Zener Diyot ile Voltaj Regülatörü Yapımı

Zenerler ve Zener diyotların regülatör olarak kullanılması hakkında detaylı bilgile.. Emeği geçen kişilere Teşekkürler

Deneyin Amacı : Zener diyotlu regüle devresi ve özelliklerinin incelenmesi. Zenere paralel bağlanan yük değişimlerinin Zener uçlarındaki gerilim etkisini incelemek.

Teorik Bilgi : Zener Diyot ve Karakteristiği
Zener diyot, ters polarma altında çalışan ve gerilim regülasyonunda kullanılan diyot türüdür. Zener, ters gerilim altında diyottan akımın geçtiği duruma denir. Zener diyotlar ters kırılma bölgesinde çalışacak şekilde yapılmıştır.
Zener diyotlar doğru polarma altında kristal diyot özelliği gösterirler. Yani Germanyumdan yapılan 0,3 V da, Silisyumdan yapılan 0,7 V da iletime geçer.

Şekil 1/a da Zener diyot sembolleri, şekil 1-b de ters polarma bağlantısı (normal bağlantı), şekil 1/c de ise doğru polarma bağlantısı görülmektedir.

Şekil 1/a daki sembollerden genelde birincisi kullanılır. Şekil 1/b de 6 voltluk Zener kullanılmış ise VR ayarlı gerilim 6 volta ulaştığında Zener iletime geçer. Şekil 1/c de ise Zener diyot Silisyumdan yapılmış ise VR gerilimi 0,7 volta ulaştığında Zener iletime geçer,ok yönümde akım akmaya başlar.

Şekil 2 de Zener diyot akım-gerilim karakteristiği görülmektedir. Zener diyot devrede zener gerilimine eşit değerlikli bir batarya gibi davranmaktadır.

Şekil 2 deki karakteristikte akımın tam dik olarak değişmemesi Zenerin iç direncinden dolayıdır. Gerilim değişiminin(ΔVz), akım değişimine (Δ Iz) oranı Zenerin iç direncini verir.

Aynı şekilde şekil 3 de bir Zener diyoduna ait tipik I -V karakteristiği görülmektedir. Karakteristiğin geçirme yönündeki kısmı normal Silisyumlu diyottaki gibidir. Kapama yönündeki gerilim, normal diyotlardaki delinme gerilimine eşlik eden Zener devrilme gerilimi VBD ye erişinceye kadar hemen hemen sıfırdır.

VBD değerinden sonra akım aniden büyüdüğü halde, gerilim çok yavaş yükselir. Hatta yaklaşık hesaplar için gerilimin VBD değerinde kaldığını kabul edebiliriz. Bu özelliğinden dolayı Zener diyotundan sabit doğru gerilim elde etmek amacı ile yararlanılır. Diyot akımı, maksimum değer Izm yi aşmayacak şekilde dış devrede gerekli önlem alınmalıdır. Bu maksatla akım sınırlayıcı bir direnç devreye seri bağlanır.

Zener diyodu içinden IZ akımı geçerken uçlardaki zener gerilimi;

rz ye zener direnci denir. Her Zener diyoduna ait rz değeri imalatçı firma tarafından verilmiştir. Aslında karakteristik tam doğrusal olmadığından her Iz akımına,

olmak üzere farklı bir zener direnci isabet eder. Verilen rZ değeri,

akımındaki Zener direncidir. rz .Iz gerilim düşümü,VZ nin yanında çok küçük olduğundan yaklaşık hesaplar için VZ = VBD alınabilir.

Zener diyodunun gerilimi VZ ve Zener direnci rZ nin yanında, yüklenebileceği maksimum güç PDM belirtilmiştir. Diyottan geçirilebilecek maksimum akım,

den bulunabilir.

2,4 V dan 200 V ta kadar gerilimde ve 250 mW dan 50 mW ta kadar güçte Zener diyotları imal edilmektedir. Sabit doğru gerilim istenen hemen her yerde bu diyotlardan yaralanılmaktadır.

Regüle Devreleri

Doğrultma ve filtre işlemi ne kadar iyi olursa olsun aşağıdaki nedenlerden dolayı filtre çıkışındaki D.C akım ve gerilim değişir.

a) D.C çıkış gerilimi ve akım sabit iken yük değişirse D.C çıkış gerilimi de değişir.
b) Yük sabit iken şebeke gerilimi değişirse D.C çıkış gerilimi de değişir.

