Lab-tips: zenerdioden

(gepubliceerd op 08-03-2018)

U gebruikt ze waarschijnlijk niet dagelijks, maar zenerdioden zijn toch geen zeldzame onderdelen. Maar wist u dat u met zo'n diode veel meer kunt dan een spanning stabiliseren? Wij geven u een tiental tips voor het alternatief gebruik van deze componenten.

De zenerdiode als stabilisator


De eenvoudigste schakeling
Om te beginnen gaan wij toch nog het een en het ander schrijven over de bekendste toepassing van een zenerdiode, namelijk het stabiliseren van een spanning. U weet natuurlijk hoe u een zenerdiode moet instellen voor deze toepassing. Zoals getekend in onderstaande figuur sluit u de diode in serie met een weerstand aan tussen de massa en een ongestabiliseerde positieve spanning en wel zo dat de anode van de diode verbonden is met de massa. Uiteraard moet de ongestabiliseerde spanning groter zijn dan de zenerspanning, anders zal de diode niet doorslaan en dus niet 'zeneren'. In de praktijk moet u er voor zorgen dat de ongestabiliseerde spanning minstens twee maal groter is dan de zenerspanning. De waarde van de voorschakelweerstand R1 kunt u berekenen door het spanningsverschil tussen de maximale waarde van de ongestabiliseerde spanning en de zenerspanning te delen door de stroom, die u door de diode wilt sturen. Bij deze berekening gaat u uit van een onbelaste zenerdiode. In het schema wordt aan deze voorwaarde vervuld, de diode wordt immers alleen belast door de zeer hoge ingangsimpedantie van een operationele versterker.

Lab-tips-zenerdioden-01 (© 2018 Jos Verstraten)
Basisschakeling van een zenerdiode voor het stabiliseren van een spanning.
(© 2018 Jos Verstraten)
Nadelen van deze schakeling
Deze recht-toe-recht-aan toepassing van een zenerdiode heeft nadelen. Zo zal de gestabiliseerde spanning tóch in een bepaalde mate afhankelijk zijn van de stroom die uit de ongestabiliseerde spanning wordt getrokken. Als deze stroom stijgt, daalt de spanning. Het gevolg is een kleinere stroom door de weerstand R1 en door de zenerdiode. Hoewel de inwendige weerstand van deze diode klein is, zal de variërende stroom tot gevolg hebben dat de zenerspanning iets daalt.
Een tweede nadeel is dat er geen maatregelen zijn genomen tegen de gevolgen van de temperatuurcoëfficiënt van de zenerdiode. Als de temperatuur stijgt of daalt, zal de spanning over de zenerdiode ook stijgen of dalen, met als gevolg een niet constante uitgangsspanning.

