Diody Zenera często używane są jako elementy ograniczające i przeciwprzepięciowe. Można je znaleźć przede wszystkim w stabilizatorach napięcia. Właśnie na takich układach skoncentrujemy się w tym artykule.
Dioda nazwana od nazwiska amerykańskiego fizyka Zenera to właściwie zwykła dioda półprzewodnikowa, która posiada złącze PN. Jednak jej konstrukcja sprawia, że potrafi uzyskać bardzo niskie napięcie przebicia wstecznego. Ta cecha powoduje, że dioda Zenera jest w stanie ograniczyć każde napięcie wsteczne, które zostanie przyłożone do jej zacisków. Jak wykorzystywana jest ta zdolność diody Zenera?
Jak działa dioda Zenera?
W czasie normalnej pracy dioda Zenera w zasadzie nie różni się niczym od zwykłej diody półprzewodnikowej ze złączem PN. Taki element przewodzi prąd, gdy anoda ma wyższy potencjał od katody. Przy czym zwykła dioda krzemowa w momencie, gdy katoda zyskuje wyższy potencjał od anody (polaryzacja zaporowa), po prostu uniemożliwia przepływ prądu. W przypadku diody Zenera jest jednak inaczej. Tutaj prąd jest przewodzony w kierunku zaporowym, gdy napięcie zwiększy się poza określoną wartość. Taka sytuacja ma miejsce, gdy do diody Zenera przyłożymy napięcie wsteczne, które przekracza napięcie znamionowe diody. Wtedy pojawia się przebicie Zenera. Aby ograniczyć dalszy wzrost napięcia, przez diodę płynie wsteczny prąd nasycenia i błyskawicznie osiąga wartość maksymalną dla danego obwodu. Następuje ustabilizowanie napięcia w diodzie (napięcie Zenera).
Charakterystyka I-U
Gdy podłączymy anodę do minusa, dioda Zenera pracuje w polaryzacji zaporowej. Jeśli przyjrzymy się charakterystyce I-U w czasie takiej pracy diody, zobaczymy, że w pewnym obszarze napięcie jest prawie stałe i to bez względu na to, o jakim natężeniu prąd przepuścimy przez diodę. Gdy nawet dochodzi do dużych zmian prądu (w zakresie między minimalnym a maksymalnym prądem diody), napięcie się nie zmienia. Właśnie ta zdolność pozwala wykorzystać diodę Zenera w układach stabilizujących i regulatorach napięcia.
Dioda Zenera w regulowaniu wejściowego napięcia stałego
Gdy zmienia się prąd obciążenia, dioda Zenera używana jest do tego, żeby doprowadzić stabilizowane napięcie wyjściowe. W rezultacie można wykonać prosty układ stabilizatora z diodą Zenera i umieścić go na przykład na wyjściu prostownika. W ten sposób otrzymujemy niezwykle stabilne napięcie wyjściowe. Taki układ tworzy się, łącząc szeregowo opornik i diodę Zenera. Ta ostatnia pracuje zaporowo (katoda połączona do plusa zasilania). Jeśli zachodzi konieczność eliminacji szumu wyjściowego napięcia stałego, do układu wpina się dodatkowo kondensator odsprzęgający.
W stabilizatorach napięcia dioda Zenera pracuje w warunkach polaryzacji zaporowej. Dzięki temu taki układ zapewnia stałą wartość napięcia wyjściowego i to bez względu na zmiany napięcia wejściowego. To właśnie dioda Zenera sprawia, że napięcie na obciążeniu jest stabilizowane i nie zmienia swojej wartości.
