Elektronica-hobby blog van Jos Verstraten (628 artikelen): Nabouw: zenertester

(gepubliceerd op 03-06-2021)

Hebt u ook zo'n moeite met het ontcijferen van de code op zenerdiodes? Het meten van de spanning van een zenerdiode is niet iets dat u even snel met uw multimeter doet. Bouw dus op een avondje deze goedkope zenerdiode tester, waarmee u zenerspanningen tot 24 V kunt meten.

Hoe werkt de schakeling?

Het geheim van de zenerdiode
In de onderstaande figuur worden de geheimen van een zenerdiode onthuld. Zo'n onderdeel is een diode die, als u ze in geleiding brengt door de anode te verbinden met een positieve spanning en de kathode met een negatieve spanning, zich gedraagt als een normale diode. Dat wil zeggen dat u over het onderdeel een geleidingsspanning van ongeveer 0,7 V meet, vrijwel onafhankelijk van de stroom die door de diode vloeit. Als u de diode echter in sper aansluit, dan gebeurt er iets vreemds. Zoals alle diodes zal ook de zenerdiode geen stroom doorlaten, als ten minste de spanning over het onderdeel niet te groot is. Als u de sperspanning echter laat stijgen dan merkt u dat er, afhankelijk van het type, bij een bepaalde spanning plotseling stroom door de diode gaat vloeien.
Als u er niet voor zorgt dat de stroom die door de diode kan lopen beperkt wordt door het in serie opnemen van een weerstand R1, dan zal de zenerdiode overlijden met als doodsoorzaak een te veel aan stroomconsumptie. Dank zij deze weerstand blijft de diode onder ons en zal zij haar aanwezigheid luister bijzetten door het constant houden van de spanning over haar pootjes. Hoe groot de voedingsspanning ook wordt, de zenerspanning blijft vrijwel constant.
Er bestaan zenerdiodes met zenerspanningen van 2 V tot meer dan 100 V. De meest voorkomende waarden zijn 2,4 V ~ 2,7 V ~ 3,3 V ~ 3,9 V ~ 4,3 V ~ 4,7 V ~ 5,1 V ~ 5,6 V ~ 6,2 V ~ 6,8 V ~ 7,5 V ~ 8,2 V ~ 9,1 V ~ 10 V ~ 11 V ~ 12 V ~ 13 V ~ 15 V ~ 18 V ~ 20 V ~ 22 V ~ 24 V ~ 27 V ~ 30 V ~ 36 V ~ 39 V ~ 47 V en 75 V.
De waarde van die zenerspanning wordt, althans bij Europese typen, onder de vorm van een code op de glazen behuizing geprint. Zo heeft en zenerdiode met codering 5V1 een zenerspanning van 5,1 V. Helaas is die code vaak zo goed als onleesbaar, zeker als de diode al een paar keer door uw handen is gegaan. In de Amerikaanse nomenclatuur heeft de typenaam zelfs geen enkele logische relatie tot de zenerspanning. Zo heeft een 1N5341 een zenerspanning van 6,2 V en een 1N5355 een zenerspanning van 18 V.
Het bezit van een snel in elkaar te knutselen apparaatje waarmee u in een paar seconden de zenerspanning van een diode kunt meten is dus geen overbodige luxe.

Het blokschema van de zenertester
De zenerspanning van een zenerdiode is niet zo constant als wij in de vorige paragraaf hebben aangenomen. In de praktijk zal de zenerspanning een beetje afhangen van de stroom die door het onderdeel stroomt. Wilt u dus een etiketje op een zenerdiode kunnen plakken, dan is het noodzakelijk dat we een standaard stroom invoeren, waarbij de spanning wordt gemeten. Als u de datasheets van de betreffende fabrikanten er op naslaat zult u ontdekken dat de meesten hun zeners specificeren bij een zenerstroom van 5 mA of van 10 mA. Als u dus, zoals getekend in de onderstaande figuur, een opstelling bouwt samengesteld uit een voeding, een constante stroombron van 10 mA, de zenerdiode en een voltmeter dan zal de spanning die u op de meter afleest, gelijk zijn aan de waarde van de zenerspanning.
Als u het geheel bovendien in een keurig kastje inbouwt, twee draadjes met krokodilklemmetjes uit het kastje laat ontspruiten en de te testen zenerdiode met behulp van die klemmetjes met het geheel verbindt, dan leest u zó de zenerspanning van het onderdeel op de ingebouwde meter af.

