar. I sin enklaste form tillsammans med ett seriemotstånd, där lasten kopplas parallellt med zenerdioden. I mer avancerade spänningsstabilisatorer är zenerdioden den komponent de andra refererar till för att nå den önskade utspänningen. Till sin uppbyggnad är zenerdioden mycket lik den vanliga PN-dioden. Skillnaden är att zenerdiodens P och N-skikt är mycket kraftigare dopat. 1998 SM Gruppen 31
Strömförsörjning Symbol Förspänd i framriktningen har zenerdioden, precis som PN-dioden, ett spänningsfall på ca 0,6-0,7 V. Det är i backriktningen den stora skillnaden märks. Då den vanliga PN-dioden är gjord för att kunna stå emot höga spänningar, har zenerdioden konstruerats så att dess genombrottsspänning kan nås mycket tidigare. Zenerspänning Det som är intressant vid användningen av zenerdioder är alltså dess genombrottsspänning i backriktningen. Denna kallas zenerspänning och brukar betecknas med Uz. Zenerdioder tillverkas med zenerspänningar från 2-200 V. Om vi sakta ökar spänningen över zenerdioden då den är förspänd i backriktningen händer följande. I början flyter endast en låg läckström genom dioden. Denna läckström ökar endast obetydligt ända fram till en viss punkt, zenerspänningen Uz. Vid denna punkt tappar zenerdioden förmågan att stå emot spänningen och strömmen kan nästan obehindrat flyta igenom. Detta förlopp är detsamma då den vanliga PN-diodens genombrottsspänning överskrids. Av detta förstår man att zenerdioden för att inte förstöras, måste ha ett strömbegränsande motstånd kopplat i serie. Detta motstånd beräknas så att zenerdiodens maximala effektavgivningsförmåga, P Zmax inte överskrids. Först måste vi dock räkna ut den maximala ström som kan tillåtas flyta genom dioden, I Zmax. I zmax = P zmax / U z Då inspänningen till en stabiliseringskrets kan förväntas variera beräknas seriemotståndet enligt följande. 32
Rs = (U in max - Uz) / I Zmax Om en belastning ansluten till en spänningskälla varieras, ändras normalt också spänningskällans polspänning, U. För att undvika detta vill vi trots allt hålla belastningen konstant. Ett sätt att göra detta kunde vara att koppla en annan last parallellt med den ursprungliga. När så den första lasten ökar kunde man minska den andra för att på så sätt behålla samma effektuttag och därmed polspänningen konstant. Parallellregleringen fungerar enligt denna princip. Zenerdioden är den varierbara resistans vilken belastningen är parallellkopplad med. Seriemotståndet, Rs fungerar som en strömbegränsare så att inte zenerdioden förstörs. Över seriemotståndet, Rs ligger även den spänningsskillnad U Rs som uppstår mellan polspänningen, U och zenerspänningen, Uz. U Rs = U in - U z U ut = U z Exempel Bräkningsexempel : Zenerdioden är märkt 12 V, 1 W och 5 % tolerans. Uin max = 24 V Uz max = 12 + (12*5/100) Uz max = 12,6 V Iz max = P / Uz max Iz max = 1 / 12,6 Iz max = 79 ma Rs min = (24-12,6 ) / 0,079 Rs min = 144 Ohm Välj närmaste större standardvärde, 150 Ohm. 1998 SM Gruppen 33
Strömförsörjning Mätövning Om inspänningen är högre än den spänning jag önskar, finns det olika sätt att minska spänningen. Enklaste sättet är att helt enkelt koppla en resistor i serie med spänningskällan. Denna koppling medför att spänningen UT kommer att variera beroende på belastning. (Hur stor ström man tar ut från kopplingen). Koppla upp och variera belastningen enligt tabellen och för in mätvärden för UT oreglerat. Rs = 680 ohm R L = enl. tabell Inspänning = 13 V från batteriet. Som bekant delar spänningen upp sig, beroende på resistorernas inbördes storlek i en seriekrets, vilket medför att spänningen UT varierar ganska mycket vid olika belastningar. En möjlighet att hålla spänningen på en fastare nivå är att utnyttja zenerdiodens egenskaper. När spänningen över zenerdioden kommer upp till diodens karakteristiska spänning i backriktning, försöker zenerdioden hålla denna nivå så länge den orkar. Inom vissa gränser kommer då spänningen UT att vara reglerad. Gränserna sätts av zenerdiodens effekttålighet, serieresistorns storlek samt belastningsströmmen. Bygg vidare på förra kopplingen med en zenerdiod på 5,1V. Vilken beteckning har dioden? Vilken effekt tål den? Hur stor ström klarar den? Zenerdiodens beteckning Effektklass Beräkna max ström 34
Variera belastningen enligt tidigare tabell och för in värden för UT reglerad med Zenerdiod. Med zenerdioden inkopplad bör spänningen UT hålla sig på en fast spänning tills belastningen ökat för mycket. Ökad belastning = minskad resistans = ökad ström. Serieresistorernas storlek kan bestämmas genom att man vet hur stor spänning URs som skall falla över Rs vid största strömmen I L genom lasten. (Öka gärna strömmen med 10% när du räknar) Rs = URs / IL URs = Uin - Uut Zenerdiodens effekt kan du beräkna genom att du vet spänningen URs vid den minsta belastningen, I L = 0 Pz = Uz * (URs / Rs) Pz = Uz * I Pz är den minsta effekten som Zenerdioden kan ha. Uz är lika med Uut så länge zenerdioden är med och reglerar. URs är strömmen genom Rs. (Ingen last, endast ström genom zenerdioden). Om belastningsströmmen inte går ner till noll vid minsta belastning (Till exempel varierar mellan 100 ma och 500 ma) så kan minsta strömmen genom lasten dras från I (I - IL). Helst ska strömmen genom zenerdioden inte variera alls. Då kan den hålla spänningen konstant. justeras till 0 V. 1998 SM Gruppen 35