Date post: | 14-Mar-2018 |
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Z-Diode u.a.
© Roland Küng, 2010
Diode Review
Überlegen in 2 Schritten:
vI negativ: Ersatzbild vo
vI positiv: Ersatzbild vo
L: Zweiweggleichrichter v0 = |vi|
Diode Review
Leuchtet LED immer? Welches ist der max. Strom ?
Achtung: kein DC Restorer ! Analyse mit Ersatz C1 durch Wechselstromwiderstand ZC1 = 10 kΩ
Spitzenstrombegrenzung (ON)
LED Schutz
Wechselspannungswiderstand
Entladekreis(OFF)
Zener Diode
• Diode wird im Sperrbereich betrieben, darf aber auch vorwärts arbeiten.
• Diode leitet lawinenartig.
• Normale Dioden halten diesen Zustand nicht lange aus.
• Z-Dioden sind besonders dotiert und haben eine dünne Sperrschichtzone
(gilt für Typen mit Sperrspannung < 5 V) klassische ZENER Diode
• Typen mit Spannung > 5 V basieren auf dem Lawineneffekt.
• Durch die Feldstärke in der Sperrschicht werden die
Ladungsträger so stark beschleunigt, dass sie weiter e- Loch- Paare frei schlagen.
klassische AVALANCHE Diode
Zener Diode Kennlinie
Ersatzbild in Sperrrichtung
Die Kennlinie wird im Arbeitspunkt linearisiert und durch rZ =ZZ dargestellt.
Ersatzbild Prinzip
Grosssignal Arbeitspunkt (DC)Kleinsignal = Schwankungen (AC)
Reales Signal trennen in
Z-Diode Ersatzbilder
rZ = ZZ @ IZT
VZ0 = VZT @ IZT - rZ IZT
Grosssignal Arbeitspunkt bestimmen
Kleinsignal Schwankungen ermitteln
Z-Diode Beispiel
Ersatzbilder: a) Grosssignal – b) Kleinsignal
10 V ± 1 VVDC
Datenblatt
Datenblatt
VZT
rZ
IZT
Z-Diode Ersatzbildwerte
VZ0 = 5.1 – 0.35 = 4.75 V
VZ = VZT = 5.1 V @ 49 mAZZ = 7 Ω
Zener Diode rZ
Steile Z-Dioden bei 5 V …20 V
Zener Diode Temperaturkoeffizient TK
Temperaturstabile Z-Spannung bei 5.1 V Typ
Z-Dioden als Limiter
Spannungs- Stabilisierung
• Datenblatt: IZT, VZT im Datenblatt VZ@IZT, rZ im Datenblatt ZZ
• Z-Diode muss mindestens IZK führen• Z-Diode im Nominalpunkt IZT betreiben, berechnet mit Nominalwerten VIN, RL
• IZM max. Z-Diodenstrom = PD/VZK nicht überschreiten
Design Guide:
Spannungs-StabilisierungBsp: VZT = 12 V
• IZK = 0.25 mA• IZT = 21 mA, ZZ = 9 Ω• IZM = PD/VZ = 76 mA
• RL = 600 Ω• VIN = 24 V
Dimensionierung exakt:
Diese Gleichungen lösen
ZL
ZZ0ZT I
RZIV
I +⋅+
=
LINT VVIR −=⋅
ZZ0ZL ZIVV ⋅+=
ZTZZTZT0Z IZI@VV ⋅−=
ToolSimulation
• IZK = 0.25 mA• IZT = 21 mA, ZZ = 9 Ω, VZ = 12 V• IZM = 76 mA• RL = 600 Ω• VIN = 24 V
IZ = IZT = 21 mAIL = VZ/RL = 12/600 = 20 mAIT = 41 mAR = 12/0.041 = 293 Ω 270 Ω
Dimensionierung (Handrechnung rZ = 0):
Datenblatt / Vorgabe:
Spannungs-Stabilisierung12 V Part I
Handrechnung mit VZT, IZT aus Datenblatt: VZ = VZT = 12 V
Arbeitspunkt:
Stabilisierungswirkung (Kleinsignal): Vin = 22…26 V (Drift, Ripple): 24 ± 2 V
V066.022799
VZR
ZV
R//ZRR//Z
V INZ
ZIN
LZ
LZOUT ==∆
+≈∆
+=∆
± 66 mV Ripple
Datenblatt / Vorgabe:
Spannungs-Stabilisierung12 V Part II
• VIN = 24 V• IZT = 21 mA, ZZ = 9 Ω , VZT = 12 V• IZK = 0.25 mA • IZM = PD/VZ = 1/12 = 83 mA• RL = 600 Ω
Ripple von Gleichrichter wird verringert !
270 Ω
Spannungs-Stabilisierung12 V Part III
• VIN = 24 V• IZT = 21 mA, ZZ = 9 Ω , VZT = 12 V• IZK = 0.25 mA • IZM = PD/VZ = 1/12 = 83 mA• RL = 600 Ω
IL = 12/600 = 20 mAVZ = 12 V, IZ = 21 mAIT = 41 mAR = 12/42m = 293 Ω 270 Ω
Dimensionierung (wie vorher):
Lastschwankung (Handrechnung, rZ = 0) Leerlauf bis Minimale Last ?
