4. Zenerdiodi jännitereferenssinä


Kaikissa esitetyissä ratkaisuissa käytetään zenerdiodia antamaan jännitteen, johon ulostuvaa jännitettä verrataan. Pieni katsaus kyseisen komponentin toimintaan on paikallaan. Zenerdiodi on ihan tavallinen diodi, jonka diodiliitos käänteisessä jännitteessä alkaa vuotaa, tai romahtaa. Romahtaminen tai vuotaminen saadaan aikaan voimakkaammalla seostamisella piihin. Seuraava kuva on datalehdestä, joka kertoo diodien 1N4728-1N4761-sarjan zenerien ominasuuksista:
zener
Vr on murtumisjännite, jossa diodin liitospinnan läpäisy vastakkaiseen suuntaan alkaa tapahtua. Kun negatiivista jännitettä lisätään, saadaan aikaan varsinainen zener-jännite Vz. Sen jälkeen jännitettä lisäämällä zenerin virta kasvaa nopeasti ja jos virtaa ei rajoiteta, komponentti tuhoutuu. Zener-jännitteen takana on siis alue, jossa jännite muuttuu vain vähän, mutta virta kasvaa nopeasti. Kun zenerille annetaan etuvastus, jännite asettuu kohtaan, joka vastaa läpikulkevaa virtaa ja zenerin rakennetta. Zenereitä on kehitetty jännitealueelle 3,3 – 75 V.

Eri jännitealueen zenerit käyttäytyvät hieman eri tavalla. Pienen jännitteen zenerillä on murtumiskulma pyöreämpi ja sen stabiilisuus on pienempi kuin suurempijännitteisen. Kun mennään suuremmille jännitteille, käyrä loivenee, joka tarkoittaa sitä, että zeneristä saatu referenssijännite helposti liikkuu ellei virtaa zenerin yli vakoioida. Kaikkein stabiileimmat zenerit asettuvat jännitealueelle 5 – 7 V.

Jos ei ole käytettävissä zeneriä, mutta sellaisen tarve on akuutti, kannattaa zenerinä käyttää transistoria. Kanta-emitteriliitos toimii zenerinä vastakkaisjännitteellä. Pienitehoinen, audiotarkoituksiin käytetty NPN-transistori toimii zenerinä 6-7 voltin jännitteellä. PNP-transistori vastaavasti isommalla jännitteelleä tai ei lainkaan tyypistä riippuen. Suurjännitetransistorit eivät kelpaa lainkaan eikä myöskään tehotransistorit. Vanha ja paljon käytetty BC109 ja sitä uudemmat vastaavat toimivat itse asiassa paremmin kuin vastaavan jännitteen zener.

Zener ja sille sopiva virran arvo on laskettava. Ensinnäkin virtaa pitää olla niin paljon, että zenerjännite hyvin ylittyy. Toisessa päässä tulee vastaan zenerin tehomaksimi. Pienet, virtalähteissä useimmin käytetyt lasiputkeen asennetut zenerit ovat 250 - 600 mW:n tehoisia. Käytännössä liian pienellä virralla käytetty zener kohisee ja vastaavasti liian suurella virralla lämpiää, jolloin jännite vaihtelee herkemmin käyttölämpotilan mukana.

Laskemisessa käytetään ohmin lakia.


Sopiva virta on maksimitehosta 20-50%. Sovelletaan kaavaan

P = U*I, josta saadaan I = P/U


Jos meillä on 5,6 V:n zener ja maksimi teho on 0,4 W, niin virta

I = 0,4 W / 5,6 V = n. 70 mA


Jos otetaan siitä 30 %, niin päästään noin 20 mA:n virtaan. Esimerkiksi jos meillä on tasasuuntauksen jälkeen jännitettä 20 V, niin sopiva etuvastus saadaan kaavasta


R = U/I = (20 – 5,6 V)/ 0,02 = 720 ohmia

Lähin isompi standardisarjan vastuskoko kelpaa. 
Kun zenerin etuvastus kytketään suoraan tulojännitteeseen, niin rippeli aiheuttaa zenerjännitteessä huojuntaa, joka näkyy välittömästi ulostulevassa jännitteessä. Tätä huojuntaa voidaan oleellisesti pienetää kytkemällä zenerin rinnalle kondensaattori. Sen arvo riippuu vastuksesta ja virrasta, joka ohjataan zenerin yli, mutta käytännössä 100 - 1000 uF elektrolyytti kelpaa hienosti. Sisääntuleva jännite notkuu tietenkin kuormituksen mukana, joka aiheuttaa ulostulevassa jännitteessä pientä alenemaa. Se ei yleensä ole ongelma.

Tapauksissa, jossa referenssijännitteen pitää olla ehdottomasti vakio ja myös lämpötilakompensoitu, jännitelähteenä kannattaa käyttää pienitehoista regulaattoripiiriä kuten LM 78xxL. Kytkentä löytyy datalehdestä netistä. LM78xxL-sarjasta löytyy eri jännitteille tehtyjä ja joka tarkoitukseen sopiva yksilö.


Seuraava sivu
Paluu alkuun