|
Zenerdioden worden toegepast voor het stabiliseren van gelijkspanningen. In dit artikel worden de eigenschappen en de karakteristieken van zenerdioden besproken.
|
Eigenschappen van zenerdioden
Wat is een zenerdiode?
Zenerdioden zijn genoemd naar C. M. Zener, een Amerikaanse natuurkundige die het naar hem genoemde 'zener-effect' ontdekte. Een zenerdiode is een halfgeleidende diode die zo geconstrueerd is dat de spanning over de diode in sperrichting vrij constant blijft, zelfs als de stroom door de diode varieert. Deze eigenschap berust op het reeds genoemde zener-effect. Een zenerdiode moet u dus steeds aansluiten in sperrichting. Als de aangelegde spanning de doorslagspanning of zenerspanning overschrijdt gaat de diode geleiden met als resultaat de reeds genoemde vrij constante spanning over het onderdeel. U kunt een zenerdiode als gevolg van deze eigenschap gebruiken om een elektrische spanning op een bepaalde waarde te begrenzen. Zenerdioden worden gemaakt voor diverse zenerspanningen en elektrische vermogens. U kunt deze onderdelen voornamelijk gebruiken als parallelstabilisator, als referentie voor een gestabiliseerde voeding of als overspanningsbeveiliging.
Het symbool van een zenerdiode
In onderstaande figuur is het ouderwetse (rechts) en moderne (links) symbool van een zenerdiode voorgesteld. In beide symbolen herkent u de Z van zenerdiode. De kathode wordt op de behuizing van het onderdeel, net zoals bij een normale diode, voorgesteld door een gekleurde band.
 |
| Het nieuwe en oude symbool van een zenerdiode. (© 2018 Jos Verstraten) |
Zenerdioden worden gekarakteriseerd door:
- De zenerspanning
- De tolerantie op de zenerspanning
- Het maximale vermogen
- De dynamische weerstand
- De temperatuurscoëfficiënt
In de volgende paragrafen worden deze eigenschappen in het kort besproken.
De zenerspanning
De stroom/spanning-karakteristiek
Als u een zenerdiode, in sperrichting geschakeld (anode negatief ten opzichte van kathode), op een instelbare gelijkspanning aansluit en deze spanning langzaam van nul laat stijgen, dan zult u vaststellen dat de stroom door de diode bij lage spanningen ongeveer gelijk is aan nul, maar bij een bepaalde spanning plotseling zeer groot wordt. Men zegt dat de diode doorslaat. Als gevolg van zeer ingewikkelde fysische processen in het halfgeleidermateriaal zal er een lawine-effect optreden dat tot gevolg heeft dat de dynamische weerstand van de diode plotseling zeer laag wordt. Gewone dioden mogen nooit ofte nimmer op deze manier worden toegepast. Zenerdioden zijn echter speciaal ontwikkeld voor gebruik in het doorslaggebied. Als u er maar voor zorgt dat de doorslagstroom op een veilige waarde wordt begrensd en het maximale vermogen dat door deze stroom in de diode wordt gedissipeerd niet boven de toegestane waarde stijgt, zal de diode het overleven.
De spanning/stroom-karakteristiek van een zenerdiode is getekend in onderstaande figuur. In het doorlaat-quadrant zal de zenerdiode zich gedragen als een normale silicium diode. De doorlaatspanning Uf is ongeveer gelijk aan 0,65 V, de doorlaatstroom If wordt bepaald door de belasting van de diode. In het sper-quadrant zal de doorslagspanning of zenerspanning Uz bepaald worden door de eigenschappen van het halfgeleidermateriaal. In wezen kunt u, door de concentratie aan donor- en acceptor-materiaal in het kristal te variëren, gelijk welke zenerspanning in de diode programmeren.
 |
| De stroom/spanning-karakteristiek van een zenerdiode. (© 2018 Jos Verstraten) |
Zenerdioden zijn in de handel met zenerspanningen tussen 2,4 V en 270 V. Er bestaat een soort internationale afspraak over de beschikbare zenerspanningen, hoewel gezegd moet worden dat niet alle fabrikanten zich daar aan houden. In onderstaande tabel staan de leverbare zenerspanningen vermeld voor een groot aantal typen dioden.
