Eine Zenerdiode ist eine Halbleiterdiode mit einzigartigen Eigenschaften. Wenn ein gewöhnlicher Halbleiter beim Wiedereinschalten ein Isolator ist, dann erfüllt er diese Funktion bis zu einem bestimmten Anstieg der angelegten Spannung, wonach ein lawinenartiger reversibler Durchbruch auftritt. Bei einem weiteren Anstieg des durch die Zenerdiode fließenden Sperrstroms bleibt die Spannung aufgrund einer proportionalen Widerstandsabnahme weiterhin konstant. Auf diese Weise ist es möglich, ein Stabilisierungsregime zu erreichen.
Im geschlossenen Zustand fließt zunächst ein kleiner Leckstrom durch die Zenerdiode. Das Element verhält sich wie ein Widerstand, dessen Wert hoch ist. Beim Durchschlag wird der Widerstand der Zenerdiode unbedeutend. Wenn Sie die Spannung am Eingang weiter erhöhen, beginnt sich das Element zu erwärmen und wenn der Strom den zulässigen Wert überschreitet, kommt es zu einem irreversiblen thermischen Durchschlag. Wird die Sache nicht so weit gebracht, bleiben die Eigenschaften der Zenerdiode erhalten, wenn sich die Spannung von Null auf die Obergrenze des Arbeitsbereichs ändert.
Wenn eine Zenerdiode direkt eingeschaltet wird, unterscheiden sich die Eigenschaften nicht von denen einer Diode. Wenn das Plus mit dem p-Bereich und das Minus mit dem n-Bereich verbunden ist, ist der Übergangswiderstand niedrig und der Strom fließt ungehindert durch ihn. Sie steigt mit zunehmender Eingangsspannung.
Eine Zenerdiode ist eine spezielle Diode, meist in Gegenrichtung geschaltet. Das Element befindet sich zunächst im geschlossenen Zustand. Wenn ein Stromausfall auftritt, hält die Zenerdiode die Spannung über einen weiten Strombereich konstant.
An der Anode liegt Minus an, an der Kathode Plus. Über die Stabilisierung hinaus (unter Punkt 2) kommt es zu Überhitzung und die Wahrscheinlichkeit eines Elementausfalls steigt.
Die Parameter der Zenerdioden sind wie folgt:
Im Gegensatz zu einer herkömmlichen Diode ist eine Zenerdiode ein Halbleiterbauelement, bei dem die Bereiche des elektrischen und thermischen Durchbruchs auf der Strom-Spannungs-Kennlinie ziemlich weit voneinander entfernt sind.
Mit dem maximal zulässigen Strom ist ein Parameter verbunden, der häufig in Tabellen angegeben wird – die Verlustleistung:
P max = I st max ∙ U st.
Die Abhängigkeit des Betriebs der Zenerdiode von der Temperatur kann entweder positiv oder negativ sein. Durch die Reihenschaltung von Elementen mit Koeffizienten unterschiedlichen Vorzeichens entstehen Präzisions-Zenerdioden, die unabhängig von Heizung oder Kühlung sind.
Eine typische Schaltung eines einfachen Stabilisators besteht aus einem Ballastwiderstand R b und einer Zenerdiode, die die Last überbrückt.
In einigen Fällen ist die Stabilisierung gestört.
Zum Schutz des Stabilisators werden Thyristorschutzschaltungen bzw
Der Widerstand R b wird nach der Formel berechnet:
R b = (U pit – U nom)(I st + I n).
Der Zenerdiodenstrom I st wird abhängig von der Eingangsspannung U Versorgung und dem Laststrom I n zwischen den zulässigen Maximal- und Minimalwerten gewählt.
Die Elemente weisen eine große Streuung der Stabilisierungsspannung auf. Um den genauen Wert von U n zu erhalten, werden Zenerdioden aus derselben Charge ausgewählt. Es gibt Typen mit einem engeren Parameterbereich. Für eine hohe Verlustleistung werden die Elemente auf Strahlern montiert.
Um die Parameter einer Zenerdiode zu berechnen, werden Ausgangsdaten benötigt, beispielsweise die folgenden:
Die Parameter sind typisch für Geräte mit geringem Energieverbrauch.
Bei einer minimalen Eingangsspannung von 12 V wird der Laststrom auf maximal 100 mA eingestellt. Mithilfe des Ohmschen Gesetzes können Sie die Gesamtlast des Stromkreises ermitteln:
R∑ = 12 V / 0,1 A = 120 Ohm.
Der Spannungsabfall an der Zenerdiode beträgt 9 V. Bei einem Strom von 0,1 A beträgt die äquivalente Last:
Req = 9 V / 0,1 A = 90 Ohm.
Jetzt können Sie den Ballastwiderstand ermitteln:
R b = 120 Ohm - 90 Ohm = 30 Ohm.
Es wird aus der Standardreihe ausgewählt, bei der der Wert mit dem berechneten übereinstimmt.
Der maximale Strom durch die Zenerdiode wird unter Berücksichtigung der Lastabschaltung ermittelt, damit diese nicht ausfällt, wenn ein Draht abgelötet wird. Der Spannungsabfall am Widerstand beträgt:
U R = 15 - 9 = 6 V.
Dann wird der Strom durch den Widerstand bestimmt:
I R = 6/30 = 0,2 A.
Da die Zenerdiode in Reihe geschaltet ist, beträgt I c = I R = 0,2 A.
Die Verlustleistung beträgt P = 0,2∙9 = 1,8 W.
Basierend auf den erhaltenen Parametern wird eine geeignete D815V-Zenerdiode ausgewählt.
Ein symmetrischer Diodenthyristor ist ein Schaltgerät, das Wechselstrom leitet. Ein Merkmal seines Betriebs ist der Spannungsabfall auf mehrere Volt beim Einschalten im Bereich von 30–50 V. Er kann durch zwei Back-to-Back-herkömmliche Zenerdioden ersetzt werden. Die Geräte dienen als Schaltelemente.
