Ценеров Диод

Какво представлява ценеровият диод?

Ценеровият диод е силициев диод със специфично предназначение, оптимизиран за работа в областта на пробив.

При прилагане на достатъчно високи обратни напрежения, токът през диода рязко се увеличава при оставащо почти постоянно обратно напрежение. Това явление се нарича пробив. Малосигналните и изправителните диоди никога не се използват в областта на пробив, защото това може да доведе до разрушаването им.

Когато настъпи пробивът напреженито UZ върху ценеровия диод остава почти постоянно и независимо от тока през диода. Поради това си свойство, цнеровите диоди често се използват в регулаторите на напрежението - схеми, които запазват изходното напрежение постоянно, независимо от големите промени във входното напрежение или товара.

Приложение на ценеровия диод

За да функционира, всяко електронно устройство се нуждае от постоянно токовото захранване - схема, която преобразува променливото напрежение от електрическата мрежа в постоянно. Обикновенно напрежението, получено в изхода на изправителя е постоянно с малки пулсации. Желателно е изходното напрежение на захранващия блок да остава постоянно, независимо от тези пулсации и от промените на тока през товара.

По тази причина изходът на изправителя се свързва към регулатор на напрежение с ценеров диод, както е показано на фигурата. В идеалния случай, ценеровият стабилизатор ще намалява пулсациите практически до нула, защото напрежението върху товара ще остава постоянно и равно на пробивното напрежение UZ.

Структура на ценеровия диод

Ценеровият диод има същата структура като тази на обикновен изправителен диод. Той представлява полупроводников монокристал, в който са създадени две области - съответно с p- и n-тип проводимост, както е показано на фигурата.

Граничната област между областите с p- и n-тип проводимост се нарича pn преход. Процесите, свързани с принципа на работа на ценеровия диод се извършват в обеднения слой do, където нямо подвижни токоносители. Йоните в обеднения слой създават електрическо поле Eo. , и съответно контактна потенциална разлика Uo.

Символно означение на ценеровия диод

Ценеровият диод има два електрода, като p-областта се нарича анод, а n-областта - катод.

На фигурата е показано символното означение на ценеров диод и връзката между електродите и структурата на диода. За да работи ценровият диод в режим на пробив, катодът трябва да е с положителен потенциал спрямо анода.

Корпуси на ценеров диод

На фигурата са показани някои от съществуващите корпуси на ценеров диод (не в конкртените им физически параметри). Корпусите могат да бъдат от стъкло, пластмаси, както и от метал. Катодът е означен със цветна ивица.

Мощните ценерови диодите имат метални корпуси, за по-лесно отвеждане на топлината. При по-високите мощности, охлаждането може да бъде подобрено, ако елементът се монтира върху радиатор (маса от метал).

Принцип на действие на ценеровия диод

Ценеровият диод функционнира в областта на пробив. Преди да настъпи пробивът, токът е много слаб. Той е съставен от образуваните от топлината неосновни токоносители, преминаващи през прехода. Когато се достигне пробивно напрежение UZ,, токът IZ нараства значително за съвсем малко изменение на напрежението.

Увеличението на тока се дължи на умножаване на броя на токоносителите в обедненият слой, когато се надвиши критичната стойност на електроическото поле EZ. След като се достигне пробивното напрежение, в обеднения слой се появяват голям брой неосновни токоносители и токът през диода рязко нараства. Това е следствие от два механизма известни като лавинен и ценеров пробив.

Лавинен пробив

Обратният ток е съставен от неосновни токоносители, които навлизат в обеднения слой и се ускоряват от вътрешното електрическо поле. При по-високо обратно напрежение, ускорените токоносители набират достатъчно кинетична енергия и при сблъсък с атом от кристалната решетка го йонизират. При това се създава допълнителна двойка свободен електрон и дупка.

