Zenerdiodes
Enige interessante gegevens en toepassingen van zenerdiodes.
De zenerdiode ofwel referentiediode heeft de laatste jaren een grote sprong genomen op het gebied van toepassingen in de elektronika. Toen het zener-effekt pas werd ontdekt dacht men alleen aan het stabiliseren van spanningen. Tegenwoordig zijn de toepassingen zo uitgebreid geworden, dat het moeilijk is om een schakeling te ontwerpen zonder een zenerdiode te gebruiken.
Een duidelijke toepassing van een zenerdiode is weergegeven in fig. 1. De stroom door weerstand Rs is onafhankelijk van de stroom die wordt afgenomen maar wel afhankelijk van Vin. Dit resulteert in een konstante uitgangsspanning. De weerstand Rs moet zo worden gekozen dat de stroom door de zener in onbelaste toestand (dus RL = cA) niet groter is dan zijn maksimaal toegestane waarde. In de praktijk wordt de zener meestal ingesteld tussen 10% en 80% van de maksimale stroom.
Fig. 1 Eenvoudige spanningsstabilisatie.
Fig. 2 Spanningsstabilisatie d.m.v. verschillende zenerspanningen.
M.b.v. de volgende vergelijking kunnen de in fig. 1 gebruikte komponenten worden bepaald bij een variabele Iuit en variabele Vin
Omdat het voor de industrie vrijwel onmogelijk is om een lagere zenerspanning dan 2-3 V te maken, kan men om lagere spanningen te leveren gebruik maken van het verschil tussen twee zenerspanningen zoals in fig. 2 is aangegeven. Een variatie hierop is schakeling 2a, met een stabiele geregelde spanning.
Fig. 2a Schakeling voor stabiele geregelde spanning.
Door de stabiliserende werking van de zenerdiode kunnen transistoren eenvoudig worden ingesteld met een konstante basisspanning, waardoor de werking betrouwbaarder wordt.
Transistor shuntregeling
In fig. 3 is een kaskade shuntstabilisatieregeling weergegeven, waarin de zenerdiode het basispotentiaal van transistor T1 bepaalt, welke als emittervolger geschakeld is en op zijn beurt T2 stuurt. T2 fungeert als shuntregelaar zodat de uitgangsspanning op een konstante waarde V" = Vz +2 V1x wordt gehouden.
Fig. 3 Kaskade shuntstabilisatie.
Deze schakeling kan worden toegepast op die plaatsen waar grote stroomveranderingen moeten worden bijgeregeld. M.b.v. een shuntregeling kan ook worden voorzien in spanningen die hoger zijn dan de gebruikte zenerspanningen.
Volgens de schakeling in figuur 4 kan een spanning worden afgenomen die hoger is dan Vz. Als de spanningsverliezen worden verwaarloost zal de uitgangsspanning worden bepaald door R1 en R2. Door bijvoorbeeld voor R1 en R2 een gelijke waarde te kiezen, zal de uitgangsspanning tweemaal de zenerspanning Vz zijn.
Fig. 4 Shuntstabilisatie.
Serietransistor regeling
In de serie-transistorregeling (zie fig. 5) wordt de basis van de transistor ingesteld d.m.v. de zenerdiode. Hierdoor zal de uitgangsspanning iets hoger zijn dan VZ namelijk VZ + Vbe.
Fig. 5 Seriestabilisatie.
Als de schakeling zo wordt gedimensioneerd dat de transistor op de helft van zijn belastingslijp is ingesteld, zal iedere verandering van V;,, door de zener worden gekompenseerd en niet op de uitgang terecht komen.
In het algemeen verdient de seriestabilisatie de voorkeur, vooral als er sprake is van een hoge uitgangsspanning en een variërende belasting.
Voor lage uitgangsspanningen, hoge stromen en een relatief konstante belasting kan het beste de shuntstabilisatie worden gekozen.
Overspanningsbeveiliging
Veel schakelingen moeten met een eksakt spanningsniveau worden gevoed. Bij een spanningsverhoging bestaat er kans op beschadiging, hetgeen kan worden voorkomen door de schakeling uit fig. 6. Als de uitgangsspanning boven een bepaalde waarde komt zal de schakeling automatisch worden uitgeschakeld.
Fig. 6 Overspanningsbeveiliging.
In de schakeling voor overspanningsbeveiliging volgens fig. 6 is een zenerdiode in de emitter van een schakeltransistor opgenomen. De kollektor van de transistor is verbonden met de spoel van een relais.
Met de potmeter Rv kan de toegestane maksimale overspanning worden ingesteld. Diode D1 voorkomt dat het relais gaat klapperen en elko C1 elimineert de eventuele bromspanningen.
Stroombeveiliging
Bij een eventuele te zware belasting of kortsluiting van de uitgang van een gestabiliseerde voeding worden meestal dure vermogenstransistoren vernield. Om deze transistoren te beveiligen tegen overbelasting kan schakeling 7 worden toegepast. Hier wordt bije. de seriestabilisatieschakeling (fig. 5) beveiligd d.m.v. relais Re.
Fig. 7 Stroombeveiliging.
Zodra de stroom door weerstand R2 in waarde stijgt zal de spanningsval hierover ook groter worden waardoor T1 gaat geleiden. Als T1 geleidt zal T2 sperren en het relais zal afvallen, waardoor de gehele voeding wordt uitgeschakeld. Wanneer de kortsluiting of overbelasting is opgeheven kan de voeding d.m.v. schakelaar S worden ingeschakeld.
Met Rv kan de toegestane maksimale stroom worden ingesteld.
Eenvoudige blokgenerator
Om van een sinus een blokgolf te maken kan een schakeling volgens fig. 8 worden toegepast. Tijdens de eerste halve periode zal er geen stroom vloeien omdat de diode D1 gesperd staat, maar tijdens de tweede halve periode zal deze geleiden en de zenerdiode doorslaan. Hierdoor zal een blokvorm ontstaan zoals in fig. 8 is aangegeven.
Fig. 8 Blok golfgenerator.
Blokgolf generator
Als er twee zeners volgens fig. 9 worden geschakeld zal er elke halve periode een diode doorslaan en de andere in doorlaatrichting staan (0,7 V) waardoor op de uitgang een blokgolf ontstaat. De flanken van de blok zullen echter niet recht zijn maar de vorm hebben van de sinusgolf.
Fig. 9 Blok golfgenerator d.m.v. twee zeners.
Toepassingen in versterker-schakelingen
Bij het direkt koppelen van transistoren is het vaak wenselijk dat het gelijkspanningsniveau van de volgende transistor gelijk is aan dat van de voorgaande. Daardoor is in versterkerschakelingen een zenerdiode vaak geschikter dan een spanningsdeler met weerstanden, omdat het spanningsverlies veel kleiner is. Hierdoor is tevens de lastige koppelkondensator overbodig geworden.
In fig. 10 wordt de zenerdiode Z2 toegepast om het gelijkspanningsniveau aan de uitgang gelijk te maken aan dat van de ingang.
Fig. 10 Toepassing van een zenerdiode in een versterkerschakeling.
E. Sanderbold.