Voeden met constante stroom
In de schakeling van onderstaande figuur wordt de stroom door de zenerdiode gestabiliseerd door een geïntegreerde spanningsstabilisator van het type 7805 in te zetten als constante stroombron en deze constante stroom door de zenerdiode te sturen. Het gebruik van een stroombron heeft als groot voordeel dat de waarde van de stroom binnen ruime grenzen onafhankelijk wordt van de waarde van de ongestabiliseerde spanning. De grootte van de constante stroom wordt bepaald door de weerstand R1 die tussen de uitgang van de stabilisator en de common wordt opgenomen. Deze weerstand kan dus niet opgevat worden als serieweerstand van de zenerdiode, maar vormt de sensorweerstand van de stroombron. De waarde van deze weerstand wordt berekend door de spanning van de geïntegreerde stabilisator te delen door de stroom die u door de diode wil laten vloeien:
R1 = 5 V / Iref
U moet er echter rekening mee houden dat de common-stroom Im van de stabilisator ook via de zenerdiode naar de massa afvloeit. Bij de meeste stabilisatoren kunt u deze stroom echter verwaarlozen.
Lab-tips-zenerdioden-02 (© 2018 Jos Verstraten)
Voeden van de zenerdiode met een als constante stroombron geschakelde stabilisator.
(© 2018 Jos Verstraten)
Voeden met constante spanning
Een tweede oplossing is getekend in onderstaande figuur. Hier wordt de stabilisator gebruikt in zijn eigenlijke functie. De gestabiliseerde uitgangsspanning van +12 V van een 7812 stuurt via serieweerstand R1 een constante stroom door de zenerdiode. Omdat de voedingsspanning voor de zenerschakeling nu vrijwel constant is zal ook de stroom door de diode nauwelijks variëren als de ongestabiliseerde voeding wordt belast.
Lab-tips-zenerdioden-03 (© 2018 Jos Verstraten)
Voeden van een zenerdiode met een constante stroom uit een constante spanning.
(© 2018 Jos Verstraten)
Emittervolger als stroombuffer
Een zenerdiode zonder meer aansluiten op een belasting is geen goed idee. Als de stroom die de belasting uit de gestabiliseerde spanning trekt varieert, zal ook de zenerspanning een beetje variëren. Vandaar dat wij in de vorige schema's de zener steeds hebben afgesloten met een als buffer geschakelde op-amp. Maar ook zo'n schakeling heeft grenzen aan de stroom die kan worden geleverd. Een schakeling die stromen tot 100 mA kan leveren is getekend in onderstaande figuur. De zenerdiode wordt afgesloten met een emittervolger T1, zodat de belastingsstroom nu niet door de diode maar door de transistor wordt geleverd. De zener levert slechts de basisstroom van de transistor, die berekend kan worden als u de belastingsstroom deelt door de versterkingsfactor van de transistor. Wel moet u er bij deze schakeling rekening mee houden dat de uitgangsspanning ongeveer 0,65 V lager is dan de zenerspanning. Tussen de zener en de uitgang staat immers de geleidende basis/emitter-overgang van de transistor. Deze schakeling is bestand tegen het wegvallen van de belastingsstroom. De basisstroom wordt dan nul, hetgeen geen effect heeft op de zenerdiode omdat de zenerstroom toch vele malen groter is dan de basisstroom. Wel valt het aan te bevelen in die gevallen waarbij het kan gebeuren dat de belastingsstroom wegvalt een weerstand R2 van 10 kΩ te schakelen tussen de emitter en de massa. Deze weerstand verhoogt het stabiele gedrag van de schakeling. Uiteraard moet u bij het ontwerpen van dit soort schakelingen rekening houden met de maximale stroomcapaciteit en de maximale dissipatie van de transistor. In de meeste gevallen zal het noodzakelijk zijn de transistor te koelen. Denk er verder aan dat de transistor een kortsluiting van de uitgang naar de massa, al is het maar voor een fractie van een seconde, niet overleeft!
Lab-tips-zenerdioden-04 (© 2018 Jos Verstraten)
Het afsluiten van de zenerdiode met een emittervolger. (© 2018 Jos Verstraten)
Darlington als stroombuffer
Tot slot van deze paragraaf geeft onderstaande figuur het schema van een zenerdiode die wordt afgesloten door een darlington-schakeling. Twee emittervolgers zijn in cascade geschakeld, zodat de emitterstroom van de eerste gelijk is aan de basisstroom van de tweede. De grootte van de belastingsstroom en de eventuele variaties daarvan zijn nu nauwelijks terug te vinden op de instelling van de zenerdiode. De stroom die de zenerdiode levert is nu immers gelijk aan de belastingsstroom van de schakeling, gedeeld door het product van de twee stroomversterkingsfactoren. Als beide halfgeleiders een versterkingsfactor van 100 hebben, dan zal de stroom die de zenerdiode levert aan de uitgang slechts 1/10.000-ste zijn van de uitgangsstroom van de schakeling.
Lab-tips-zenerdioden-05 (© 2018 Jos Verstraten)
Een zenerdiode wordt afgesloten met een darlington. (© 2018 Jos Verstraten)