 |
| De beschikbare zenerspanningen. (© 2018 Jos Verstraten) |
Bij de Europese fabrikanten bestaat er een duidelijke afspraak over de manier waarop de zenerspanning op het onderdeel wordt vermeld. Na het typenummer volgt de zenerspanning onder de vorm van de notatie:
CxVy
waarbij x staat voor de spanning voor de komma en y voor de spanning na de komma. Een zenerdiode van het type BZV85 met een zenerspanning van 6,2 V wordt dus gecodeerd als BZV85C6V2. Helaas gebruiken de Amerikanen geen gestandaardiseerde code. Met als gevolg dat u een 7,5 V zenerdiode terug kunt vinden als 1N755, 1N958, 1N3017, 1N5343, 1N4000, 1N1806 of 1N2971!
Codering van SMD-zeners
De meeste SMD-zeners zitten in een mini-MELF behuizing, ook SOD-80 genoemd. Deze is te klein om er een typecodering op te vermelden. Men werkt met kleurencodes, maar er bestaat geen standaard. Sommige fabrikanten gebruiken twee gekleurde banden om rechtstreeks naar een typenummer te verwijzen. Andere fabrikanten werken met drie gekleurde banden die echter geen enkel verband hebben met de bekende kleurencodering voor weerstanden. In de onderstaande tabel is weergegeven hoe die gekleurde banden verwijzen naar de spanning van de zenerdiode. In ieder geval is het altijd aan te bevelen de spanning van een SMD-zenerdiode te meten in plaats van te vertrouwen op de gekleurde bandjes die op het onderdeel staan.
 |
| Vaak toegepaste kleurencodering van SMD-zenerdioden. (© 2018 Jos Verstraten) |
De tolerantie op de zenerspanning
Niet erg nauwkeurig
Met de tolerantie wordt aangegeven hoeveel de spanning over een willekeurige diode van een bepaald type maximaal mag afwijken van de opgegeven waarde. Hierover kunnen wij kort zijn. De meeste families worden gespecificeerd met een tolerantie van ±5 % of ±10 %. De ±5 % geldt voor de 0,5 W en 1,3 W families, de ±10 % voor de grotere vermogens. Er zijn fabrikanten die zenerdioden met een tolerantie van ±2 % leveren, die dan vaak als 'referentiedioden' worden aangeprezen. Een verwarring wekkende benaming, want referentiedioden zijn iets geheel anders! Dat zijn namelijk geïntegreerde schakelingen, die weliswaar worden gebruikt als ware het zenerdioden, maar waarin speciale schakelingen zijn ingebouwd die de temperatuurscoëfficiënt minimaliseren.
Het maximale vermogen
Van 0,3 W tot 20 W
Het maximale vermogen dat u in een zenerdiode kunt dissiperen wordt bepaald door de constructie van het onderdeel, de afmetingen van het kristal en het soort behuizing. Het gedissipeerde vermogen uit zich immers onder de vorm van thermische energie en deze opgewekte warmte moet door de constructie en de behuizing van het kristal naar de buitenlucht worden getransporteerd. Zenerdioden zijn leverbaar met de onderstaande maximale vermogens en de volgende behuizingen:
- 0,3 W in SOD-80 behuizing (SMD)
- 0,5 W, meestal in DO-35 behuizing
- 1,3 W, meestal in DO-41 behuizing
- 3,25 W in SOD-57 behuizing
- 5 W of 6 W in SOD-64 behuizing
- 10 W en 20 W in DO-4 behuizing
Een overzicht van deze behuizingen is, op schaal, gegeven in onderstaande figuur. De kathode is steeds verbonden met de onderste aansluiting.
 |
| Standaard behuizingen van zenerdioden met oplopend vermogen. (© 2018 Jos Verstraten) |
Het maximale vermogen bepaalt uiteraard de maximale stroom die u door de diode mag sturen. Deze stroom kan uit het vermogen berekend worden met de formule:
Imax = Pmax / Uz
Stel dat u een zenerdiode van 6,2 V in DO-35 behuizing wilt toepassen. Dan kunt u berekenen dat de maximale stroom die u door deze diode mag sturen gelijk is aan:
Imax = 0,5 W / 6,2 V = 80 mA
U moet er wel rekening mee houden dat een zenerdiode heel warm wordt als u het onderdeel maximaal belast. Elektronische onderdelen heet stoken is echter nooit een goed idee!