Wenn es nicht möglich ist, ein geeignetes Element auszuwählen, wird ein Analogon einer Zenerdiode auf Transistoren verwendet. Ihr Vorteil ist die Fähigkeit, die Spannung zu regulieren. Zu diesem Zweck können Gleichstromverstärker mit mehreren Stufen verwendet werden.
Am Eingang ist ein Spannungsteiler mit R1 eingebaut. Steigt die Eingangsspannung, steigt sie auch an der Basis des Transistors VT1. Gleichzeitig steigt der Strom durch den Transistor VT2, was den Spannungsanstieg ausgleicht und ihn so am Ausgang stabil hält.
Es werden Glas-Zenerdioden und Zenerdioden in Kunststoffgehäusen hergestellt. Im ersten Fall sind ihnen 2 Zahlen zugeordnet, zwischen denen sich der Buchstabe V befindet. Die Aufschrift 9V1 bedeutet, dass U st = 9,1 V.
Die Aufschriften auf dem Kunststoffgehäuse werden anhand eines Datenblattes entschlüsselt, in dem Sie auch weitere Parameter erfahren können.
Der dunkle Ring am Gehäuse zeigt die Kathode an, an der das Plus angeschlossen ist.
Eine Zenerdiode ist eine Diode mit besonderen Eigenschaften. Der Vorteil von Zenerdioden ist eine hohe Spannungsstabilisierung über einen weiten Bereich von Betriebsstromänderungen sowie einfache Anschlusspläne. Um die Niederspannung zu stabilisieren, werden die Geräte in Vorwärtsrichtung eingeschaltet und beginnen wie gewöhnliche Dioden zu arbeiten.
LESER-EMPFEHLUNG-
ANALOG ~ LEISTUNGSSTARK
Um die Versorgungsspannung der Last zu stabilisieren, verwenden sie häufig den einfachsten parametrischen Stabilisator (Abb. 1), bei dem die Stromversorgung vom Gleichrichter über einen Ballastwiderstand erfolgt und eine Zenerdiode parallel zur Last geschaltet ist.
Ein solcher Stabilisator ist bei Lastströmen betriebsbereit, die den maximalen Stabilisierungsstrom für einen bestimmten Stabilisator nicht überschreiten. Und wenn der Laststrom deutlich höher ist, verwenden sie eine leistungsstärkere Zenerdiode, beispielsweise die D815-Serie, die eine Stabilisierungsgrenze von 1 ... 1,4 A (D815A) ermöglicht.
Wenn eine solche Zenerdiode nicht verfügbar ist, reicht eine stromsparende aus, diese muss jedoch in Verbindung mit einem leistungsstarken Transistor verwendet werden, wie in Abb. 2. Das Ergebnis ist ein Analogon einer leistungsstarken Zenerdiode, die selbst bei einem Strom von 2 A eine ziemlich stabile Spannung an der Last liefert, obwohl der im Diagramm angegebene maximale Stabilisierungsstrom des KS147A-Stabilisators 58 mA beträgt.
Das Analoge funktioniert so. Solange die vom Gleichrichter kommende Versorgungsspannung geringer ist als die Durchbruchspannung der Zenerdiode, ist der Transistor geschlossen, der Strom durch das Analogon ist unbedeutend (der direkte horizontale Zweig der Volt-Ampere-Kennlinie des Analogons ist in Abb . 3) Wenn die Versorgungsspannung ansteigt, bricht die Zenerdiode durch, Strom beginnt durch sie zu fließen und der Transistor öffnet sich leicht (isog-
Zenerdiode
Mutterteil der Kennlinie). Eine weitere Erhöhung der Versorgungsspannung führt zu einem starken Anstieg des Stroms durch Zenerdiode und Transistor und damit zu einer Stabilisierung der Ausgangsspannung auf einem bestimmten Wert (vertikaler Zweig der Kennlinie), wie bei einem herkömmlichen parametrischen Stabilisator.
Der Stabilisierungseffekt wird dadurch erreicht, dass die Zenerdiode im Durchbruchmodus einen geringen Differenzwiderstand aufweist und eine tiefe Gegenkopplung vom Kollektor des Transistors zu seiner Basis erfolgt. Wenn die Ausgangsspannung abnimmt, nimmt daher der Strom durch die Zenerdiode und die Basis des Transistors ab, was zu einer deutlich größeren (um ein Vielfaches) größeren Abnahme führt
Kollektorstrom, was eine Erhöhung der Ausgangsspannung bedeutet. Wenn die Ausgangsspannung ansteigt, ist der umgekehrte Vorgang zu beobachten -
Der Wert der stabilisierten Ausgangsspannung wird durch Summieren der Stabilisierungsspannung der Zenerdiode mit der Spannung am Emitterübergang des offenen Transistors (^0,7 V für einen Siliziumtransistor und 0,3 V für einen Germaniumtransistor) bestimmt. Der maximale Stabilisierungsstrom des Analogons wird fast um ein Vielfaches höher sein
Parameter der verwendeten Zenerdiode. Dementsprechend ist die Verlustleistung am Transistor um das gleiche Vielfache größer als die Leistung an der Zenerdiode.
Aus den obigen Beziehungen lässt sich leicht schließen, dass der statische Übertragungskoeffizient eines leistungsstarken Transistors nicht kleiner sein darf als der Quotient aus der maximalen Stromaufnahme der Last geteilt durch den maximalen Stabilisierungsstrom der Zenerdiode. Der maximal zulässige Kollektorstrom des Transistors und die Spannung zwischen Kollektor und Emitter müssen den angegebenen analogen Stabilisierungsstrom bzw. die Ausgangsspannung überschreiten.