Temperatuurcoëfficiënt compenseren


Zenerdioden houden niet van variërende temperaturen
De spanning die u over een zenerdiode meet is afhankelijk van de temperatuur van het onderdeel. Dit verschijnsel wordt uitgedrukt door de temperatuurcoëfficiënt (tempco) van de diode, een getal dat aangeeft hoeveel mV de zenerspanning varieert per graad celsius. Voor dat getal staat een plus- of een minteken. Als de tempco positief is stijgt de zenerspanning met stijgende temperatuur. Als de tempco negatief is daalt de zenerspanning als de temperatuur stijgt.
De tempco is in eerste instantie afhankelijk van de grootte van de zenerspanning. Zoals uit onderstaande tabel blijkt, hebben zenerdioden met een spanning van 5,6 V de kleinste temperatuurcoëfficiënt. Met andere woorden, als u op zoek bent naar een zo constant mogelijke spanning weet u welke zenerdiode u daarvoor moet selecteren.
Lab-tips-zenerdioden-06 (© 2018 Jos Verstraten)
De temperatuurcoëfficiënt in functie van de zenerspanning.
(© 2018 Jos Verstraten)
De grootte van de tempco is ook afhankelijk van de temperatuur van de zenerdiode. Het verloop van de tempco in functie van de temperatuur vertoont een typisch S-vormig verloop, zie onderstaande grafiek.
Lab-tips-zenerdioden-07 (© 2018 Jos Verstraten)
De temperatuurcoëfficiënt in functie van de zenertemperatuur. (© 2018 Jos Verstraten)
De tempco verlagen met een silicium diode
Een gewone siliciumdiode zoals de 1N4148 heeft een temperatuurcoëfficiënt van -2 mV/°C. Van dit verschijnsel kunt u gebruik maken om de tempco van een zenerdiode te minimaliseren. Stel dat u een stabiele spanning van 7,5 V nodig hebt. U kunt gebruik maken van een zenerdiode van 7,5 V, maar die heeft een tempco van +3,7 mV/°C. Als u echter een zenerdiode van 6,8 V (tempco = +2,7 mV/°C) in serie schakelt met een 1N4148 (tempco = -2,0 mV/°C) krijgt u een veel stabielere uitgangsspanning van ongeveer 7,5 V. De tempco van de twee dioden samen bedraagt immers slechts +0,7 mV/°C.

Share

Voorwaarde is uiteraard dat u beide dioden op dezelfde temperatuur kunt houden, door ze zo dicht mogelijk bij elkaar te monteren en met een klodder warmtegeleidende pasta thermisch te verbinden. Het is absoluut verboden een dergelijke combinatie af te sluiten met een emittervolger. De basis/emitter-spanning van een transistor is immers ook vrij temperatuurafhankelijk. De enige goede manier is afsluiten met een op-amp, zoals geschetst in onderstaande figuur.
Lab-tips-zenerdioden-08 (© 2018 Jos Verstraten)
Het minimaliseren van de tempco door het in serie schakelen van een Si-diode.
(© 2018 Jos Verstraten)
Voeden vanuit een stroombron
U krijgt nog betere specificaties als u de twee dioden voedt uit een constante stroombron. In het schema van onderstaande figuur wordt een PNP-transistor T1 ingesteld als stroombron. De spanning tussen de basis en de emitter is ongeveer constant, net zoals de spanning tussen de basis en de voeding. Deze laatste wordt immers constant gehouden door de zenerdiode D1. Over de emitterweerstand R2 staat dus ook een constante spanning, waaruit u kunt besluiten dat de transistor door een constante stroom wordt doorlopen. Als u bij deze schakeling de voedingsspanning met ±10 % laat variëren, dan zal de uitgangsspanning over slechts 520 μV variëren. De invloed van de temperatuur op de schakeling wordt echter niet verbeterd, maar neemt zelfs iets toe. De temperatuurcoëfficiënt van de stroombron werkt nu immers als negatieve factor.
Lab-tips-zenerdioden-09 (© 2018 Jos Verstraten)
Voeden van een 'temperatuur gecompenseerde zenerdiode' uit een constante stroombron.
(© 2018 Jos Verstraten)