De dynamische weerstand
Een zenerdiode heeft een inwendige weerstand
Zoals uit de eerste grafiek uit dit artikel blijkt, loopt de spanning/stroom-karakteristiek na het doorslagpunt niet volledig verticaal, maar vertoont een lichte helling ten opzichte van de stroom-as. Dit betekent dat de weerstand na doorslag niet nul is, maar een bepaalde kleine waarde heeft. In onderstaande figuur is dit deel van de karakteristiek opnieuw getekend, maar nu bewust met een veel grotere helling dan in de praktijk het geval is. Als u de stroom door de zenerdiode met een bepaald bedrag ∆Iz laat variëren, dan kunt u vaststellen dat de spanning over de diode niet constant blijft, maar stijgt of daalt met een bepaald bedrag ∆Uz. Als een variërende stroom door een onderdeel een variërende spanning over het onderdeel tot gevolg heeft, is er sprake van een bepaalde inwendige weerstand van dit onderdeel.
 |
| De dynamische weerstand van een zenerdiode kan afgeleid worden uit de I/U-karakteristiek. (© 2018 Jos Verstraten) |
De dynamische of wisselstroom weerstand rz van de zenerdiode wordt gedefinieerd als de spanningsvariatie over de diode, die een gevolg is van een stroomvariatie door de diode. In formule:
rz = ∆Uz / ∆Iz
De dynamische weerstand hangt af van de grootte van de zenerspanning maar ook van de waarde van de stroom die door de diode vloeit. Dit verband is overzichtelijk in een grafiek samengevat in onderstaande figuur. Uit deze grafiek blijkt dat de dynamische weerstand het laagst is als de zenerspanning rond 6 V ligt en dat de weerstand bovendien daalt naarmate er meer stroom door de diode vloeit. Een BZX83C6V2 heeft bij een diodestroom van 10 mA bijvoorbeeld een dynamische weerstand van 19 Ω.
 |
| Verloop van de dynamische weerstand in functie van de zenerspanning en -stroom. (© 2018 Jos Verstraten) |
Uit het feit dat de dynamische weerstand van een zenerdiode niet nul is volgt een belangrijke conclusie. Wilt u de spanning over een zenerdiode echt constant houden, dan moet u er voor zorgen dat de stroom die door de diode vloeit ook constant is. Varieert de stroom, dan zal ook de zenerspanning gaan fluctueren met als logisch gevolg dat de zenerdiode geen echt gestabiliseerde spanning genereert.
De temperatuurscoëfficiënt
Afhankelijkheid van de zenerspanning
Een slechte eigenschap van zenerdioden is dat de zenerspanning ook afhankelijk is van de temperatuur van de diode. Deze afhankelijkheid wordt uitgedrukt door de temperatuurscoëfficiënt, die meestal wordt uitgedrukt in mV/°C. Deze coëfficiënt geeft dus aan met hoeveel mV de zenerspanning daalt of stijgt als de temperatuur van de diode met 1 °C varieert. De waarde van de coëfficiënt is op de eerste plaats afhankelijk van de waarde van de zenerspanning. Zoals uit de tabel van onderstaande figuur varieert de temperatuurscoëfficiënt van ongeveer -2 mV bij de laagste zenerspanningen tot meerdere tientallen mV positief bij de hoogste zenerspanningen. Er moet dus ergens een zenerspanning te vinden zijn, waarbij de temperatuurscoëfficiënt zo goed als nul is. Dat klopt, bij de meeste families zenerdioden ligt dit omslagpunt van negatieve naar positieve coëfficiënt bij 5,6 V tot 6,2 V. Stelt u prijs op een zo stabiel mogelijke spanning in functie van de temperatuur, dan doet u er dus verstandig aan zenerdioden van 5,6 V of 6,2 V toe te passen.