Bei Verwendung eines Transistors mit pnp-Struktur sollte dieser gemäß der in Abb. gezeigten Schaltung angeschlossen werden. 4 Schema. In dieser Ausführungsform kann der Transistor direkt auf dem Chassis der mit Strom versorgten Struktur montiert werden, und die restlichen Teile des Analogons können an den Anschlüssen des Transistors montiert werden.
Um die Welligkeit der Ausgangsspannung zu reduzieren und den Differenzwiderstand des Analogs zu verringern, kann ein Oxidkondensator mit einer Kapazität von 100..500 μF parallel zu den Zenerdiodenanschlüssen geschaltet werden.
Abschließend noch ein wenig zum Temperatur-Spannungs-Koeffizienten (TCV) des Analogons. Bei Verwendung von Präzisions-Zenerdioden der Serien D818, KS191 ist das TKN-Analogon deutlich schlechter als die TKN-Zenerdiode. Wenn eine Zenerdiode mit einer Stabilisierungsspannung von mehr als 16 V verwendet wird, entspricht der TKN des Analogons ungefähr dem TKN der Zenerdiode, und mit den Zenerdioden D808 - D814 verbessert sich der TKN des Analogons.
I. KURSKY
VOM HERAUSGEBER. Der Artikel von I. Kursky wirft nicht die Frage nach der Wahl eines Ballastwiderstands auf, da man bereits über eine parametrische Stabilisatorschaltung verfügt und lediglich eine leistungsstarke Zenerdiode auswählen muss. Wenn kein solcher Stromkreis vorhanden ist, verwenden Sie die Empfehlungen zur Berechnung des Ballastwiderstands im Artikel von V. Krylov „Einfacher Spannungsstabilisator“ in Radio, 1977, Nr. 9, S. 53, 54
Zenerdioden (Zenerdioden, Z-Dioden) dienen zur Stabilisierung der Spannung und der Betriebsarten verschiedener Komponenten elektronischer Geräte. Das Funktionsprinzip der Zenerdiode basiert auf dem Phänomen des Zener-Durchbruchs des n-Übergangs. Diese Art von elektrischem Durchschlag tritt bei in Sperrichtung vorgespannten Halbleiterübergängen auf, wenn die Spannung über einen bestimmten kritischen Wert ansteigt. Neben dem Zener-Durchbruch ist der Lawinendurchbruch bekannt und wird zur Spannungsstabilisierung eingesetzt. Typische Abhängigkeiten des Stroms durch ein Halbleiterbauelement (Zenerdiode) von der Größe der angelegten Vorwärts- oder Sperrspannung (Volt-Ampere-Kennlinien, Strom-Spannungs-Kennlinien) sind in Abb. dargestellt. 1.1.
Die Vorwärtszweige der Strom-Spannungs-Kennlinien verschiedener Zenerdioden sind nahezu identisch (Abb. 1.1), und der Rückwärtszweig weist für jeden Zenerdiodentyp individuelle Eigenschaften auf. Diese Parameter: Stabilisierungsspannung; minimaler und maximaler Stabilisierungsstrom; der Neigungswinkel der Strom-Spannungs-Kennlinie, der den Wert des dynamischen Widerstands der Zenerdiode (ihre „Qualität“) charakterisiert;
maximale Verlustleistung; Temperaturkoeffizient der Stabilisierungsspannung (TKN) – wird für Schaltungsberechnungen verwendet.
Eine typische Zenerdioden-Verbindungsschaltung ist in Abb. dargestellt. 1.2. Der Wert des Dämpfungswiderstands R1 (in kOhm) wird nach folgender Formel berechnet:
Um die Wechselspannung zu stabilisieren oder ihre Amplitude auf UCT-Ebene symmetrisch zu begrenzen, werden symmetrische Zenerdioden verwendet (Abb. 1.3), beispielsweise vom Typ KS 175. Solche Zenerdioden können zur Stabilisierung der Gleichspannung verwendet werden, indem sie ohne Beachtung der Polarität eingeschaltet werden . Sie können aus zwei „asymmetrischen“ Zenerdioden eine „symmetrische“ Zenerdiode erhalten, indem Sie sie gemäß der in Abb. gezeigten Schaltung Rücken an Rücken verbinden. 1.4.
Mit industriell hergestellten Halbleiter-Zenerdioden können Sie die Spannung über einen weiten Bereich stabilisieren: von 3,3 bis 180 V. Daher gibt es Zenerdioden, mit denen Sie niedrige Spannungen stabilisieren können: 3,3; 3,9; 4,7; 5,6 V ist KS133, KS139, KS147, KS156 usw. Wenn eine nicht standardmäßige Stabilisierungsspannung erforderlich ist, beispielsweise 6,6 V, können Sie zwei KS133-Zenerdioden in Reihe schalten. Für drei solcher Zenerdioden beträgt die Stabilisierungsspannung 9,9 V. Für eine Stabilisierungsspannung von 8,0 V können Sie eine Kombination aus den Zenerdioden KS133 und KS147 (d. h. 3,3 + 4,7 V) oder eine Zenerdiode KS175 und eine Siliziumdiode ( KD503) - in Vorwärtsrichtung (d. h. 7,5+0,5 V).
In Situationen, in denen eine stabile Spannung von weniger als 2...3 V benötigt wird, werden Stabistoren verwendet – Halbleiterdioden, die im direkten Zweig der Strom-Spannungs-Kennlinie arbeiten (Abb. 1.1).
Beachten Sie, dass anstelle von Stabilisatoren herkömmliche Germanium- (Ge), Silizium- (Si), Selen- (Se), Galliumarsenid- (GaAs) und andere Halbleiterdioden erfolgreich eingesetzt werden können (Abb. 1.5). Die Stabilisierungsspannung beträgt abhängig vom durch die Diode fließenden Strom: für Germaniumdioden - 0,15...0,3 b; für Silizium - 0,5...0,7 V.