Reduceren van spanningen met zeners


Reduceren van voedingsspanningen
Bepaalde onderdelen, een typisch voorbeeld is een operationele versterker, hebben tamelijk lage maximale voedingsspanningen. Een doorsnee op-amp gaat stuk als u tussen de voedingspennen meer dan ±18 V aansluit. Nu zijn er echter tal van schakelingen te vinden waarin operationele versterkers uitstekend van pas komen, maar die uit veel hogere spanningen gevoed worden. Een typisch voorbeeld is getekend in onderstaande figuur, een laagfrequent eindversterker die gevoed wordt uit spanningen van ±25 V. Wilt u in de voorversterkers op-amp's toepassen, dan zult u deze voedingsspanningen moeten reduceren tot ongeveer ±15 V. Nu kunt u daar uiteraard geïntegreerde stabilisatoren, bijvoorbeeld een stel 78L15/79L15, voor toepassen maar u kunt ook zenerdioden van 9,2 V in serie met de voedingslijnen opnemen. Over de dioden vallen spanningen van ongeveer 9 V, zodat de ±25 V gereduceerd worden tot ±14 V. De op-amp's verbruiken maar zeer weinig stroom, zodat de maximale dissipatie van de zenerdioden niet wordt overschreden.
Lab-tips-zenerdioden-10 (© 2018 Jos Verstraten)
Reduceren van voedingsspanningen met behulp van zenerdioden. (© 2018 Jos Verstraten)
Aanpassen van instelspanningen
In gelijkspanningsgekoppelde versterkers zit u vaak met het probleem hoe een trap aan te sluiten op de uitgang van de vorige trap. In onderstaande figuur is bijvoorbeeld een tweetraps versterker getekend. De eerste trap rond T1 is behoorlijk tegengekoppeld door een grote emitterweerstand R1. Over deze weerstand valt tamelijk veel spanning, het gevolg is dat ook de collector op een vrij hoge spanning zal staan. Deze spanning moet de basis van de tweede transistor sturen. Dat kan niet rechtstreeks, de hoge instelspanning op de collector zou de tweede transistor immers volledig in verzadiging sturen. U kunt een spanningsdeler tussen de collector en de basis aanbrengen en deze zo berekenen dat de tweede transistor in een goed werkpunt wordt ingesteld. Nadeel van deze deler is echter dat niet alleen de instelspanning op de collector wordt verzwakt, maar ook het signaal. Door echter een zenerdiode tussen de collector en de basis te schakelen zal de instelspanning met de waarde van de zenerspanning gereduceerd worden, maar zal het signaal onverzwakt doorgekoppeld worden naar de basis.
Lab-tips-zenerdioden-11 (© 2018 Jos Verstraten)
Zenerdiode gebruikt voor het opvangen van het verschil tussen twee instelspanningen.
(© 2018 Jos Verstraten)