 |
| De temperatuurscoëfficiënt in functie van de zenerspanning. (© 2018 Jos Verstraten) |
Een temperatuurscoëfficiënt van -1 mV/°C lijkt erg weinig. Toch kan zo'n op zich inderdaad lage waarde leiden tot ontoelaatbare afwijkingen. U moet er immers rekening mee houden dat de temperatuur van een zenerdiode niet alleen wordt bepaald door de omgevingstemperatuur, maar ook door de opwarming als gevolg van het gedissipeerde vermogen. Zelfs in apparatuur die onder normale omstandigheden wordt gebruikt zal de temperatuur van een zenerdiode na het inschakelen van de voeding snel stijgen van bijvoorbeeld +15 °C tot +60 °C. Een temperatuurstijging van 45 °C, die bij -1 mV temperatuurscoëfficiënt goed is voor een spanningsdaling van 45 mV. Stel dat u een zenerdiode van 4,3 V toepast in een gestabiliseerde voeding van 15 V. Stel verder dat u de diode zo instelt dat de spanning bij inschakelen gelijk is aan 4,32 V. Na opwarming met 45 °C zal de spanning over de diode gedaald zijn tot 4,275 V. De regelversterker van de gestabiliseerde voeding moet een versterkingsfactor van 3,47 hebben om uit de zenerspanning van 4,32 V een uitgangsspanning van 15 V op te wekken. Als u dit in koude toestand hebt ingesteld, zult u vaststellen dat de uitgangsspanning na opwarming zal dalen tot 14,83 V. Een afwijking van 170 mV als gevolg van die schijnbaar verwaarloosbare temperatuurscoëfficiënt van -1 mV/°C!
De temperatuurscoëfficiënt in detail
De waarde en de polariteit van de temperatuurscoëfficiënt worden in eerste instantie dus bepaald door de zenerspanning. Er is echter meer! Nauwkeurige metingen hebben uitgewezen dat de temperatuurscoëfficiënt ook afhankelijk is van de temperatuur. Dit verband vertoont voor alle zenerdioden een typische S-vormige curve, zoals getekend in onderstaande figuur.
 |
| Verloop van de temperatuurscoëfficiënt in functie van de temperatuur. (© 2018 Jos Verstraten) |
Instellen van een zenerdiode
Voeden uit een in serie geschakelde weerstand
U weet natuurlijk hoe u een zenerdiode moet instellen. 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 niet meer stroom verbruiken dan de zeer lage lekstroom. In de praktijk zult u er meestal voor zorgen dat de ongestabiliseerde spanning minstens twee maal groter is dan de zenerspanning.
De waarde van de voorschakelweerstand 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 steeds 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 de operationele versterker.
In de figuur zijn twee identieke schakelingen getekend. De linker schakeling geldt als de ongestabiliseerde spanning niet belast wordt. De waarde van deze spanning is dan +25 V. Bij het rechter schema wordt de ongestabiliseerde spanning echter maximaal belast. Door de inwendige weerstand van de trafo-wikkeling, de dynamische weerstand van de gelijkrichter en de eigenschappen van de afvlakelco zal de ongestabiliseerde spanning dalen tot +19 V. Berekend moet worden wat deze spanningsdaling tot gevolg heeft voor de zenerspanning.
 |
| Basisschakeling van een zenerdiode bij nul- en vollast van de ongestabiliseerde spanning. (© 2018 Jos Verstraten) |
Zo'n berekening kunt u het eenvoudigst uitvoeren aan de hand van de belastingskarakteristiek van de zenerdiode. In onderstaande figuur is de I/U-grafiek van de diode in het rood getekend. In deze grafiek kunt u twee belastingslijnen (groen) tekenen, de ene bij onbelaste ongestabiliseerde spanning, de tweede bij maximaal belaste spanning.
