Advies
Gewoonlijk laten diodes alleen stroom in de stroomrichting toe en blokkeren ze die in de tegenovergestelde richting, bijvoorbeeld als gelijkrichterdiode om ervoor te zorgen dat de stroom slechts in één richting stroomt. De zenerdiode, een speciaal type diode, wordt daarentegen hoofdzakelijk gebruikt om spanningen te stabiliseren. Hij kan echter ook worden gebruikt om spanningen in een circuit te beperken. Hoe de zenerdiode precies werkt, welke voor- en nadelen hij biedt en op welke gebieden hij kan worden gebruikt, komt u te weten in deze gids. Verder zijn er een aantal zaken waarop u moet letten bij de aankoop, om de juiste diode voor uw behoeften te kunnen kiezen.
Terwijl de zenerdiode in de omgekeerde richting werkt, werkt hij in de voorwaartse richting als een gewone diode. Bij zenerdioden spreekt men van zogenaamde zener- of lawine-effecten, die ervoor zorgen dat de stroom abrupt toeneemt zodra een bepaalde sperspanning wordt bereikt.
Beide effecten treden op bij verschillende spanningen. Een sperspanning van minder dan 5 volt wordt bijvoorbeeld het Zener-effect genoemd. Dit gebeurt wanneer de elektrische veldsterkte in de junctie hoog genoeg is om de elektronenpaarbindingen te verbreken. De elektronen komen daardoor vrij van hun roosterbinding en verhogen zo het elektrisch geleidingsvermogen en de tegenstroom of ook Zenerstroom genoemd.
Vanaf een spanning van meer dan 5 volt treden gelijktijdig het Zener-effect en het lawine-effect op, waarbij het lawine-effect ervoor zorgt dat de ingebouwde junctie wordt bezet door de vrijgekomen ladingsdragers. Vanaf een sperspanning van meer dan ca. 6,5 volt treedt alleen het lawine-effect op. Hierbij stijgt de spanning tot een niveau waarop de ladingsdragers zodanig worden versneld dat verdere ladingsdragers worden vrijgemaakt uit andere roosteratomen.
De opeenvolging herhaalt zich en exponentiëert het aantal vrijgekomen ladingsdragers, hetgeen leidt tot de plotselinge geleidbaarheid van de junctie. De naam lawine-effect komt dan ook van het plotseling "omrollen" van de junctie met vrijgekomen ladingsdragers. Diodes die uitsluitend als gevolg van dit effect boven de doorslagspanning oplossen, worden lawinediodes genoemd. Zodra de spanning weer onder de waarde van de doorslagspanning daalt, wordt de junctie onmiddellijk hersteld, zodat slechts een zeer kleine stroom in omgekeerde richting mogelijk is.
Er zijn verschillende soorten diodes die met verschillende sperspanningen werken. Deze kunnen als volgt worden gekarakteriseerd:
| Diodetype | UZ in volts bij IZ = 5 mA | rZ in Ohm bij IZ = 5 mA | αZ · 10−4/K bij IZ = 5 mA |
|---|---|---|---|
| ZPD 2,7 |
2,4 ... 3,1 | 70 | −9 ... −5 |
| ZPD 4,7 | 4,1 ... 5,2 | 60 | −6 ... 0 |
| ZPD 6,8 | 6,1 ... 7,5 | 4 | −1 ... +4 |
| ZPD 8,2 | 7,3 ... 9,2 |
4 | +2 ... +7 |
| ZPD 12 | 10,7 ... 13,4 | 15 | +6 ... +9 |
| ZPD 15 | 13,0 ... 16,5 | 20 | +7 ... +9 |
Welke voor- en nadelen hebben zenerdiodes?
Zenerdiodes zijn ideaal voor spanningsstabilisatie omdat zij relatief goedkoop zijn en in de praktijk eenvoudig kunnen worden gebruikt. Zij kunnen dus de spanning constant houden ondanks variabele stroom, om gevoelige componenten te beschermen tegen spanningsschommelingen. Niettemin zijn er, afhankelijk van het toepassingsgebied, verschillende nadelen waarmee rekening moet worden gehouden.
Als u met signalen werkt, kan het gebeuren dat de Z-diode een vervormend effect heeft op signalen als gevolg van de niet-lineariteit van de component. Eventuele vervormingen kunnen zowel in de stroomrichting als in de omgekeerde richting optreden.
Praktische tip
Zenerdiodes zijn alleen geschikt voor circuits met een laag en relatief constant stroomverbruik. Voor grotere stroomschommelingen en stromen zijn spanningsregelaars geschikter.
Hoe temperatuurafhankelijk zijn zenerdiodes?