Beveiligen van schakelingen


Het beveiligen van een meetingang
Stel dat, zoals getekend in onderstaande figuur, u een meetschakeling hebt ontworpen waarbij de eerste trap is opgebouwd rond een operationele versterker. Nu hebben op-amp's bepaalde maximale waarden voor de ingangsspanningen. Worden deze overschreden, dan kan de differentiële ingangstrap stuk gaan. Omdat het bij meetschakelingen vrij vaak kan voorkomen dat u per ongeluk een punt met de meetprobe aanraakt dat op een veel hogere spanning staat dan verwacht, zou de op-amp snel sneuvelen. U moet dus een overspanningsbeveiliging aanbrengen, bijvoorbeeld door twee identieke zenerdioden in serie tussen de ingang van de op-amp en de massa op te nemen. De spanning op de niet-inverterende ingang van de op-amp kan dan nooit groter worden dan de zenerspanning + 0,65 V. De stroom door de zenerdioden wordt begrensd door de voorschakelweerstand R1. Noteer dat deze schakeling niet bruikbaar is voor het beveiligen van de ingang van bijvoorbeeld een digitale voltmeter. Ook als de spanning kleiner is dan de zenerspanning zal er toch een kleine lekstroom door de dioden vloeien. Deze lekstroom heeft tot gevolg dat er ook bij kleine spanningen aan de ingang een zeer klein deel van deze spanning over de weerstand R1 blijft staan. De meter wijst dus een lagere spanning aan dan de echte waarde van de ingangsspanning en de nauwkeurigheid van de digitale meter gaat volledig verloren door de beveiliging! Wél bruikbaar is deze beveiliging met zenerdioden in niet kritische apparatuur zoals signaalvolgers en meetprobes met ingebouwde demodulator.
Lab-tips-zenerdioden-12 (© 2018 Jos Verstraten)
Beveiligen van ingangsschakelingen met in serie geschakelde zeners.
(© 2018 Jos Verstraten)
Voedingsbeveiliging
Hebt u er ooit over nagedacht wat er kan gebeuren als de 7805 stabilisator die u gebruikt om een uitgebreide en dure digitale schakeling van +5 V voeding te voorzien zou doorslaan? De kans is dan groot dat de voedingsspanning voor de IC's opeens stijgt tot +12 V, waardoor het ene na het andere IC zal doorslaan. Overspanningsbeveiliging is dus in dat soort schakelingen geen loze kreet en een zenerdiode kan daar uitstekend bij helpen. Het basisschema is getekend in onderstaande figuur. Tussen de uitgang van de voeding en de te voeden schakelingen is een snelle zekering F1 opgenomen. Als de volledige digitale schakeling 2 A verbruikt kunt u een zekering van 3,3 A gebruiken. Tussen de +5 V en de massa is een thyristor D2 geschakeld. De gate van dit onderdeel wordt gevoed uit de serieschakeling van een zenerdiode van 6,2 V en een weerstand R1. Zolang de voeding zijn +5 V levert is er niets aan de hand. De zenerdiode spert, de gate van de thyristor wordt via de lage weerstand R1 met de massa verbonden en kan niet ontsteken. Als de stabilisator in de voeding zou doorslaan zal de spanning op de uitgang opeens stijgen tot de waarde van de ongestabiliseerde spanning, bijvoorbeeld +12 V. De zenerdiode slaat door, de gate van de thyristor wordt via de zeer lage dynamische weerstand van de zenerdiode met +12 V verbonden. Er vloeit een zeer grote gate-stroom, de thyristor ontsteekt en sluit de voeding kort. De snelle zekering F1 smelt, de tere IC's worden losgekoppeld van de dodelijke voedingsspanning van +12 V. Hoewel het naar elektronische maatstaven ongeveer een eeuwigheid duurt alvorens de zekering is doorgebrand is de kans toch groot dat de meeste IC's het incident overleven.

Lab-tips-zenerdioden-13 (© 2018 Jos Verstraten)
Beveiligen van een voedingsspanning tegen overspanning. (© 2018 Jos Verstraten)

Overige toepassingen van zenerdioden


Onderdrukt nulpunt bij een meter
Stel dat U de accuspanning in uw caravan wilt meten met een nostalgisch draaispoelmetertje. U moet de voorschakelweerstand dan zo berekenen dat de naald volledig uitslaat bij een ingangsspanning van 15 V. De schaal wordt keurig lineair verdeeld in vijftien hokjes van ieder 1 V. De accuspanning zal in de praktijk echter nooit lager worden dan 11 V, zodat meer dan 2/3 van de schaal in feite geen enkele functie heeft. Voor dit soort toepassingen kunt u de schakeling van onderstaande figuur gebruiken. Tussen de accu en de eigenlijke meetschakeling R2-R3-M1 schakelt u een zenerdiode van 10 V. Als de schakeling op de accu wordt aangesloten zal de zenerdiode doorslaan en via de lage weerstand R1 een bepaalde zenerstroom verbruiken. De spanning over deze weerstand is gelijk aan de accuspanning minus de constante spanning van ongeveer 10 V over de zenerdiode. De schaal van de meter kan nu uitgesmeerd worden over het bereik 10 V tot 15 V, waardoor u de accuspanning veel nauwkeuriger kunt aflezen.

