Dioda Zenera jest powszechnie stosowana do stabilizacji napięcia. Może pełnić funkcję ogranicznika przepięć, źródła napięcia odniesienia lub elementu obwodu ograniczającego amplitudę.
Przed użyciem warto jednak sprawdzić polaryzację i stan elementu: ustalić, czy dioda jest sprawna, zwarta lub ma przerwę. Trzeba też poprawnie odczytać jej oznaczenie i napięcie znamionowe.
Do takiej kontroli służy tester diod Zenera.
Poniżej opisujemy podstawowe metody pomiaru oraz budowę prostego testera.
Zacznijmy od zasady działania samej diody.
Jak działa dioda Zenera?
Dioda Zenera pracująca w kierunku zaporowym utrzymuje na swoich zaciskach w przybliżeniu stałe napięcie. Ma przy tym niewielką rezystancję dynamiczną, dlatego zmiana prądu powoduje jedynie małą zmianę napięcia. Z tego powodu napięcie Zenera podaje się dla określonego prądu pomiarowego, zwykle 5 - 10mA.
Prąd płynący przez diodę można obliczyć na podstawie wartości rezystora szeregowego oraz różnicy między napięciem zasilania a napięciem Zenera.
Im wyższe jest napięcie Zenera przy niezmienionym zasilaniu i rezystorze, tym mniejszy prąd testowy popłynie przez diodę. Jeśli będzie zbyt mały, wynik pomiaru może być obarczony błędem.
Przy polaryzacji w kierunku przewodzenia dioda Zenera zachowuje się jak zwykła dioda krzemowa.
Jej charakterystyczną właściwość wykorzystuje się przy polaryzacji zaporowej: po osiągnięciu napięcia przebicia prąd wyraźnie rośnie, a napięcie pozostaje przewidywalne. W kierunku przewodzenia na elemencie występuje typowy spadek napięcia diody.
Dwa sposoby mierzenia napięcia diody Zenera
Stan i napięcie diody Zenera można sprawdzić dwiema podstawowymi metodami.
Pomiar omomierzem w multimetrze
Najpierw przyłóż dodatnią sondę do anody, a ujemną do katody. Odczytana rezystancja powinna być stosunkowo mała.
Pomiar rezystancji diody w obu kierunkach
Schemat katody-anody
Następnie odwróć polaryzację: przyłóż sondę ujemną do anody, a dodatnią do katody. Rezystancja powinna być znacznie większa; multimetr może wyświetlić „OL”, informując o przekroczeniu zakresu lub obwodzie otwartym.
Dioda jest sprawna, jeżeli w pierwszej konfiguracji ma małą, a w drugiej dużą rezystancję. Uszkodzenie w postaci przerwy daje dużą rezystancję w obu kierunkach, natomiast zwarcie — małą w obu konfiguracjach.
Pomiar woltomierzem
Multimetr cyfrowy używany jako woltomierz
Do tego pomiaru można użyć osobnego woltomierza lub multimetru ustawionego na pomiar napięcia. Diodę należy zasilić napięciem odpowiednim dla badanego elementu.
Diodę polaryzuje się zaporowo i łączy szeregowo z rezystorem ograniczającym prąd. Napięcie zasilania musi być wyższe od znamionowego napięcia Zenera. W sprawnym elemencie woltomierz podłączony równolegle do diody pokaże wartość zbliżoną do napięcia znamionowego.
Przy przerwie w diodzie odczyt będzie wysoki i zbliżony do napięcia zasilania. Dioda zwarta da natomiast napięcie znacznie niższe od wartości znamionowej.
Obwód testujący diodę Zenera
Elementy potrzebne do wykonania tego obwodu to:
Bateria - 1,5V (4)
Dioda LED 1 - 5mm czerwona
S2 - przełącznik SPST (N/O)
R1, R4 - 1K
U1 - NE555N IC
S2 - przełącznik SPST (N/O)
R2 - 10K
DVM - trzyprzewodowy
R3 - 2K7
C4 - 470µF/25V
C3 - 100µF/63V
Q1 - P55NF0 Power MOSFET
L1 - 10µH Induktor (200mA)
D1, D3 - 1N5819 Dioda Schottky'ego (40V)
C2 - 10nF
D2 - 1N4752 Dioda Zenera (33V)
C1 - 1nF
Wszystkie rezystory mają moc (1/4 W).