Leerlauf IL = 0 ? IZ = (VIN-VZ) / R = 44mA < IZM ok
Min. Last IZ = IZK ? ILmax = (VIN-VZ) / R – IZK = 43.75 mA
RLmin = VZ / ILmax = 280 Ω
Spannungs-Stabilisierung5 V
• VZT = 5.1 V• IZT = 49 mA, ZZ = 7 Ω• IZK = 1 mA• IZM = PD/VZ = 1/5.1 = 196 mA• RL = 47 Ω• VIN = 24 V
Wie gross ist IZ, wie gross die Ausgangspannung für Leerlauf genau?
IZleer = (24 – 5.1)/R = 158 mA < IZM ok
Vout = (5.1 + (IZleer- IZT)ZZ) =5.1 + 0.1·7 = 5.8 V
VZ = VZT = 5.1 VIL = 5.1/47 = 109 mAIZ = IZT = 49 mAIT = 158 mAR = 18.9/158 mA = 120 Ω
Dimensionierung (Handrechnung rz=0):
1x LoopOptional
Spannungs-Stabilisierung5V Wunsch IZ
• IZK = 1 mA• VZT = 5.1 V• IZT = 49 mA, ZZ = 7 Ω• IZM = PD/VZ = 1/5.1 = 196 mA• RL = 47 Ω• VIN = 24 V
VZ = 4.83 VIL = 4.83/47 = 103 mAIZ = 10 mAIT = 113 mAR = 19.17/113 mA = 170 Ω
Dimensionierung (Handrechnung):
Wunsch: IZ = 10 mAd.h. weit ab von IZT !
VZ0 = VZT – ZZ IZT = 4.76 V
VZ = VZ0 + ZZ IZ = 4.83 V
Neuer Arbeitspunkt VZ IZ: )II(ZVV ZTZZZTZ −⋅+=
Korrektur für IZ:
vT
DSD ES1
Vmv
expIi ⋅−
−
⋅=
S = Sensitivität [A/lx)]Ev = Beleuchtungsstärke [lx]
Photodiode
Lichtquanten schlagen e- Loch Paare in der Verarmungszone frei ein Sperrstrom fliesst
Dünne p-Schichtz.T. I Schicht zwischenn und p, PIN
Photodiode Kennlinie
PhotodiodePhototransistor
Photodiode (Messen)
Photoelement (Energie)Solarzelle
Hohe LinearitätGrosse Dynamik 6 Dekaden
Photodiode Messbereich
Sharp BS120
Photodiode Betriebsarten
a) Sperrspannung VPD a1) VPD=0 Spannung b) Vorwärtsspannung+ schneller + präzise linear + Energieabgabe- Dunkelstrom steigt - langsamer - ungenauoptische DÜ Messtechnik Solarzelle
VDC
Beschaltung mit OpAmp
Photodiode VPD = 0V
Photodiode VPD < 0
Solarzellenauf Energiegewinnung optimierte Photodioden in Betriebsart Photoelement
Solarzellen
Betriebsbereich dort wo Leistungsabgabe maximal d.h. Sperrbereich mit VD > 0 VD < VF (also ca. 1 V)
Kapazitätsdiode
Kennlinie BB809
Anwendung: Elektronische AbstimmungLC-Filter, Oszillatoren
Zusammenfassung
Zenerdioden werden im Sperrbereich betrieben. Sie eignen sich als Limiter und zur Spannungsstabilisation.Für die Berechnung empfiehlt sich Handrechnung und nachfolgende Simulation.
Mindeststrom IZK, Max. Strom ist durch PD gegeben, Default für Zenerspannung nach Datenblatt ist IZT und meist recht gross.Stark abweichende Ströme erfordern Korrektur mit Hilfe Innenwiderstand ZZ.
Photodioden und Solarzellen werden durch Lichtquanten angeregt.Sie arbeiten bei Spannungen < Flussspannung VD0,Photodioden bei 0 V werden als Messsensor und bei negativer Spannung für schnelle optische Übertragung eingesetzt
Lab: Lichtsensitiver Schalter
Vorgaben: LED: 10 mAZ-Dioden: 3.9 V: IZ = IZT
4.7 V: IZ = 10 mAPD: Photodioden Betrieb
VPD min/max. -1…-5 V 1000 Lux 750 uA, Schaltpunkt: bei 100 Lux
Applikation:Wenn zu wenig Licht auf die PD einfälltsoll der Komparator eine Beleuchtung
(z.B. Display Background Light) einschalten
Messungen:Funktion testenPD Arbeitsbereich (ev. R1 variieren)4.7V Zener: VZ = f(IZ) für IZ 1…50 mASchwankung VZ, wenn VCC 12…14 V