Тези токоносители на свой ред се ускоряват от електрическото поле и при сблъсък със атомите на кристала образуват две двойки нови свободни токоносители. Процесът продължава, увеличавайки рязко броя на създадените токоносители и силата на тока. Поради аналогията с ефекта на лавината, която се разширява, спускайки се по склона, този механизъм се нарича лавинен ефект или лавинен пробив.

Ценеров пробив

Когато електрическото поле на прехода е достатъчнои голямо, за да разруши ковлентните връзки, също се създават свободни електрони и дупки. Механизмът се нарича ценеров ефект или ценеров пробив. За този вид пробив се изисква много висока напрегнатост на електрическот поле от порядъка на 300 000 V/cm.

Такива интензивни по сила полета се образуват в силно легирани диоди (диоди с висока концентрация на примесите). Те имат изключително тесен обеднен слой. По тази причина, дори и за ниски напрежения, електрическото поле в обедненият слой е много високо (изчислява се като E = U/d). При тези силно легирани диоди ценеровият пробив настъпва при обратно напрежение по-малко от 5V.

Волт-Амперна на ценеров диод

На фигурата е покзана волт-амперната характеристика на ценеров диод.

Ценеровият диод може да работи във всеки един от трите режима на работа: Право включване, обратно влючване, както и в областта на пробив.

При право включване ценеровият диод започва да провежда ток при 0.7 V, както обикновен силициев диод. При обратно включване (между 0-та и пробивното напрежение) през ценеровият диод протича много слаб обратен ток.

В областа на пробив се наблюдава рязко, почти вертикално нарастване на тока. Трябва да се отбележи, че напрежението остава постоянно и приблизително равно на пробивното напрежение на ценеров диод UZ .

Област на пробив

Ценеровият диод се нарича още регулатор (стабилизатор) на напрежението, защото поддържа постоянно изходно напрежение, дори когато токът през него се променя.

В идеалният случай, в областта на пробив ценеровият диод практически функционнира като батерия и може да бъде заменен с източник на постоянно напрежение UZ. Диодите се наричат ценерови диоди, независимо че механизмът на пробив по-често е лавинен.

Товарна права

На фигурата е представена схема за включване на ценеров диод. Чрез прилагане на закона на Кирхоф се достига до линейна зависимост между тока и напрежението: IZ = (US1 - UZ)/R, където US1 е напрежението на източника, а UZ и IZ са напрежението и тока през ценертовия диод. Това е уравнение на права линия и се нарича товарна права. Наклонът на товарната права е пропоционален на 1/R.

Товарната права може да се построи лесно с отрезите си от хоризонталната и вертикална оси - (IZ=0, U=US1), и респективно (UZ=0, IZ = US1 / R). Пресечната точка на товарната права и волт-амперната характеристика на ценеровия диод, се нарича работна точка Q1.

Отместване на товарната права

Ако се промени напрежението на източника, ще се промени и стойността на тока през ценеровият диод. При фиксирано товарно съпротивление, наклонът на товарната права не се променя. По този начин когато US1 се увеличи до US2, товарната права се придвижва, паралелно на себе си и се отмества в ляво. Новата работна точка е Q2. Въпреки че напрежението на източника се е променило от US1 до US2, напрежението върху ценеровия диод, все още е почти равно на UZ.

Това е и основният принцип на регулирането на напрежението - изходното напрежение остава винаги постоянно, независимо от това, че входното напрежение се променя в широки граници.

Статично съпротивление на ценеров диод

Статичното съпротивление RZ се изчислява като отношение на напрежението върху ценеровият диод към тока през него за дадена работната точка. За работната точка Q, показана на фигурата, статично съпротивление е равно на RZ = UzQ / IzQ.

Токът през съпротивлението RZ предизвиква пад на напрежението в допълнение към ценеровото пробивно напрежение. Съпротивлението е много ниско, обикновенно няколко десетки от волта. За по-точни изчисления, ценеровият диод може да се заменени с идеална батерия и последовтелно свързано към нея съпротивление RZ.

Динамично съпротивление на ценеров диод

На фигурата е представена волт-амперната (VA) характеристика на ценеров диод.