Besonders interessant ist der Einsatz von Leuchtdioden zur Spannungsstabilisierung (Abb. 1.6) [R 11/83-40].
LEDs können zwei Funktionen gleichzeitig erfüllen: Durch ihr Leuchten zeigen sie das Vorhandensein einer Spannung an und stabilisieren ihren Wert auf dem Niveau von 1,5...2,2 V. Die Stabilisierungsspannung von UCT-LEDs kann durch die Näherungsformel bestimmt werden: L/Cr=1236 /L. (B), wobei X die Wellenlänge der LED-Strahlung in nm ist [Рл 4/98-32].
Zur Spannungsstabilisierung kann der umgekehrte Zweig der Strom-Spannungs-Kennlinie von Halbleiterbauelementen (Dioden und Transistoren) genutzt werden, die nicht speziell für diese Zwecke vorgesehen sind (Abb. 1.7, 1.8 und auch Abb. 20.7). Diese Spannung (Lawinendurchbruchspannung) übersteigt normalerweise 7 V und ist selbst für Halbleiterbauelemente des gleichen Typs nicht sehr gut wiederholbar. Um thermische Schäden an Halbleiterbauelementen während eines solch ungewöhnlichen Betriebsmodus zu vermeiden, sollte der durch sie fließende Strom Bruchteile eines Milliampere nicht überschreiten. So kann für die Dioden D219, D220 die Durchbruchspannung (Stabilisierungsspannung) im Bereich von 120 bis 180 V liegen [P 9/74-62; R 10/76-46; R 12/89-65].
Zur Stabilisierung niedriger Spannungen werden die in Abb. dargestellten Schaltungen verwendet. 1,9 - 1,12. Die Schaltung (Abb. 1.9) [Goroshkov B.I.] verwendet eine „Dioden“-Parallelschaltung zweier Siliziumtransistoren. Die Stabilisierungsspannung dieser Schaltung beträgt 0,65...0,7 V für Siliziumtransistoren und etwa 0,3 V für Germaniumtransistoren. Der Innenwiderstand eines solchen Stabistor-Analogs überschreitet nicht 5...10 Ohm bei einem Stabilisierungskoeffizienten von bis zu 1000...5000. Wenn sich jedoch die Umgebungstemperatur ändert, beträgt die Instabilität der Ausgangsspannung der Schaltung etwa 2 mV pro Grad.
Im Diagramm in Abb. 1,10 [R 6/69-60; VRYA 84-9] verwendete eine sequentielle Verbindung von Germanium- und Siliziumtransistoren. Der Laststrom dieses Analogons einer Zenerdiode kann 0,02...10 mA betragen. Die in Abb. 1.11 und 1.12 [Рл 1/94-33] verwenden eine Rücken-an-Rücken-Verbindung von Transistoren der p-p-p- und p-p-p-Strukturen und unterscheiden sich nur dadurch, dass zur Erhöhung der Ausgangsspannung in einem der Schaltkreise eine Siliziumdiode zwischengeschaltet ist Basen der Transistoren (einer oder mehrere). Der Stabilisierungsstrom von Zenerdioden-Analoga (Abb. 1.11, 1.12) kann im Bereich von 0,1...100 mA liegen, der Differenzwiderstand im Arbeitsabschnitt der Strom-Spannungs-Kennlinie überschreitet 15 Ohm nicht.
Kleine Spannungen können auch mit Feldeffekttransistoren stabilisiert werden (Abb. 1.13, 1.14). Der Stabilisierungskoeffizient solcher Schaltungen ist sehr hoch: Bei einer Eintransistorschaltung (Abb. 1.13) erreicht er 300 bei einer Versorgungsspannung von 5... 15 V, bei einer Zweitransistorschaltung (Abb. 1.14) darunter Bedingungen überschreitet er 1000 [P 10/95-55]. Der Innenwiderstand dieser Zenerdioden-Analoga beträgt 30 Ohm bzw. 5 Ohm.
Ein Spannungsstabilisator kann mit einem Dinistor-Analogon als Zenerdiode erhalten werden (Abb. 1.15, siehe auch Kapitel 2) [Goroshkov B.I.].
Um Spannungen bei hohen Strömen in der Last zu stabilisieren, werden komplexere Schaltungen verwendet, wie in Abb. 1,16 - 1,18 [R 9/89-88, R 12/89-65]. Um den Laststrom zu erhöhen, ist der Einsatz leistungsstarker Transistoren auf Kühlkörpern erforderlich.
Ein Spannungsstabilisator, der in einem weiten Bereich von Versorgungsspannungsschwankungen (von 4,5 bis 18 6) arbeitet und einen Ausgangsspannungswert aufweist, der geringfügig von der Untergrenze der Versorgungsspannung abweicht, ist in Abb. dargestellt. 1.19 [Goroshkov B.I.].
Die zuvor besprochenen Arten von Zenerdioden und ihre Analoga ermöglichen keine reibungslose Regelung der Stabilisierungsspannung. Um dieses Problem zu lösen, werden Schaltungen aus einstellbaren Parallelstabilisatoren, ähnlich den Zenerdioden, verwendet (Abb. 1.20, 1.21).
Ein Analogon einer Zenerdiode (Abb. 1.20) ermöglicht eine stufenlose Änderung der Ausgangsspannung im Bereich von 2,1 bis 20 V [R 9/86-32]. Der dynamische Widerstand einer solchen „Zenerdiode“ beträgt bei einem Laststrom von bis zu 5 mA 20...50 Ohm. Die Temperaturstabilität ist gering (-3x10"3 1/°C).
