Zenerdiodi

Mikäli et ole lukenut diodit sivua ja et vielä hallitse diodin käsitettä, niin suosittelen ensin lukemaan edellä mainitun sivun. Muussa tapauksessa tästä virkkeestä ei tarvitse välittää.

Zenerdiodin piirikaaviosymboli on esitetty alla ja diodin jalkoihin on merkitty jännitteen napaisuus:

Zener

Piirilevyillä ja kytkentäkaavioissa zenerdiodille käytetään hyvin usein kirjainta Z kuvaamaan komponentin tyyppiä.

Zenerdiodin toiminta

Zenerdiodi toimii myötäsuuntaan kuten tavallinenkin diodi ja sen kynnysjännite on tyypillisesti noin 0,6 volttia. Estosuuntainen toiminta on kuitenkin aivan toista kuin tavallisella pii- tai germaniumdiodilla tai schottckydiodilla. Zenerdiodi johtaa myös estosuuntaan, kun tarpeeksi korkea jännite katodilla (-) saavutetaan.

Jos estosuunnan jännitettä ei oteta huomioon, niin zenerdiodeihin pätee suurin piirtein samat asiat kuin "tavallisiin" diodeihin, joista on kerrottu diodit sivulla ja sen vuoksi tähän on turha toistaa samoja asioita. Mittaaminen tapahtuu samaan tapaan kuin tavallisille diodeille ja jos zenerdiodi on rikki, sen voi yleismittarilla huomata.

Zenerdiodin ominaisuudet

Zeneridiodin tärkein ominaisuus on sen estosuuntaisen jännitteen "läpilyönti" eli zener-jännite. Kun jännite saavuttaa zenerdiodin katodilla (-) tarpeeksi suuren jännitteen, alkaa zenerdiodi johtamaan sen estosuuntaan. Tätä estosuuntaista kynnysjännitettä kutsutaan siksi zener-jännitteeksi.

Zenerdiodi ei, kuten muutkaan diodit, rajoita virtaa itsekseen vaan kynnysjännitteen ylittyessä diodi päästää elektroneja eli sähköä lävitseen niin kauan kuin se vain kestää. Zenerdiodeja käytetäänkin yleensä vastuksen kanssa, esimerkiksi jännitereferenssinä tai vähävirtaisena jänniteregulaattorina.

Eräänä mielenkiintoisena ominaisuutena zenerdiodissa on myös sen lämpötilariippuvuus eri jännitealueilla (engl. Temperature Coefficient).

Zenerdiodilla on negatiivinen lämpötilariippuvuus (engl. NTC, Negative Temperature Coefficient) silloin, kun sen zenerjännite on alle n. 5,6 volttia. Tämä tarkoittaa sitä, että zenerdiodin zenerjännite pienenee kun lämpötila alenee.

Kun zenerjännite on yli n. 5,6 volttia, lämpötilariippuvuus muuttuu positiiviseksi (engl. PTC, Positive Temperature Coefficient) ja zenerjännite puolestaan kasvaa lämpötilan kasvaessa.

Edellä mainituista johtuen, zenerdiodit ovat alttiita lämpötilan muutoksille, eivätkä ne esimerkiksi sovi kovin tarkoiksi jännitereferensseiksi, jos lämpötilamuutoksia on paljon laitteen toimintaympäristössä.

Mutta jos zenerdiodin zenerjännite on 5,6 volttia, kumoavat negatiivinen ja positiivinen lämpötilariippuvuus lähes kokonaan toisensa. 5,6 voltin zenerdiodi on siten ideaalisin valinta kun halutaan halpa ja mahdollisimman vähän lämpötilasta riippumaton referenssijännite.

Ennen komponenttien valintaa kannattaa kuitenkin tarkastaa datalehdestä zenerdiodin lämpötilariippuvuudet, sekä muut oleelliset arvot kuten zenerjännite ja myötäsuuntainen jännite sekä maksimivirta ja -tehonkesto.

Zenerdiodin käyttäminen

Zenerdiodia voidaan käyttää jänniteregulaattorina esimerkiksi seuraavasti:

Zenerin käyttö

kuvan lähde

Kuvassa tulopuolen jännite, joka on suurempi kuin lähtöjännite Uout, kytketään vasemmalle ja Uout on yhtä suuri kuin zenerjännite. Tälle kytkennälle on olennaista mitoittaa oikea virta, sillä zener vaatii toimiakseen pienen virran. Virta voi olla 1-5 mA:n välillä tai jotain hieman enemmän, tarkka arvo selviää datalehdestä. 5,6 voltin (0,5 watin) zenerille suositusarvo on 5 mA. Virta mitoitetaan alla olevan kaavan mukaisesti:

Idiodi = (UIN-UOUT) / R

Kaava vastukselle on tietenkin:

R = (UIN-UOUT) / Idiodi

Tämän piirin avulla voidaan tuottaa tasainen käyttöjännite, mutta tästä kytkennästä ei voi ottaa suuria virtoja johtuen zenerin ominaisuuksista ja vastuksesta R. Jos kytkentää yritetään kuormittaa niin virta vastuksen R läpi kasvaa. Kun virta kasvaa vastuksessa, kasvaa myös sen yli oleva jännitehäviö. Jos jännitehäviö kasvaa liian suureksi, alkaa lähtöjännite UOUT laskemaan ja kytkennän oikea puoli ei välttämättä toimi oikein.

Mikäli syöttöjännite UIN on liian suuri tai/ja vastus R liian pieni, niin lopputuloksena on hukkalämpöä harakoille ja pahimmassa tapauksessa palanut vastus tai zenerdiodi. Mikäli zenerdiodi palaa niin, ettei se mene oikosulkuun vaan avoimeksi piiriksi, pääsee piirin oikealle puolelle käyttöjännite UIN ja kytkennän suojana on enää vastus R. Mikäli siis käytät tätä kytkennässäsi, niin varmista tai laske ensin mikä on kytkennän maksimikuorma zenerdiodin jälkeen.

Yllä olevaa kytkentää voidaan käyttää myös yksisuuntaisena logiikkatason muuntimena, missä muutetaan 5 voltin jännite 3,3 voltin zenerillä sopivammaksi 3 voltin logiikkajännitteeksi.

Lähteitä:
http://en.wikipedia.org/wiki/Zener_diode