De snijpunten van zo'n belastingslijn met de horizontale spanning-as en de verticale stroom-as kunt u berekenen door in het eerste geval te veronderstellen dat de zenerdiode niet aanwezig is en in het tweede geval te veronderstellen dat de zenerdiode kortgesloten is. Het snijpunt van de belastingslijn 1 met de spanning-as ligt dus bij 25 V, dat met de stroom-as bij 25 V gedeeld door 470 Ω is gelijk aan 53 mA. Als u door deze twee snijpunten de belastingslijn tekent zal deze lijn de curve van de diode snijden in het werkpunt AP1. Door uit dit punt horizontale en verticale lijnen te trekken naar de assen kunt u aflezen welke spanning er over de diode staat en welke stroom er doorheen vloeit. De spanning is gelijk aan 6,0 V, de stroom is gelijk aan 40 mA.
 |
| Grafische verklaring van het verloop van het werkpunt. (© 2018 Jos Verstraten) |
Na het tekenen van deze tweede belastingslijn kunt u het belaste werkpunt AP2 definiëren. Uit de grafiek kunt u afleiden dat de spanning over de zenerdiode gedaald is tot 5,8 V en de stroom er doorheen tot 30 mA. Door het simpele feit dat de ongestabiliseerde spanning belast wordt daalt de zenerspanning dus met niet minder dan 200 mV. En dit ondanks het feit dat de stroom door de diode met slechts 10 mA varieert tussen 40 mA en 30 mA. Zou u deze zenerdiode gebruiken in een gestabiliseerde voeding van 12 V, dan zou de uitgangsspanning van deze voeding met niet minder dan ongeveer een halve volt dalen tussen nullast en vollast. Dit uiteraard in de veronderstelling dat de andere onderdelen van de gestabiliseerde voeding ideale eigenschappen zouden bezitten.
Het meten van de zenerspanning
Universeelmeter voldoet niet
Zenerdioden zijn erg klein en de typenaam is vaak niet meer te lezen. Als u een zenerdiode van 6,2 V nodig hebt en een laatje vól met zeners hebt verzameld is het vaak een heel gedoe om deze ene van 6,2 V er uit te zoeken. Het is dus vaak nodig de zenerspanning van een zenerdiode te meten. Bijvoorbeeld ook om uit te sluiten dat een zenerdiode verantwoordelijk is voor het niet werken van een schakeling. Als u over een zenerdiode van 6,2 V een spanning van slechts 4,3 V meet, wil dat niet per se zeggen dat de diode defect is. De diode zou ook te zwaar belast kunnen worden of de voedingsspanning van de diode zou te laag kunnen zijn. Er zit dan niets anders op dan de diode uit te solderen en even los te testen.
Maar hoe test u of een zenerdiode van 6,2 V nog goed is? Dat valt niet mee! Met een universeelmeter lukt het niet, want die heeft te weinig spanning aan boord om zo'n diode in te stellen. Dus zit er niets anders op dan dat u even een schakelingetje opbouwt van een regelbare voeding, een serieweerstand en de diode. Als u de voeding instelt op 12 V en de weerstand een waarde van 1 kΩ geeft kunt u met uw universeelmeter meten of er inderdaad een spanning van ongeveer 6,2 V over de diode staat of iets anders.
Het kan ook anders
Misschien heeft Peak Electronic Design Ltd wel een gaatje in de markt ontdekt met de ZEN50, een apparaatje waarmee u zenerdioden kunt testen tot en met een zenerspanning van 50 V. U kunt de meetstroom instellen op 2 mA, 5 mA, 10 mA of 15 mA. De ZEN50 meet bovendien de dynamische weerstand ('slope') van de diode:
Aanklikbare link ➡ Meten: ZEN50, zenerdiode analyzer
 |
| De ZEN50 van Peak Electronic Design meet de zenerspanning en de dynamische weerstand. (© Peak Electronic Design Ltd) |
Het kan ook goedkoper!
Als u op zoek bent naar een goedkoop apparaatje om de spanning over een zenerdiode te meten kunt u ook even kijken op de onderstaande pagina's op dit blog:
Aanklikbare link ➡ Daniu TC1, multi-function tester
Aanklikbare link ➡ Hobby-lab: bouw een zenerdiode tester
Aanklikbare link ➡ Daniu TC1, multi-function tester
Aanklikbare link ➡ Hobby-lab: bouw een zenerdiode tester
Koop uw meetsnoeren bij Amazon