Mit dem Niederspannungsanalogon der Zenerdiode (Abb. 1.21) können Sie eine beliebige Ausgangsspannung im Bereich von 1,3 bis 5 V einstellen. Die Stabilisierungsspannung wird durch das Verhältnis der Widerstände R1 und R2 bestimmt. Der Ausgangswiderstand eines solchen Parallelstabilisators liegt bei einer Spannung von 3,8 V nahe bei 1 Ohm. Der Ausgangsstrom wird durch die Parameter des Ausgangstransistors bestimmt und kann beim KT315 50...100 mA erreichen.
Originalschaltungen zur Erzielung einer stabilen Ausgangsspannung sind in Abb. dargestellt. 1,22 und 1,23. Das Gerät (Abb. 1.22) ist ein Analogon einer symmetrischen Zenerdiode [E 9/91]. Bei einem Niederspannungsstabilisator (Abb. 1.23) beträgt der Spannungsstabilisierungsfaktor 10, der Ausgangsstrom überschreitet 5 mA nicht und der Ausgangswiderstand variiert zwischen 1 und 20 Ohm.
Ein Analogon einer Niederspannungs-Differenz-Zenerdiode in Abb. 1.24 hat eine erhöhte Stabilität [P 6/69-60]. Seine Ausgangsspannung hängt kaum von der Temperatur ab und wird durch die Differenz der Stabilisierungsspannungen zweier Zenerdioden bestimmt. Die erhöhte Temperaturstabilität erklärt sich dadurch, dass sich bei Temperaturänderungen die Spannung an beiden Zenerdioden gleichzeitig und in engen Anteilen ändert.
Literatur: Shustov M.A. Praktisches Schaltungsdesign (Buch 1), 2003
Stabiles Gehalt, stabiles Leben, stabiler Staat. Im letzten geht es natürlich nicht um Russland :-). Wenn Sie in ein erklärendes Wörterbuch schauen, können Sie klar verstehen, was „Stabilität“ ist. In den ersten Zeilen gab mir Yandex sofort die Bezeichnung dieses Wortes: stabil – das bedeutet konstant, stabil, sich nicht verändernd.
Am häufigsten wird dieser Begriff jedoch in der Elektronik und Elektrotechnik verwendet. In der Elektronik sind konstante Werte eines Parameters sehr wichtig. Dies können Strom, Spannung, Signalfrequenz usw. sein. Eine Abweichung des Signals von einem bestimmten Parameter kann zu Fehlfunktionen des elektronischen Geräts und sogar zu dessen Ausfall führen. Daher ist es in der Elektronik sehr wichtig, dass alles stabil funktioniert und nicht ausfällt.
In der Elektronik und Elektrotechnik die Spannung stabilisieren. Der Betrieb elektronischer Geräte hängt vom Spannungswert ab. Ändert er sich in geringerem Maße oder noch schlimmer, in eine Zunahme, kann es im ersten Fall dazu kommen, dass das Gerät nicht richtig funktioniert und im zweiten Fall sogar in Flammen aufgeht.
Um Spannungsspitzen und -abfälle zu verhindern, sind verschiedene Überspannungsschutz. Wie Sie dem Satz entnehmen können, sind sie daran gewöhnt stabilisieren Spannung „spielen“.
Der einfachste Spannungsstabilisator in der Elektronik ist ein Funkelement Zenerdiode. Manchmal heißt es auch Zenerdiode. In den Diagrammen werden Zenerdioden etwa so bezeichnet:
Der Anschluss mit einer „Kappe“ wird genauso bezeichnet wie der einer Diode – Kathode, und die andere Schlussfolgerung ist Anode.
Zenerdioden sehen genauso aus wie Dioden. Auf dem Foto unten ist links ein beliebter Typ moderner Zenerdiode und rechts eines der Muster aus der Sowjetunion zu sehen
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Wenn Sie sich die sowjetische Zenerdiode genauer ansehen, können Sie diese schematische Bezeichnung auf ihr selbst erkennen, die angibt, wo sich ihre Kathode und wo ihre Anode befindet.
Der wichtigste Parameter einer Zenerdiode ist natürlich: Stabilisierungsspannung. Was ist dieser Parameter?
Nehmen wir ein Glas und füllen es mit Wasser ...
Egal wie viel Wasser wir in ein Glas gießen, der Überschuss wird aus dem Glas herausfließen. Ich denke, das ist für einen Vorschulkind verständlich.
Nun analog zur Elektronik. Das Glas ist eine Zenerdiode. Der Wasserstand in einem bis zum Rand gefüllten Glas beträgt Stabilisierungsspannung Zenerdiode. Stellen Sie sich einen großen Krug Wasser neben einem Glas vor. Wir füllen einfach unser Glas mit Wasser aus der Kanne, trauen uns aber nicht, die Kanne anzufassen. Es gibt nur eine Möglichkeit: Gießen Sie Wasser aus einem Krug, indem Sie ein Loch in den Krug selbst stanzen. Wäre die Kanne kleiner als das Glas, könnten wir kein Wasser in das Glas gießen. Um es elektronisch zu erklären: Die Kanne hat eine „Spannung“, die größer ist als die „Spannung“ des Glases.
Also, liebe Leser, das gesamte Funktionsprinzip einer Zenerdiode ist im Glas enthalten. Egal welchen Strahl wir darauf gießen (natürlich im Rahmen des Zumutbaren, sonst wird das Glas weggetragen und zerbricht), das Glas wird immer voll sein. Es ist jedoch notwendig, von oben zu gießen. Das heisst, Die Spannung, die wir an die Zenerdiode anlegen, muss höher sein als die Stabilisierungsspannung der Zenerdiode.
Um die Stabilisierungsspannung der sowjetischen Zenerdiode herauszufinden, benötigen wir ein Nachschlagewerk. Auf dem Foto unten ist beispielsweise eine sowjetische Zenerdiode D814V zu sehen:
Parameter dafür suchen wir in Online-Verzeichnissen im Internet. Wie Sie sehen können, beträgt seine Stabilisierungsspannung bei Raumtemperatur etwa 10 Volt.