Układ jest prostą przetwornicą podwyższającą napięcie DC-DC, zbudowaną na bazie timera 555.
U1 (555 IC) pracuje jako generator astabilny o częstotliwości około 68KHz. Częstotliwość wyznaczają elementy RC: C1, R2 i R1.
Wyjście układu NE55N steruje bezpośrednio tranzystorem MOSFET mocy, który przełącza prąd w cewce. D1 i C3 tworzą prostownik oraz filtr wyjściowy. Aby zwiększyć sprawność, D1 można zastąpić szybką diodą UF4001.
D2, czyli dioda Zenera, ustala napięcie wyjściowe w pobliżu 33V. Rezystor R3 ogranicza natomiast prąd płynący przez badany element.
Jak działa obwód testera Zenera?
Schemat obwodu testera Zenera
Tester zasila diodę Zenera prądem o znanej, stałej wartości. Powtarzając pomiar dla różnych prądów, można wyznaczyć charakterystykę zależności napięcia Zenera od prądu.
Tranzystor T2 zaczyna przewodzić, gdy napięcie emitera przekroczy próg złącza baza-emiter T2. Powoduje to obniżenie napięcia bazy tranzystora T1, a w konsekwencji także jego napięcia emitera. Gdy napięcie emitera T1 spadnie poniżej progu baza-emiter T2, prąd T2 maleje.
W rezultacie napięcie kolektora zmienia się wraz z napięciem emitera T1. Ujemne sprzężenie zwrotne stabilizuje napięcie na poziomie około 0,6V.
Jeżeli układ ma trzy przełączniki i dwa z nich są zamknięte, prąd płynie przez rezystory od R1 do R3. Podłączony multimetr mierzy napięcie Zenera. Duża rezystancja wejściowa miernika sprawia, że pobiera on z diody tylko niewielki prąd.
Obwód można przystosować do pomiaru diod Zenera o wyższym napięciu, stosując wysokonapięciowy tranzystor T1. Trzeba przy tym dopilnować, aby moc tracona w T1 nie przekroczyła jego dopuszczalnej wartości, zwłaszcza przy większym prądzie.
Najczęściej zadawane pytania
Jak znaleźć napięcie diody Zenera?
Zmierz napięcie bezpośrednio na diodzie, przykładając sondy multimetru do jej zacisków i wybierając zakres napięcia stałego. Odczyt powinien mieścić się w przybliżeniu od 5,6V do 5,88V. Dolna granica może wynieść 5,32, natomiast między baterią a masą nadal będzie 9V.
Jak przetestować czy dioda działa?
Najwygodniej sprawdzić diodę w kierunku przewodzenia, mierząc spadek napięcia na jej zaciskach. Sprawna dioda przewodzi w jednym kierunku, natomiast zwarta zachowuje się jak zamknięty przełącznik w obu kierunkach. Można też użyć pomiaru rezystancji, choć daje on mniej jednoznaczny wynik.
Czy diody Zenera się psują?
Tak. Dioda Zenera może ulec uszkodzeniu przede wszystkim wskutek przekroczenia dopuszczalnej mocy strat. Każdy element ma określoną moc znamionową; gdy moc wydzielana w diodzie jest większa od tej wartości, może dojść do przegrzania i trwałego uszkodzenia.
Podsumowanie
Diody Zenera chronią układy przed przepięciami, stabilizują napięcie i tworzą napięcie odniesienia między innymi we wzmacniaczach operacyjnych oraz regulatorach. Tester pozwala potwierdzić stan elementu i zmierzyć jego napięcie znamionowe, zwłaszcza gdy oznaczenie obudowy jest nieczytelne lub niejednoznaczne. Jeśli potrzebujesz pomocy w doborze testera albo elementów do własnego projektu, zapraszamy do kontaktu z nami.