Gerilim karalılığı istenen tüm devrelerde yük akımı ve gerilimin kesinlikle değişmemesi istenir. Bu nedenle böyle devrelerde regüle devresi kullanılır. Regüle devreleri şebeke gerilimi ve yük değişmelerine karşılık yük akımını ve gerilimini sabit tutar.

Zener Diyodun Regülatör olarak Kullanılması

Zener diyotlar ters kırılma bölgesinde çalışacak şekilde imal edilirler. Zener, ters gerilim altında diyottan akımın geçtiği duruma denir.

Zener diyot üzerindeki gerilim kendi gerilim değerine ulaştığı zaman iletime geçer. Zener diyotlar devreye normal diyot gibi bağlanırsa Germanyumdan yapılanı 0,3 V, Silisyumdan yapılanı ise 0,7 voltta iletime geçer.

Şekil 4 de yük uçlarındaki gerilimin 9 voltta sabit olmasının istendiğini varsayalım.

O zaman 9 voltluk Zener diyot, ondan 3 volt fazla ,12 volt giriş gerilimi seçilir. Filtre devresi çıkışındaki regülesiz D.C gerilim 12 volt iken bu gerilimin 9 voltu Zener üzerine, 3 voltu RS üzerine düşer. Şayet giriş gerilimi 16 volta yükselirse bu gerilimin 9 voltu Zener üzerine, 7 voltu RS üzerine düşer.

Vgiriş gerilimi artınca IS de artacağından sabit RY ve RS de, IS deki artış ( IS = Iz + IY olduğundan ) zenerin dinamik direncinin azalarak Iz nin artmasına neden olur. IY sabit kalır. Yani IY artıkça, IZ artarak IY nin sabit kalmasını sağlar. Zener diyot yüke paralel olduğundan Ez = Vçıkış dır. Ez nin sabit kalması için de Ez = Iz – Rz de , Izartınca Rz azalır. Iz azalınca Rz artar. Böylece Zener diyot uçlarındaki Ez gerilimi, yani yük uçlarındaki Vçıkış gerilimi sabit kalır.

Zener diyot ile ilgili örnekler
Örnek 1 : BZY 83/C 20 tipi bir zener diyodunun gerilimi, maksimum gücü

PDM = 300 mW ve zener direnci rz= 40 Ω olarak verilmiştir.

a) İçinden geçirilebilecek maksimum akım Izm yi hesaplayınız

b) Iz = iken uçlarındaki gerilimin tam değerini bulunuz.

c) 30 V gerilim uygulanması halinde akımı 5 mA de sınırlamak için zener diyoduna seri bağlanacak direnç kaç ohm olmalıdır?

Çözüm:

c) Önce VBD = VZ olduğunu kabul edelim. 30 V = 20 V + 0,005 A.r

Şimdi de Vbd ≠ Vz olduğunu dikkate alarak aradaki farkı görelim.

30 V = r.0,005 A + 20 V + rZ .0,005 A
r =1960 Ω

karakteristiğinden yararlanarak zener diyoduna bağlanacak direncin bulunması

Görüldüğü gibi VBD VZ alınabilir. Hesaplanan dirençler arasındaki fark sadece %2 dir. Elimizde zener diyodunun I – V karakteristiğinin bulunması halinde seri bağlanacak direncin değerini grafik olarak da bulabiliriz. Karakteristik üzerindeki 5 mA noktası ile gerilim ekseni üzerindeki 30 V noktası birleştirilerek direnç doğrusu çizilir. Direnç doğrusunun akım eksenini kestiği noktadaki akım,

Örnek 2 : Şekildeki devrede A – B uçlan arasındaki doğru gerilim, alternatif akım şebekesindeki gerilim dalgalanmaları nedeni ile 15 V ile 20 V arasında değişmektedir. Alıcı gerilimi 12 V olup çektiği akım 0 ile 10 mA arasında değişmektedir. Devre en ekonomik olacak şekilde r direncinin değerini ve zener diyodunun gücünü hesaplayınız.

Küçük güçlü bir alıcı için sabit doğru gerilim elde edilmesi

Çözüm :

VAB = 20 V ve IA = 0 iken zener akımı maksimum, VAB = 15 V ve IA = 10 mA iken ise minimumdur.

Devrenin ekonomik olması için,

Iz = 0 seçilmelidir.

bulunur.

Zener diyottan geçecek maksimum akım,

Seçilecek 12 voltluk zener diyodunun maksimum gücü en az 320,04 mW olmalıdır.