Fremde Zenerdioden werden leichter markiert. Wenn Sie genau hinsehen, können Sie eine einfache Inschrift erkennen:
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5V1 – das bedeutet, dass die Stabilisierungsspannung dieser Zenerdiode 5,1 Volt beträgt. Viel einfacher, oder?
Die Kathode ausländischer Zenerdioden ist überwiegend durch einen schwarzen Streifen gekennzeichnet
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Wie prüfe ich die Zenerdiode? Ja, genau so! Wie Sie die Diode überprüfen, erfahren Sie in diesem Artikel. Schauen wir uns unsere Zenerdiode an. Wir stellen es auf Durchgang und befestigen die rote Sonde an der Anode und die schwarze Sonde an der Kathode. Das Multimeter sollte einen Vorwärtsspannungsabfall anzeigen.
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Wir tauschen die Sonden aus und sehen eine. Das bedeutet, dass unsere Zenerdiode in voller Kampfbereitschaft ist.
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Nun, es ist Zeit für Experimente. In den Schaltkreisen ist eine Zenerdiode mit einem Widerstand in Reihe geschaltet:
Wo Uin – Eingangsspannung, Uout.st. – Stabilisierte Ausgangsspannung
Wenn wir uns das Diagramm genau ansehen, sehen wir nichts weiter als einen Spannungsteiler. Hier ist alles elementar und einfach:
Uin=Uout.stab +Uresistor
Oder in Worten: Die Eingangsspannung ist gleich der Summe der Spannungen an der Zenerdiode und dem Widerstand.
Dieses Schema heißt parametrischer Stabilisator auf einer Zenerdiode. Die Berechnung dieses Stabilisators würde den Rahmen dieses Artikels sprengen, aber wenn es jemanden interessiert, googeln Sie ihn ;-)
Also, lasst uns die Schaltung zusammenstellen. Wir haben einen Widerstand mit einem Nennwert von 1,5 Kiloohm und eine Zenerdiode mit einer Stabilisierungsspannung von 5,1 Volt genommen. Links schließen wir das Netzteil an und rechts messen wir die resultierende Spannung mit einem Multimeter:
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Jetzt überwachen wir sorgfältig die Messwerte des Multimeters und des Netzteils:
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Also, während alles klar ist, lasst uns noch mehr Spannung hinzufügen ... Ups! Unsere Eingangsspannung beträgt 5,5 Volt und unsere Ausgangsspannung beträgt 5,13 Volt! Da die Stabilisierungsspannung der Zenerdiode, wie wir sehen können, 5,1 Volt beträgt, stabilisiert sie sich perfekt.
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Fügen wir noch ein paar Volt hinzu. Die Eingangsspannung beträgt 9 Volt und die Zenerdiode 5,17 Volt! Toll!
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Wir fügen auch hinzu... Die Eingangsspannung beträgt 20 Volt und der Ausgang beträgt, als wäre nichts passiert, 5,2 Volt! 0,1 Volt ist ein sehr kleiner Fehler, der in manchen Fällen sogar vernachlässigt werden kann.
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Ich denke, es würde nicht schaden, die Strom-Spannungs-Kennlinie (VAC) der Zenerdiode zu berücksichtigen. Es sieht ungefähr so aus:
Wo
Ipr– Gleichstrom, A
Upr– Durchlassspannung, V
Diese beiden Parameter werden in der Zenerdiode nicht verwendet
Uarr– Sperrspannung, V
Ust– Nennstabilisierungsspannung, V
Ist– Bemessungsstabilisierungsstrom, A
Unter Nominal versteht man einen normalen Parameter, bei dem ein Langzeitbetrieb des Funkelements möglich ist.
Imax– maximaler Zenerdiodenstrom, A
Immin– minimaler Zenerdiodenstrom, A
Ist, Imax, Imin – Dies ist der Strom, der im Betrieb durch die Zenerdiode fließt.
Da die Zenerdiode im Gegensatz zu einer Diode mit umgekehrter Polarität arbeitet (die Zenerdiode ist mit der Kathode an Plus und die Diode mit der Kathode an Minus angeschlossen), entspricht der Arbeitsbereich genau dem, der mit dem roten Rechteck markiert ist .
Wie wir sehen, beginnt unser Graph ab einer gewissen Spannung Urev abzufallen. Zu diesem Zeitpunkt kommt es zu einer so interessanten Sache wie einem Durchschlag in der Zenerdiode. Kurz gesagt, es kann die Spannung an sich selbst nicht mehr erhöhen und zu diesem Zeitpunkt beginnt der Strom in der Zenerdiode anzusteigen. Das Wichtigste ist, den Strom nicht zu übertreiben, mehr als Imax, sonst wird die Zenerdiode beschädigt. Als bester Betriebsmodus der Zenerdiode gilt der Modus, bei dem der Strom durch die Zenerdiode irgendwo in der Mitte zwischen seinem Maximal- und Minimalwert liegt. Dies wird in der Grafik angezeigt Betriebspunkt Betriebsart der Zenerdiode (markiert mit einem roten Kreis).
Früher, in Zeiten knapper Teile und zu Beginn der Blütezeit der Elektronik, wurde seltsamerweise oft eine Zenerdiode verwendet, um die Ausgangsspannung zu stabilisieren. In alten sowjetischen Elektronikbüchern kann man diesen Abschnitt der Schaltung verschiedener Netzteile sehen:
Links im roten Rahmen habe ich einen Ihnen bekannten Abschnitt des Stromversorgungskreises markiert. Hier erhalten wir Gleichspannung aus Wechselspannung. Rechts, im grünen Rahmen, befindet sich das Stabilisierungsdiagramm ;-).
