Zener diyotlu gerilim regülatörü nasıl tasarlanır?

Regülatör nasıl çalışır?

Devrede V_in giriş gerilimi bir R_s seri direncini besler. Zener diyot, yüke paralel olarak çıkışa ters yönde bağlanır. Ters yön gerilimi V_Z'ye ulaşınca zener iletime geçer ve akımı değişirken gerilimi neredeyse hiç değişmez; böylece çıkış V_Z'ye yakın kalır.

R_s üzerinden geçen akım I_s = (V_in − V_out) / R_s'dir ve yük ile zener arasında paylaşılır: I_s = I_L + I_Z. Yük daha fazla akım çektiğinde zener daha az akım çeker, tersi de geçerlidir. R_s üzerinden geçen toplam akım yaklaşık sabit kalır; çıkışın sabit durmasının nedeni budur.

Regülasyon yalnızca zener akımı bir en küçük ile bir en büyük değer arasında kaldığı sürece çalışır. Diz akımının altında zener regüle etmeyi bırakır, güç değerinin üzerinde ise aşırı ısınır.

Önemli zener özellikleri

Tasarımı dört katalog değeri belirler.

• V_Z, zener gerilimi, regüle edilen çıkış gerilimidir.
• r_z, dinamik direnç, çıkışın zener akımının birimi başına ne kadar değiştiğini söyler: ΔV = r_z × ΔI_Z. Daha küçük r_z daha iyi regülasyon demektir.
• Diz akımı, kararlı regülasyon için gereken en küçük akımdır.
• En büyük güç değeri akımı I_Z,max = P_max / V_Z ile sınırlar.

Curvo Studio'nun zener simülatörü ters yön tarafını şöyle modeller. V_Z'nin altında küçük bir kaçak akım akar; gerilim V_Z'ye yaklaştıkça bu akım diz akımına doğru büyür. V_Z'nin üzerinde model doğrusaldır: I = I_diz + (V − V_Z) / r_z. Varsayılan olan BZX55C5V1 hazır ayarının V_Z = 5,1 V, r_z = 17 Ω, diz akımı 1 mA ve güç değeri 500 mW'tır.

Seri direncin boyutlandırılması

R_s'yi, en düşük giriş geriliminde ve en yüksek yük akımında bile zenerin her zaman güvenli bir en küçük akımı koruyacağı şekilde seçin.

R_s = (V_in,min − V_Z) / (I_Z,min + I_L,max)

Giriş ya da sıcaklık değiştiğinde de regülasyonun sürmesi için I_Z,min'i diz akımının rahatça üzerinde, örneğin birkaç miliamper seçin.

Sonra diğer uç durumu kontrol edin: en yüksek giriş gerilimi ve en hafif yük, genellikle yüksüz. Bütün akım zenerden geçer:

I_Z,max = (V_in,max − V_Z) / R_s − I_L,min

Zener gücü P_Z = V_Z × I_Z,max'tır ve diyodun güç değerinin altında kalmalıdır. Direnç P_R = (V_in,max − V_Z)² / R_s harcar; bu değerin üzerinde güç değerine sahip bir direnç seçin.

Kontrol başarısız olursa R_s'yi artırın; bu akımı düşürür ama besleyebileceğiniz yük aralığını azaltır. Ya da daha yüksek güç değerli bir zener kullanın.

Çözümlü örnek: 5,1 V regülatör

BZX55C5V1 (V_Z = 5,1 V, 500 mW, 1 mA diz akımı) ile 9 V ila 12 V giriş ve 0 ila 20 mA yük için bir regülatör tasarlayın. I_Z,min = 5 mA seçin.

1. R_s = (9 − 5,1) / (0,005 + 0,020) = 156 Ω. Standart değer olan 150 Ω'u kullanın; bu, en küçük zener akımını biraz daha yüksek tutar. 2. Zener için en kötü durum, 12 V giriş ve yüksüz: I_Z = (12 − 5,1) / 150 = 46 mA, yani P_Z = 5,1 × 0,046 ≈ 235 mW. Bu, 500 mW'ın altındadır. 3. 12 V'taki direnç gücü: (12 − 5,1)² / 150 ≈ 0,32 W; bu yüzden 0,5 W'lık bir direnç kullanın. 4. En küçük durumu kontrol edin, 9 V giriş ve 20 mA yük: I_Z = 3,9 / 150 − 0,020 = 6 mA; 1 mA diz akımının üzerindedir.

Elle yapılan hesap zeneri ideal 5,1 V'luk bir kaynak sayar. Simülatörün modeli r_z'yi de içerir, bu yüzden çıkış biraz oynar. 9 V ve 20 mA'de çıkış yaklaşık 5,18 V'ta ve zenerde yaklaşık 5,5 mA ile, 12 V ve yüksüzken yaklaşık 5,79 V'ta ve yaklaşık 41 mA ile oturur. Dolayısıyla giriş 3 V değişirken ve yük bütün aralığında salınırken çıkış yaklaşık 0,6 V'luk bir aralıkta değişir.

Yük aralığı ve sınırlar

Regülatör yalnızca I_L,max = (V_in,min − V_Z) / R_s − I_Z,min değerine kadar yük akımı besleyebilir. 9 V'ta 150 Ω'luk dirençle bu 26 mA − 5 mA = 21 mA eder. 5,1 V'u koruyarak sürebileceği en düşük yük direnci yaklaşık 5,1 / 0,021 ≈ 243 Ω'dur.

Zener regülatör basittir ama savurgandır. Yük hiç akım çekmese bile direnç ve zener güç harcar; r_z sıfır olmadığı için çıkış da giriş ve yükle birlikte kayar. Daha büyük yükler için tasarımcılar bir transistör ekler ya da özel bir regülatör kullanır. Zener yine de gerilim referansı olarak ve aşırı gerilime karşı koruma için yaygın biçimde kullanılır.

Simülatör sabit bir güç değeri modeller. Gerçek zenerlerde sıcaklık yükseldikçe güç değeri düşürülmelidir; bu yüzden gerçek bir tasarımda fazladan pay bırakın.

Zener simülatöründe deneyin

Zener diyot simülatörünü BZX55C5V1 hazır ayarıyla açın ve ters yön kutuplama olan negatif bir uygulanan gerilim ayarlayın.

• −3 V'ta akım yalnızca yaklaşık 0,04 mA'lik kaçak akımdır.
• −5,1 V'ta akım 1 mA'lik diz akımıdır.
• −5,79 V'ta akım yaklaşık 41 mA, harcanan güç yaklaşık 240 mW'tır. Bu, yukarıdaki 12 V yüksüz durumuyla uyuşur.
• Gerilimi düşürmeye devam edin. −6,4 V civarında akım yaklaşık 79 mA olur, güç 0,5 W'ı geçer ve simülatör elemanı aşırı yüklü olarak işaretler.

Eğriyi çözümlü örnekle karşılaştırın. Regülasyon bölgesinin eğimi 1 / r_z'dir; bu yüzden panelde r_z'yi değiştirmek çıkışın ne kadar düz kaldığını değiştirir.