Ayarlı Zener Diyot

Bu devre ile 3…25 voltluk ayarlanabilir bir zener diyot yapabiliriz. T1 transistörünün beyzindeki gerilim 0,6 voltu geçince T1 transistörü iletime geçer. Bunu takiben T2 transistörü iletime geçer ve aynı zener diyottaki gibi gerilim daha fazla yükselemez. Pl, Rl ve R2 arasındaki oran, devrenin zener gerilimini belirler.
Zener gerilimini ayarlarken devre, l0 K.ohm luk bir direnç üzerinden besleme gerilimine bağlanmalı ve P1 potansiyometresi zener gerilimi elde edinceye kadar ayarlanmalıdır. Devre, zener diyot olarak bir devreye bağlanacağı zaman 10 K.ohm luk direnç çıkarılır. Bu ayarlanabilir zenerde maksimum akım 100 mA dir.T2 transistörünün maksimum güç harcaması 100 mW tır.

Deneyin Yapılışı
Kullanılan Araç ve Gereçler:
1. Ayarlı Güç Kaynağı (0-15V)
2. Direnç 220 Ω
3. Potansiyometre : 1K
4. Avometre
5. Ayarlı Zener diyot devresi

Zener diyotlu regüle devresi şekildeki gibi kurulur. Deneyi çeşitli değerlerdeki zener diyotlarla tekrarlamak yerine ayarlı zener diyot kullanılabilir.

Devreye zener diyodun yerine ayarlı zener diyot devresi bağlanır. Avometre D.C volt kademesine alınır, (+) ucu ayarlı zener devresinin (+) ucuna, (-) ucu ayarlı zener devresinin (-) ucuna bağlanır. Ayarlı zener devresindeki P1 potansiyometresi zener gerilimi elde etmek için ayarlanır.

Devrede P2 potansiyometresinin uçlarına ohmmetre bağlanır. Belli bir zener gerilimi elde edilince P2 potansiyometresi yavaş yavaş arttırılır. Her artış kademesinde zener uçlarındaki gerilim kaydedilir. Avometre de okunan volt değeri zenerin gerilimine ulaştığında artık değişmediği gözlenir. Direnç değeri değişse bile artık gerilim sabit kaldığı görülür. Deney çeşitli değerlerdeki zener gerilimleri için tekrarlanır.

Sonuçlar :

R ->P2 potansiyometresinde okunan değer
V->ayarlı zener diyodun uçlarındaki potansiyel fark
Sorular
1. Zener ve zener gerilimi ne demektir?
2. Zener diyot hakkında bilgi veriniz.
3. Devredeki R direncinin görevini açıklayınız.
4. Filtre devrelerindeki D.C akım ve gerilim hangi nedenlerle değişir?
5. Regüle devrelerinin özellikleri nelerdir?

Cevaplar

1. Zener, ters gerilim altında diyottan akımın geçtiği duruma denir.

Zener diyot, doğru polarizasyon altında normal diyot özelliği gösterir. Ters polarizasyonda belirli bir gerilim değerine kadar yalıtkan, bu değerden sonra iletken olur. Zener diyodun iletime geçtiği ters gerilim değerine zener gerilimi denir.

2. Zener diyot, ters polarma altında çalışan ve gerilim regülasyonunda kullanılan diyot türüdür.

Zener diyotlar ters kırılma bölgesinde çalışacak şekilde yapılmıştır.
Zener diyotlar doğru polarma altında kristal diyot özelliği gösterirler. Örneğin Germanyumdan yapılan 0,3V da Silisyumdan yapılan 0,7 V da iletime geçer. Zener diyot üzerindeki gerilim kendi gerilim değerine ulaştığı zaman iletime geçer.

3. Zener diyot, regüle devresinde uygun değerde bir dirençle seri bağlanır.

Seri devreye uygulanan gerilim zener diyot geriliminden fazla olursa bu fazlalık seri direnç üzerinde düşer.

4. Doğrultma ve filtre işlemi ne kadar iyi olursa olsun aşağıdaki nedenlerden dolayı filtre çıkışındaki D.C akım ve gerilim değişir.

– D.C çıkış gerilimi ve akım sabit iken yük değişirse D.C çıkış gerilimi de değişir.
– Yük sabit iken şebeke gerilimi değişirse D.C. çıkış gerilimi de değişir.

5. Gerilim kararlılığı istenen tüm devrelerde yük akımı ve geriliminin kesinlikle değişmemesi istenir.

Böyle devrelerde regüle devresi kullanılır. Regüle devreleri şebeke gerilimi ve yük değişmelerine karşılık yük akımı ve gerilimi sabit tutar.