Lab-tips-zenerdioden-14 (© 2018 Jos Verstraten)
Een draaispoelmetertje met onderdrukt nulpunt. (© 2018 Jos Verstraten)
Inbouwen van een spanningsdrempel
In onderstaande figuur is een in de dagelijkse elektronica praktijk vaak voorkomende situatie getekend. Een op-amp van het type 741 wordt toegepast als comparator in een schakeling die gevoed wordt uit een enkelvoudige spanning van +12 V. Als de comparator-uitgang hoog is, moet de schakeltransistor T1 in geleiding worden gestuurd. Als de comparator een laag signaal aflevert, moet de transistor gesperd blijven. De 741 heeft de nare eigenschap dat de uitgangsspanning nooit gelijk kan worden aan de waarde van de voedingsspanningen. In de besproken schakeling betekent dit dat de uitgang van de comparator in de hoog-toestand op ongeveer +10 V staat en in de laag-toestand op ongeveer +2 V. Zonder de zenerdiode D1 zou de transistor steeds in geleiding staan. Om deze +2 V tegen te houden volstaat het een zenerdiode van bijvoorbeeld 3,9 V in serie te schakelen tussen de uitgang van de comparator en de basisweerstand van de transistor. Als de uitgang van de op-amp laag is spert de diode, de basis wordt niet gestuurd, de transistor zit in sper. Als de uitgang naar +10 V gaat slaat de zenerdiode door, de zenerstroom stuurt de transistor in geleiding.
Lab-tips-zenerdioden-15 (© 2018 Jos Verstraten)
Inbouwen van een spanningsdrempel tussen twee trappen. (© 2018 Jos Verstraten)
Niet-lineaire versterkers
U kunt een operationele versterker instellen als spanningsversterker door tussen de uitgang, de inverterende ingang en de massa een weerstandsdeler op te nemen. De uitgangsspanning verloopt dat lineair met de ingangsspanning volgens de formule:
Uuit = Uin ● A
waarin A staat voor de versterkingsfactor en bepaald wordt door de verhouding tussen de twee weerstanden van de terugkoppeling. Voor een aantal toepassingen zou het veel handiger zijn als er een niet-lineair verband bestond tussen de uitgangsspanning en de ingangsspanning. Denk bijvoorbeeld aan een uitsturingsmeter in audioapparatuur, waar u meer interesse hebt in een logaritmische schaal dan in een lineaire. Of aan een sweepgenerator, waarbij u het liefst werkt met een logaritmische frequentie-as.
Door volgens het schema van onderstaande figuur een aantal zenerdioden op te nemen in de terugkoppeling van een operationele versterker kunt u het lineaire verband tussen uitgang en ingang omvormen in een pseudo-logaritmisch verband.


De schakeling werkt als volgt. Als de uitgangsspanning lager is dan de laagste zenerspanning zullen alle zeners sperren en zal de versterking van de op-amp alleen bepaald worden door de weerstanden R2 en R1. Als de uitgangsspanning gelijk wordt aan de laagste zenerspanning UD1 zal D1 doorslaan. Weerstand R3 wordt nu parallel geschakeld aan R2, zodat de totale terugkoppelweerstand kleiner wordt en de versterking van de trap afneemt. Als de uitgangsspanning verder stijgt zullen achtereenvolgens ook D2 en D3 doorslaan, zodat er steeds meer weerstanden parallel worden geschakeld aan R2 en de versterking stapsgewijs afneemt. Door een geschikte keuze van de zenerspanningen en van de weerstanden kunt u vrij nauwkeurig een logaritmisch verband tussen de in- en de uitgangsspanning nabootsen. En dit voor een prijs die in geen verhouding staat tot het geld dat u op tafel moet leggen voor een geïntegreerde logaritmische versterker.
Lab-tips-zenerdioden-16 (© 2018 Jos Verstraten)
Niet-lineaire versterking door het opnemen van zenerdioden in de terugkoppeling. (© 2018 Jos Verstraten)
Nauwkeurig instellen van spanningen
Er zijn toepassingen denkbaar waar het er op aan komt de waarde van een gelijkspanning tot op 1 mV nauwkeurig in te stellen. U kunt dan gebruik maken van de schakeling van onderstaande figuur. Twee zenerdioden met ongeveer gelijke zenerspanningen worden via twee serieweerstanden gevoed uit een voedingsspanning. De tweede serieweerstand is uitgevoerd als tien-slagen potentiometer R2. Over de potentiometer staat een spanning van slechts ongeveer 0,3 V, zodat u de spanning op de loper erg nauwkeurig kunt instellen tussen +3,0 V en +3,3 V.
Lab-tips-zenerdioden-17 ( © 2018 Jos Verstraten)
Nauwkeurig instellen van een spanning tussen twee grenzen.
( © 2018 Jos Verstraten)



(Banggood sponsor advertentie)
30 x 30 zenerdioden: 2,0 V - 39,0 V