Ценеровият диод може да работи във всяка от трите области: право включване, обратно включване и пробив.

Динамичното (или променливо-токово) съпротивление на ценеровият диод rZ се определя като отношение от нарасъка на напрежението към нарастъка на тока за дадена работна точка. Може да бъде определена от волт-амперните характериситки, както е показано на фигурата. В областта на пробив, динамичното съпротивление е много ниско.

Колкото по-ниско е динамичното съпротивление на ценеровият диод, толкова по-добре той изпълнява функцията си на стабилизатор напрежението.

Напрежение на пробив на ценеровия диод

При различните ценерови диоди пробивно напрежение UZ варира в диапазон от няколко волта до няколко стотици волта.

В каталозите се дават стойностите на пробивното напрежение UZ за конкретна стойност на тока IZt. Освен това се задава и толеранса на напрежението (допустими отклонения), който се измерва в проценти. Например, силициевият ценеров диод BZY 92C9V1 има пробивно напрежение UZ = 9.1 V и толеранс Â ± 5%.

Напрежение на пробив за лавинен и ценеров ефект

На фигурата са показани волт-амперните характеристики на ценеров диод ,за двата вида механизма на пробив. Ценеровият пробив настъпва в силно легирани диоди с обратно напрежение по-малко от 5V. За лавинния пробив са нужни обратни напрежения над 6V.

Характеристиката в областта на лавинен оробив е много по-стръмна от тази при ценеров пробив. Това позволява тези диоди по-ефективно да се изплозват в схеми за регулиратори на напрежението.

Температурен коефициент

При увеличаване на околната температура, пробивното напрежение също леко се променя. Влиянието на температурата се отчита в каталоозите с параметъра температурен коефициент, който представлява процентната промяна на напрежението за дадено температурно изменение.

За ценеров диод с пробивни напрежения по-малки от 5V, темепературният коефициент е отрицателен.

Топлинна компенсация

За ценеров диод с напрежение UZ > 6V, температирният коефициент е положителен.

Пложителният температурен коефициент може да се компенсира, като последователно към ценеровият диод се свърже право включен изправителен диод. Право включеният изправителен диод има отрицателен температурен коефициент, като напрежението при право включване намалява със -2 mV/oC.

По този начин, се постига общ температурен коефициент по малък от 0.001% / oC. Така, напрежението на ценеровият диод няма да се променя, дори в голям диапазон на изменение на темепратурата.

Параметри на ценеровият диод

Минимакно допустимият ток през ценеровият диод IZmin е наи-малкият обратен ток, при който настъпва стабилен пробив. За да работи в режим на пробив токът през диода трябва да бъде по-голям от IZmin.

Интересно свойство на ценеровите диоди, които работят с токове, близки, но по-ниски от минимлно допустимия IZmin е, че те шумят. Това им свойство се използва в генераторите на шум.

Максимално допустима мощност на ценеров диод

Отделената мощност в ценеровия диод е равна на произведението на напрежението и тока през диода или PZ = Uz.Iz.

Когато в елемента се отделя мощност, температурата на прехода Tj има склонност да се увеличава. Но това не означава, непременно че този процес е разрушителен.

При високи мощности, се генерира топлина и нейното отвеждане е критично за запазване работоспособността на прибора. Докато отделяната мощност PZ  е по ниска от максимално допустимата мощност PZmax , ценеровият диод ще функционнира в областа на пробив, без да се разруши.

Максимално допустим ток през ценеровият диод

Ценеровите диоди имат максимално допустима мощност от ¼ W до повече от 50 W. Махимално допустимият ток на ценеровият диод IZmax зависи от максимално допустимата мощност PZmax, както следва с формулата IZmax = PZmax / UZ, където UZ е пробивното напрежение на ценеровия диод.

Параметърът IZmax определя максимално допустимия ток за ценеровия диод, при който той може да функционнира, без да се превиши максимално допустимата мощност.