Zenerdiodes warmen nauwelijks op tijdens normaal bedrijf. Bij zware belasting kan echter een zeer hoge temperatuurontwikkeling optreden. Indien de belasting de maximaal toelaatbare vermogensdissipatie overschrijdt, veroorzaakt de sterke verhitting onder meer zeer snelle materiaalmoeheid, die tot de vernietiging van het onderdeel kan leiden. De temperatuurafhankelijkheid is een nadeel, vooral bij toepassingen die een precieze spanning vereisen. De temperatuursafhankelijkheid van een zenerdiode wordt aangegeven door de temperatuurcoëfficiënt.
Praktische tip
Als u zenerdioden met positieve en negatieve temperatuurcoëfficiënten in serie schakelt, heffen de temperatuurcoëfficiënten elkaar optimaal op en beperken zo de temperatuurafhankelijkheid tot een minimum.
Waarvoor worden zenerdioden gebruikt?
Vooral in circuits met een lage stroom blijken Z-dioden bijzonder nuttig te zijn voor spanningsstabilisatie. Dit kan bijvoorbeeld worden gebruikt in voedingen, omdat het de DC-spanning stabiliseert en zo de resterende rimpel minimaliseert
Zij kunnen echter ook nuttig zijn voor spanningsbegrenzing en overbelastingsbeveiliging. Hier kunnen meetinrichtingen worden beschermd door zenerdioden, omdat deze de spanning bij volledige doorbuiging in de meetinrichting begrenzen. Daardoor loopt de stroom in de meter niet verder op en is hij beschermd tegen overbelasting. Als men zenerdioden wil gebruiken als veiligheidsbarrière bij explosiebeveiliging, spreekt men gewoonlijk van een Zener-barrière. Het voorkomt de penetratie van ontoelaatbaar hoge energie in een licht ontvlambare omgeving.
Bovendien worden zenerdioden vaak gebruikt om storingen weer te geven, die bijvoorbeeld worden gebruikt om storingen in een transmissiekanaal te beschrijven. Deze storingen worden witte ruis genoemd en kunnen goed worden opgewekt door het lawine-effect van de zenerdiodes. Hoe sterker de stroom, hoe groter het geluidseffect. De ruis die wordt veroorzaakt door de bewegingen van de ladingsdragers in de diode wordt ook wel "shot noise" genoemd en wordt versterkt door het lawine-effect in de hierboven beschreven zenerdioden.
Bij de aankoop van zenerdiodes vindt u steeds gedetailleerde productbeschrijvingen en informatie over de technische gegevens van de diode. Het hangt natuurlijk af van het doel waarvoor u uw zenerdiode wilt gebruiken. Niettemin moet u er altijd voor zorgen dat u de maximaal toelaatbare vermogensdissipatie nooit overschrijdt. Dit wordt in de technische gegevens van de diode aangegeven als P(TOT). Anders kan de diode zeer snel vernield worden.
Verder moet u letten op de aangegeven sperspanning en de tolerantie daarvan. Dit kan worden gevonden als Z.Spg. (Uz) in de technische gegevens en geeft u informatie over de spanning waarmee de Z-diode kan worden gebruikt. De maximaal toelaatbare sperspanning en de minimale sperspanning die nodig is om de diode goed te laten werken, vloeien voort uit de gespecificeerde sperspanning en de tolerantie daarvan.
Belangrijk zijn ook de verschillende soorten behuizingen, die op specifieke toepassingen zijn afgestemd. Afhankelijk van het ontwerp kunnen ze worden gebruikt voor doorlopende of opbouwmontage. Het respectieve behuizings-type vindt u in de titel van het artikel en in de productbeschrijving. De behuizingen kunnen van metaal, glas of kunststof zijn en verschillen naar gelang van de fabrikant.
Niettemin moet u er altijd voor zorgen dat u de maximaal toelaatbare vermogensdissipatie nooit overschrijdt. Dit wordt in de technische gegevens van de diode aangegeven als P(TOT). Anders kan de diode zeer snel vernield worden.
Afhankelijk van de toepassing van de Z-diode zijn er nog vele andere vereisten en kengetallen die in acht moeten worden genomen. Deze zijn ook te vinden in de technische gegevens of in de categorie "Documenten & Downloads", waar voor elke diode een uitgebreide productfiche beschikbaar is. Hier kunt u alle details en kerncijfers van de betreffende diode bekijken.
Praktische tip
Behuizingen met geïntegreerde metalen radiatoren zorgen voor een aanzienlijk betere warmteafvoer. Hierdoor neemt het maximaal toelaatbare vermogensverlies, d.w.z. P(TOT), minimaal toe.