СТАБИЛИЗАТОРСКЕ (ЦЕНЕРОВЕ) ДИОДЕ

У одређеним ситуацијама, при довољно високом наппону инверзне поларизације диоде долази до лавинског или Ценеровог пробоја PN споја. Било да је реч о једној или о другој врсти пробоја ефекат ће бити исти: инверзна струја доде почеће нагло да расте. Ову појаву најчешће треба избећи јер доводи до претераног грејања и уништења диоде. Постоји међутим врста диоде која ради управо у области пробојног напона. Ове диоде називају се Ценерове диоде и користе се као елементи за стабилизацију напона у електричним колима.

На слици 1 може се уочити да напонско струјна карактеристика Ценерове диоде изгледа исто као и напонско струјна карактеристика обичне диоде. Уколико се Ценерова диода директно поларише понашаће се исто као обична силицијумска диода. Оне се ипак, као што је већ речено, инверзно поларишу и раде у области пробоја, односно у делу карактеристике који је на слици 1 означен зеленом бојом. На слици 2 приказана је једна од ознака за Ценерову диоду у електричним колима.

Као ограничавајући параметри за Ценерове диоде дају се пробојни напон (обично иде до 200 V) и максимална дозвољена снага (обично до 50W). Најчешће се употребљавају Ценерове диоде са пробојним напоном између 6V и 15V и снаге до 1W. Из дозвољене снаге и пробојног напона лако се израчунава и максимална дозвољена струја.

Принцип стабилизације напона најбоље се види на карактеристици диоде. Ако струја диоде из било кок разлога порасте, рецимо са IZ' на IZ", промена напона,

UR[V]

IF[A]

UZ'

IR[A]

UF[V]IZ'

UZ"

IZ"

Слика 1 Напонско – струјна карактеристика Ценерове диоде са означеном пробојном облашћу (зелено)

Слика 2 Једна од ознака за Ценерову диоду у електричним колима

према слици 1, биће са UZ' на UZ". Види се да доста великој промени струје одговара врло мала промена напона.

Коло стабилизатора напона са Ценеровом диодом приказано је на слици 3.

Слика 3 Стабилизатор напона са Ценеровом диодом

Стабилизатор напона је коло на чији се улаз доводи једносмерни напон који се релативно много мења, нпр. + 10%. На излазу се добија напон који се релативно мало мења, нпр. + 1%. На улаз кола на слици доводи се нестабилисани напон U1, а на излазу се добија стабилисани напон U2. Отпорник R служи за ограничење струје, а RL је потрошач коме треба обезбедити стабилан напон.

Коло функционише на следећи начин: уколико се мења улазни напон U1, нпр. повећава, повећаће се и струја кроз отпорник R. Напон на Ценеровој диоди U2

је приближно константан, па се не мења ни струја IL кроз потрошач RL. Сву промену струје кроз отпорник R , која је последица варирања напона U 1, преузеће Ценерова диода, при чему ће напон на њеним крајевима бити приближно константан. Оби чно је промена напона на излазу десет пута мања од промене напона на улазу, али се у највећем броју случајева може сматрати да је напон на излазу, тј. на Ценеровој диоди константан.

ПримерПрорачунати елементе стабилизатора, ако је напон потрошача 10V, а струја кроз њега 10mA.РешењеОбично се узима да улазни напон буде око два пута већи од улазног. У нашем случају:

U1 = 2 ∙ U2 = 20VСтруја диоде обично је једнака половини струје потрошача:

IZ = IP/2 = 5mAСнага диоде је тада:

PZ = UZ ∙ IZ = 10V ∙ 5mA = 50mWСтруја IR кроз отпорник за ограничење R je:

IR = IZ + IP = 10mA + 5 mA = 15mA Снага на отпорнику R једнака је:

PR = UR ∙ IR = (U1 – U2) ∙ IR = (20V – 10V) ∙ 15mA = 150mWМоже се одабрати отпорник са првом стандардном већом вредношћу снаге, а то је 250mW:

R

DZ RLU1 U2

+ +IR IZ IL

PR = 250mWОтпорност овог отпорника биће:

R = UR/IR = 10V/15mA ≈ 667ΩУсваја се стандардна вредност:

R = 670ΩШто се снаге диоде тиче, мора се обезбедити да диода не прегори у најнеповољнијем случају, а то би била ситуација када би, рецимо због прегоревања потрошача сва струја кренула да тече кроз диоду. Дакле:

Pzmax = Izmax ∙ UZ = 15mA ∙ 10V = 150mWУсваја се:

PZ = 250mWДакле, елементи стабилизатора биће:- отпорник отпорности R = 670Ω и снаге PR = 250mW;- Ценерова диода напона 10V и снаге PZ = 250mW.

Стабилизација напона Ценеровом диодом није најпоузданије решење, јер су често промене напона од 1% неприхватљиве. Због тога се ова врста диода најчешће замењује знатно квалитетнијим интегрисаним стабилизаторима.