De constante stroombron
Het voornaamste onderdeel van de zenertester is, dat blijkt duidelijk uit het verhaal van de vorige paragraaf, de constante stroombron. Genoeg reden dus om deze schakeling wat nader te onderzoeken. Een constante stroombron is een schakeling die dank zij een interne terugkoppeling er voor zorgt dat de geleverde stroom onder alle omstandigheden constant blijft. Als u een constante stroombron ontwerpt die een stroom van 10 mA levert, dan maakt het (binnen bepaalde grenzen) niet uit welke weerstand u op die stroombron aansluit. 10 Ω, 100 Ω, 1 kΩ, de stroombron levert altijd 10 mA aan die weerstand. Dat lijkt in strijd met de wet van ohm die immers stelt dat de stroom door een weerstand afhankelijk is van de waarde van de weerstand en van de waarde van de spanning over de weerstand. In die laatste bewering zit de clou van het verhaal. Dank zij de interne terugkoppeling past een constante stroombron zijn uitgangsspanning zó aan dat er altijd de ingestelde stroom door de belasting vloeit.

Het schema van de toegepaste stroombron
In de onderstaande figuur ziet u het schema van de constante stroombron dat wij in dit bouwontwerp hebben toegepast. Er zijn diverse manieren om een constante stroom te genereren, maar deze methode is het simpelst en vraagt het minst aantal componenten.
De schakeling is opgebouwd uit een operationele versterker op-amp-1 die is geschakeld als verschilversterker en een emittervolger rond de transistor T1. Deze laatste wordt rechtstreeks uit de uitgang van de op-amp gestuurd. De emitterkring van de emittervolger is samengesteld uit de te testen zenerdiode Dzener en een kleine weerstand R2. De spanning die over deze weerstand ontstaat wordt teruggekoppeld naar de negatieve ingang van de op-amp. De positieve ingang van die schakeling is verbonden met een stabiele spanning Uconstant. De schakeling heeft als belangrijkste eigenschap dat de stroom, die door de serieschakeling van transistor T1, diode Dzener en weerstand R1 vloeit, onder alle omstandigheden gelijk blijft aan een gekozen waarde.
Hoe werkt deze schakeling? Zoals geschreven is de operationele versterker geschakeld als verschilversterker. Dat wil zeggen dat de schakeling zichzelf zo zal instellen dat het spanningsverschil tussen de spanning op de positieve ingang van de op-amp en de spanning op de negatieve ingang van de op-amp gelijk wordt aan nul. De spanning op de positieve ingang is constant. De spanning op de negatieve ingang is gelijk aan de spanning over weerstand R1. Deze spanning wordt bepaald door de grootte van de stroom die door de weerstand vloeit. Door de hoger genoemde eigenschap van de schakeling zal de spanning over de weerstand gelijk zijn aan de spanning op de positieve ingang. Omdat deze laatste constant is zal ook de spanning over R2 constant blijven.
Conclusie: welke diode u ook in het schema opneemt, de stroom door R2 en dus door de zenerdiode zal 'altijd' constant blijven. Altijd staat tussen aanhalingstekens omdat er uiteraard een grens is, bepaald door de voedingsspanning die u aan de schakeling aanlegt. Als u voedt met 12 V en u zou een zenerdiode van 15 V in de schakeling opnemen, dan kan het systeem niet werken. De som van de spanningsvallen over de zenerdiode en de weerstand R2 moet altijd kleiner blijven dan de voedingsspanning minus 3,0 V. Die 3,0 V is de spanning die over de transistor T1 moet blijven staan om dit onderdeel goed te laten werken.

De voeding van de schakeling via spanningsverdubbeling
Om zenerdiodes in een zo breed mogelijk bereik te kunnen testen moet de voedingsspanning dus zo hoog mogelijk zijn. Omdat wij gebruik hebben gemaakt van een zeer goedkope trafo van 12 V moeten wij een truukje toepassen om uit deze 12 V wisselspanning tóch een zo hoog mogelijke voedingsspanning af te leiden. Dat truukje heet: spanningsverdubbeling. Het principe van deze schakeling is voorgesteld in de onderstaande figuur.
De schakeling bestaat uit een secundaire trafo-wikkeling, die door middel van twee diodes en even veel elco's wordt omgevormd tot een gelijkspanning met als waarde de dubbele trafo-spanning. Als punt A positief is ten opzichte van punt B geleidt de diode D1 en wordt de elco C1 opgeladen tot de topwaarde van de trafo-spanning Usec. De topwaarde van een sinusspanning is gelijk aan 1,41 keer de spanning die u meet. De topwaarde van een 12 V sinusspanning bedraagt dus 16,9 V. Er blijft ongeveer 0,65 V over de geleidende diode D1 staan, over de elco C1 verschijnt een gelijkspanning van ongeveer 16 V. De tweede diode spert en er verschijnt geen spanning over C2. Als de polariteit van de trafo-spanning omkeert wordt punt A negatief ten opzichte van punt B. Nu gaat diode D2 geleiden en zal elco C2 worden opgeladen tot Usec. Over beide elco's staat dus de volledige, gelijkgerichte trafo-spanning. Omdat beide elco's in serie staan zal het duidelijk zijn dat ook hun spanningen in serie staan.
Over beide elco's meet u dus de dubbele trafo-spanning 2 • Usec of een spanning van ongeveer 32 V.