Derzeit ersetzen dreipolige (integrierte) Spannungsstabilisatoren Stabilisatoren auf Basis von Zenerdioden, da sie die Spannung um ein Vielfaches besser stabilisieren und eine gute Verlustleistung aufweisen.
Bei Ali können Sie sofort einen ganzen Satz Zenerdioden im Bereich von 3,3 Volt bis 30 Volt nehmen. Wählen ganz nach Ihrem Geschmack und Ihrer Farbe.
Obwohl bei der Vorbereitung der Sammlung speziell Schemata ausgewählt wurden, die die gebräuchlichsten, am weitesten verbreiteten und kostengünstigsten Elemente verwenden, wäre es nicht verkehrt, die Reihenfolge der Verwendung anderer Elemente anzugeben, die die fehlenden Elemente gleichermaßen oder mit großem Erfolg ersetzen.
Beim Ersetzen eines Elements durch ein anderes wird empfohlen, zunächst Referenzliteratur zu verwenden. Selbst wenn man möchte, ist es unmöglich, in einem kurzen Anhang alle möglichen Optionen für den Austausch von Elementen aufzulisten, da es allein für Halbleiterdioden mehr als ein Dutzend Namen gibt. Es ist jedoch möglich, einen allgemeinen Ansatz für die mögliche Verwendung einiger Geräteelemente anstelle anderer zu geben.
Beginnen wir mit Halbleiterdioden. Herkömmlicherweise werden alle in der Sammlung verwendeten Halbleiterdioden in Hochfrequenz-Germaniumdioden mit geringer Leistung (Diodentyp D9B - D9Zh), Siliziumimpulsdioden mit geringer Leistung (Hochfrequenz) - KD503A und Silizium (Niederfrequenz) - KD102A ( B). Der Buchstabe am Suffix (Ende) der Elementbezeichnung (A, B, C usw.) bezeichnet eine Variante des Grundmodells, die sich in gewisser Weise vom Rest unterscheidet.
In ausländischen Veröffentlichungen werden Allzweckdioden oft auf eine einzige Weise bezeichnet: Es handelt sich um universelle Niederfrequenz- oder Hochfrequenz-Germanium- oder Siliziumdioden. Sofern im Entwurf keine besonderen Anforderungen an die Dioden festgelegt sind, gelten folgende Mindestanforderungen:
Hochfrequente Germanium- oder Siliziumdioden – mit einer maximalen Sperrspannung von mindestens 30 V (in Bezug auf Sammelkreise sogar 15 V), Durchlassstrom von mindestens 10 mA. Betriebsfrequenz – nicht weniger als mehrere MHz.
Hochfrequenz-Germaniumdioden: D9B – D9Zh; GD402 (1D402); GD507; GD508\GD511 und andere.
Siliziumdioden schalten: KD503 (2D503); KD504\ KD509 - KD512] KD514; KD520 - KD522 und andere.
Niederfrequenz-(Leistungs-)Dioden – mit einer maximalen Sperrspannung von mindestens 300 V, Durchlassstrom von mindestens 100 mA. Betriebsfrequenz – nicht weniger als mehrere kHz.
Silizium-Niederfrequenzdioden: KD102 - KD105\D226 und andere mit einer Betriebsspannung, die nicht niedriger ist als die in einem bestimmten Stromkreis verwendete Spannung.
Natürlich können Halbleiterbauelemente, die eine höhere Leistung haben und oft teurer sind (ausgelegt für einen höheren Betriebsstrom, eine höhere Maximalfrequenz, eine höhere Sperrspannung usw.), die in der Sammlung empfohlene Diode, eine Diode eines veralteten Modells, erfolgreich ersetzen.
Beim Austausch von Zenerdioden sollte zunächst auf die Stabilisierungsspannung geachtet werden. Alle Sammelkreise verwenden überwiegend Zenerdioden mit geringer Leistung. Derzeit steht eine große Auswahl unterschiedlicher Zenerdioden zur Verfügung, die häufig ohne Bedenken austauschbar sind. Wie bereits in einem der Abschnitte des Buches erwähnt, siehe Kapitel 1, kann eine Zenerdiode für jede erhöhte oder nicht standardmäßige Spannung aus anderen in Reihe geschalteten Zenerdioden oder deren Kombination mit einer Kette aus in Durchlassrichtung vorgespannten Germaniumdioden bestehen (oder) Siliziumdioden.
Auch Fragen des vollständigen Austauschs von Halbleiterbauelementen werden in Kapitel 1 erörtert.
Beim Austausch von Transistoren sollten Sie Folgendes beachten. Für diese Geräte gibt es auch eine Unterteilung in Silizium-, Germanium-, Niederfrequenz-, Hochfrequenz-, Hochleistungs-, Low-Power-Transistoren usw.
In dieser Sammlung werden am häufigsten die seit über 30 Jahren von der Industrie am häufigsten hergestellten Transistoren vorgestellt. Dabei handelt es sich um KT315 – Silizium-Hochfrequenz-PP-Strukturen mit geringem Stromverbrauch. Ihre strukturellen Antonyme sind KT361. Unter den Hochleistungs-Siliziumtransistoren ist dies die p-p-p-Struktur KT805; Germanium mit geringer Leistung und hoher Frequenz – GT311 (1T311) p-p-p und ihre antonyme p-p-p-Struktur – GT313 (1T313). Die Haupteigenschaften dieser Transistoren sind oben angegeben.
Für all diese Transistoren gibt es natürlich eine große Auswahl an äquivalenten und zugehörigen redundanten Halbleiterbauelementen, die sich manchmal nur im Namen vom Prototyp unterscheiden.
