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