Het totale schema van de zenertester

Het moet zo goedkoop mogelijk
Omdat u niet dagelijks met zenerdiodes te maken krijgt mag een zenertester natuurlijk niet te veel kosten. Vandaar dat wij het schema hebben ontworpen met de kreet 'zo goedkoop mogelijk' in ons achterhoofd. Bij een dergelijk eenvoudig apparaat kost de echte elektronica nauwelijks wat. Het zijn de voedingstrafo en de meter die het kostenplaatje bepalen. Welnu, via een zoektocht op internet hebben wij daar twee uiterst goedkope oplossingen voor gevonden, zie de onderstaande foto.
Als trafo gebruiken wij een VB 2,8/1/12 van Block die bijvoorbeeld bij Reichelt te koop is voor amper € 3,86. Bij AliExpress kunt u een 30 V gelijkspanning metertje van het type 85C1-30V bestellen voor € 1,32. Goedkoper kan écht niet!

Het praktisch schema
Met deze gegevens in ons achterhoofd kan het praktisch schema van deze zenertester uitgewerkt wordt tot iets dat in de onderstaande figuur is voorgesteld. Links herkent u het besproken schema van de spanningsverdubbeling. De referentiespanning die aan de positieve ingang van de op-amp wordt aangelegd wordt op de gebruikelijke manier opgewekt door een seriekring van een weerstand R1 en een zenerdiode D3. Een elco C3 vlakt de referentiespanning nog eens extra af. De uitgangskring hebben we al besproken, rest alleen nog de spanningsmeter. De schakelaar S2 wordt ingedrukt bij de meting, maar eerst ná het aansluiten van de te testen zenerdiode. Met open klemmen staat immers de volledige voedingsspanning van de schakeling over deze klemmen. Als u op dit moment de drukknop S2 zou indrukken dan slaat de naald van de meter in de hoek.
Dus: altijd eerst de zenerdiode aansluiten en pas dan de drukknop S2 indrukken!

De bouw van de schakeling
De bouw van zo'n eenvoudig apparaatje zal wel niet voor problemen zorgen. In de onderstaande twee figuren zijn de print layout en de componenten opstelling voorgesteld.

De 230 V kunt u met een printkroonsteentje op de print aansluiten. Wij hebben een trekontlasting uit een defecte netstekker gebruikt als trekontlasting voor de netkabel op de print. De ene transistor, de BC140, wordt voorzien van een klein koelsterretje.

De eindmontage
U moet eerst een geschikt kastje zoeken voor het printje. In het frontplaatje maakt u gaten voor de meter, de twee schakelaars en een gaatje voor het doorvoeren van de twee testsnoertjes. Op de achterzijde komt een gat voor de netkabel doorvoer. Op de bodem vier 3,5 mm gaatjes voor de bevestiging van het printje en vier idem gaatjes voor de rubber voetjes.
Nadien komt de bedrading aan de beurt. Die is de eenvoud zelve. De netschakelaar S1 en de drukknop S2 kunt u met korte montagedraadjes op de soldeerlipjes op de print vast solderen. Hetzelfde geldt voor het metertje, let hierbij op de plus en de min. De netspanning kunt u aanvoeren met een tweelingsnoertje waarvan u de twee aders in het printkroonsteentje vast schroeft en nadien het snoertje onder de trekontlasting klemt. Tot slot maakt u twee 20 cm lange snoertjes met aan de ene kant kleine krokodilbek klemmetjes. Deze snoertjes soldeert u aan de andere kant vast op de 'ka' en 'an' soldeerlipjes op het printje. Hiermee is uw zenertestertje klaar voor gebruik.

(Bol.com sponsor advertentie)
NJE PS3005N labvoeding