Die wichtigsten Austauschkriterien sind: maximale Betriebsspannung am Transistorkollektor, maximaler Kollektorstrom, maximale Verlustleistung am Kollektor, maximale Betriebsfrequenz, Stromübertragungskoeffizient. Seltener sind bei den in der Sammlung vorgestellten Schaltungen die Größe der Kollektor-Emitter-Restspannung und die Rauscheigenschaften des Transistors von Bedeutung.
Beim Austausch eines Transistors durch einen anderen darf keiner dieser Parameter unterschätzt oder verschlechtert werden. Gleichzeitig haben ihre modernen Varianten im Vergleich zu eher alten Transistormodellen automatisch und evolutionär Eigenschaften übernommen, die im Vergleich zu ihren entfernten Vorfahren offensichtlich verbessert sind.
So können beispielsweise Transistoren vom Typ KT315 durch fortschrittlichere Transistoren vom Typ KT3102 (rauscharme Hochfrequenz-Siliziumtransistoren), KT645 (leistungsstärkere kleine Hochfrequenztransistoren) usw. ersetzt werden offensichtlich bessere Eigenschaften.
KT361-Transistoren können durch Transistoren des Typs KT3107 (rauscharme Hochfrequenz-Siliziumtransistoren) oder ähnliche ersetzt werden.
Leistungsstarke Transistoren vom Typ KT805 (2T805), die in Sammelschaltungen hauptsächlich in ULF-Ausgangsstufen und Spannungsstabilisatoren verwendet werden, können ohne Beeinträchtigung des Betriebs der Schaltungen durch Analoga, Transistoren der KTVxx (2T8xx)-Serie mit p-p-p-Struktur, ersetzt werden. Dabei ist xx die Seriennummer der Entwicklung. Ausnahmen von dieser Serie sind die Transistoren KT809, KT812, KT826, KT828, KT838, KT839, KT846, KT856 usw.
Es ist zu beachten, dass wenn sich der Transistor während des Betriebs merklich erwärmt, die Betriebsart falsch gewählt ist, Widerstände mit anderen Nennwerten verwendet werden oder ein Installationsfehler vorliegt. Wenn die Betriebsbedingungen eines bestimmten Stromkreises den Betrieb eines Transistors mit erhöhtem Kollektorstrom vorsehen und sich der Transistor merklich erwärmt, sollten Sie darüber nachdenken, dieses Element durch ein leistungsstärkeres zu ersetzen oder Maßnahmen zu seiner Kühlung zu ergreifen. Normalerweise können Sie mit einem einfachen Kühler oder einem Lüfter die zulässige Verlustleistung eines Halbleiterelements (Transistor oder Diode) um das 10- bis 15-fache erhöhen.
Manchmal kann ein leistungsstarkes Halbleiterbauelement (Diode oder Transistor) durch parallel geschaltete Geräte mit geringer Leistung ersetzt werden. Bei der Einbeziehung ist jedoch Folgendes zu beachten. Da sich bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen auch aus derselben Produktionscharge deren Eigenschaften merklich unterscheiden, kann bei einer einfachen Parallelschaltung die Belastung auf ihnen äußerst ungleichmäßig verteilt werden, was zum sukzessiven Durchbrennen dieser Bauelemente führt. Um Ströme in parallel geschalteten Dioden und Transistoren gleichmäßig zu verteilen, ist es schwierig, einen Widerstand mit einem Widerstandswert von mehreren bis mehreren zehn Ohm in Reihe mit der Diode oder in den Emitterkreis des Transistors einzubauen.
Ist der Einsatz einer für Hochspannung ausgelegten Halbleiterdiode erforderlich, kann der Austausch durch Reihenschaltung mehrerer gleichartiger, für Niederspannung ausgelegter Dioden erfolgen. Um eine gleichmäßige Verteilung der Sperrspannung zu gewährleisten, die für den Betrieb der Diodenbaugruppe am gefährlichsten ist, sollte nach wie vor ein Widerstand mit einem Widerstandswert von mehreren hundert kOhm bis mehreren Megaohm parallel zu jeder Diode der Baugruppe geschaltet werden . Ähnliche Anschlussschemata für Transistoren sind natürlich auch bekannt, werden aber selten verwendet. Für die in der Sammlung vorgestellten Stromkreise ist ein solcher Austausch jedenfalls nicht erforderlich, da alle Stromkreise in erster Linie für die Niederspannungsversorgung ausgelegt sind.
Beim Austausch von Feldeffekttransistoren ist die Situation deutlich komplizierter. Obwohl Feldeffekttransistoren selbst schon vor langer Zeit auf den Seiten von Zeitschriften und Büchern auftauchten, ist ihr Sortiment nicht so repräsentativ und die Streuung der Parameter ist ausgeprägter. Der Austausch ausländischer Feldeffekttransistoren kann besonders schwierig sein. Was die Schaltkreise der Sammlung betrifft, so werden, wie bereits erwähnt, nur die am besten zugänglichen Elemente verwendet, einschließlich Feldeffekttransistoren.
In den auf den Sammlungsseiten präsentierten Diagrammen stößt man immer wieder auf den Einsatz von Telefonkapseln für einen etwas ungewöhnlichen Zweck – gleichzeitig als niederfrequente Schwingkreise und Schallsender. Grundsätzlich kommen als solche Telefonkapseln gängige und weit verbreitete Produkte zum Einsatz. Hierbei handelt es sich um eine Telefonkapsel des Typs TK-67, die in im Inland hergestellten Telefonapparaten verwendet wird, und um einen Ohrhörer des Typs TM-2 (TM-4), der üblicherweise in Geräten für Hörgeschädigte verwendet wird. Natürlich können diese Telefonkapseln durch andere in- oder ausländische Kapseln mit ähnlichen Eigenschaften ersetzt werden. In einigen Fällen kann es jedoch erforderlich sein, die Kapazität des Kondensators auszuwählen (z. B. wenn diese Telefonkapsel über eine niederfrequente Resonanzschwingung verfügt). Schaltkreis).