Токоограничаващ резистор

Последователно свързания резистор R се нарича още токоограничаващ резистор. Функцията му е да поддържа ток през диода по-малък от максимално допустимия ток IZmax. В противен случай ценеровият диод ще се разруши, като всеки друг елемент, изложен на претоварване.

Токът през резистора има стойност I = (US - UZ) / R, където US е напрежението на източника, а UZ пробивното напрежение на ценеровият диод.

В уравнението е приложен закона на Ом към токоограничаващия резистор. Токът през ценеровя диод и токът през резистора имат една и съща стойност, тъй като двата елемента са последователно свързани.

Схема с ценеров диод - Регулатор на напрежение

На фигурата е показана схема на регулатор на напрежение с ценеров диод. При нея винаги се поддържа постоянно изходно напрежение, независимо че напрежението на източника US може да се променя в широки граници.

За нормална работа ценеровият диод трябва да е обратно включен, както е илюстрирано на фигурата. За да се достигне областта на пробив, напрежението на източника US трябва да е по-голямо от пробивното напрежение на ценеровият диод. Само тогава, дори при промени в тока, изходното напрежение е винаги постоянно и равно на UZ. Резисторът R ограничава тока през ценеровият диод да не надвиши максимално допустимите стойности.

Регулатор на напрежение с товар

На фигурата е показан регулатор на напрежението с включен товар. Ценеровият диод запазва напрежението върху товара постоянно , независимо от големите промени в напрежението на източника или в товарното съпротивление.

Източникът US представлява филтрирано, но нестабилизирано напрежение с пулсации, което се получава в изхода на изправителя. Когато ценеровият диод е в режим на пробив, токът I през резистора R се изчислява чрез представената формула. Напрежението в товара UL= UZ, тъй като товарното съпротивление RL и ценеровият диод се включени паралелно.Токът IL се изчислява със закона на Ом. Токът през ценеровият диод IZ се определя от закона на Киркхоф.

Коефициент на стабилизация

Изменения в захранващото напрежение или товарно съпротивление, ще доведат до промяна на тока през ценеровият диод, но няма да имат никакъв ефект върху изходното напрежение. То остава постоянно и равно на UZ.

Нивото на стабилизация се измерва чрез коефициента на стабилизация S. Той се дефинира като процентата промяна на входното напрежение, разделена на промяната на изходното напрежение. Тъй като изходното напрежение е равно на напрежение върху ценеровия диод, коефициент на стабилизация се определя от промяната в пробивното напрежението. Колкото по-висок е S, толкова по-ефективно ще бъде и регулирането на напрежението.

Условия на работа

За да може регулаторът на напрежение да поддържа постоянно изходно напрежение, ценровият диод трябва да работи в областта на пробив за всички експлоатационни условия. Най-лошият случай настъпва при минимално входно напрежение и максимален ток през товара, защото тогава токът през диода спада до IZmin.

Максимално възможната стойност на последователния резистор Rmax трябва да поддържа стойността на IZ по-висока от IZmin. В противен случай не може да настъпи пробив и регулаторът на напрежението престава да работи. Минималната стойност на токоограничаващия резистор Rmin, трябва да поддържа стойността на IZ по-малкса от IZmax. В противен случай ценеровият диод ще изгори.

Ограничител на напрежение

Ограничителят на напрежение премахва напрежения под или над определено специфично ниво. Това свойство е полезно не само за изменение формата на сигнала, но също така и за предпазване на схемата, която получава този сигнал.

На фигурата е показан ограничител на напрежение с ценеров диод. През положителния полупериод, горният диод Z1 работи в обласста на пробив, а долният ценеров диод Z2 е право включен. Изходният сигнал се ограничава до нивото на пробивното напрежение UZ плюс 0.7 V на право включеният диод.

През отрицателнния полупериод, процесите протичат точно наобратно. Горният диод е право свързан, докато долният диод работи в режим на пробив. Схемата действа като двустранен ограничител и при тези условия изходният сигнал, има почти импулсна форма.