دیود زنر

دیود زنر یک دیود نیمه هادی جریان را در جهت معکوس مسدود می کند ، اما اگر ولتاژ معکوس بیش از حد زیاد شود از آسیب یا خرابی زودرس رنج می برد.

با این‌حال، دیود زنر یا‌”شکست تفکیک”،‌همان طور که گاهی اوقات اشاره می‌شود،‌اساسا مشابه با یک دیود اتصال استاندارد PN هستند.

اما به‌طور خاص طراحی شده‌اند تا ولتاژ شکست معکوس را داشته باشند که از‌هر ولتاژ معکوس اعمال‌شده به‌آن بهره می‌برد.

دیود زنر دقیقاً مانند یک دیود معمولی منظوره متشکل از یک اتصال PN سیلیکون رفتار می کند.

هنگامی که در جهت جلو بایاس شود ، یعنی آند نسبت به کاتد آن مثبت است.

دقیقاً مانند یک دیود سیگنال عادی که جریان نامی را عبور می دهد ، رفتار می کند.

با این حال، برخلاف یک دیود معمولی که هر گردش جریان از طریق خود را هنگامی که معکوس  می‌شود، مسدود می‌کند، به محض اینکه ولتاژ معکوس به یک مقدار از پیش تعیین‌شده برسد، دیود زنر در جهت معکوس انجام می‌شود.

این بدان دلیل است که وقتی ولتاژ معکوس اعمال شده روی دیود زنر از ولتاژ نامی دستگاه فراتر رود ، فرایندی به نام Avalanche Breakdown در لایه تخلیه نیمه هادی رخ می دهد و جریانی از دیود شروع به جریان می کند تا این افزایش ولتاژ را محدود کند.

جریانی که اکنون از طریق دیود زنر عبور می کند به طور چشمگیری به حداکثر مقدار مدار (که معمولاً توسط یک مقاومت سری محدود می شود) افزایش می یابد و پس از دستیابی ، این جریان اشباع معکوس در طیف وسیعی از ولتاژهای معکوس نسبتاً ثابت باقی می ماند.

ولتاژ زنر

به نقطه ولتاژ که ولتاژ دیود زنر در آن پایدار شود “ولتاژ زنر” گفته می شود.

(Vz) و برای دیودهای زنر این ولتاژ می تواند از کمتر از یک ولت تا چند صد ولت باشد.

در مرحله دوپینگ ساخت نیمه هادی دیودها ، نقطه ای که ولتاژ زنر جریان جریان را از طریق دیود ایجاد می کند ، می تواند بسیار دقیق کنترل شود (تا کمتر از 1٪ تحمل) که به دیود ولتاژ شکست خاص زنر ، (Vz) برای به عنوان مثال ، 4.3V یا 7.5V.

این ولتاژ شکست زنر در منحنی I-V تقریباً یک خط مستقیم عمودی است.

مشخصات دیود زنر I-V

دیود زنر در حالت “بایاس معکوس” یا حالت شکست معکوس استفاده می‌شود، یعنی دیود آند به منبع منفی متصل می‌شود.

از منحنی ویژگی‌I – V‌در‌ بالا،‌می‌توانیم ببینیم که دیود زنر با‌توجه به‌مقدار جریان‌جاری در دیود،‌دارای یک ولتاژ منفی ثابت است که‌تقریبا یک ولتاژ منفی ثابت‌دارد.

این ولتاژ حتی با تغییرات زیادی در جریان تقریباً ثابت باقی می ماند.

در حالی که جریان دیودهای زنر بین جریان شکست IZ (دقیقه) و حداکثر درجه جریان فعلی آن (حداکثر) باقی می‌ماند.

از این توانایی دیود زنر در‌کنترل خود می‌توان برای‌تنظیم یا تثبیت یک منبع‌ولتاژ در‌برابر تغذیه یا تغییرات بار استفاده کرد.

این واقعیت که ولتاژ دیود در منطقه شکست تقریباً ثابت است ، مشخصه مهم دیود زنر است.

زیرا می تواند در ساده ترین انواع برنامه های تنظیم کننده ولتاژ استفاده شود.

عملکرد یک تنظیم ‌کننده ولتاژ این است که یک ولتاژ خروجی ثابت به یک بار‌متصل به موازات آن با وجود موج در ولتاژ تغذیه یا تغییرات جریان بار ارائه دهد.

یک دیود زنر همچنان به‌تنظیم ولتاژ خود ادامه می‌دهد تا جایی‌که دیود های نگهدارنده جریان در زیر‌تجزیه معکوس به‌حداقل مقدار‌IZ‌(دقیقه)‌برسند.

تنظیم کننده دیود زنر

از دیودهای زنر می توان برای تولید ولتاژ خروجی تثبیت شده با موج کم در‌شرایط جریان بار متفاوت استفاده کرد.

با عبور جریان کوچکی از دیود از منبع ولتاژ ، از طریق مقاومت محدود کننده جریان مناسب (RS) ، دیود زنر جریان کافی را برای حفظ افت ولتاژ Vout هدایت می کند.

ما از آموزش های قبلی به یاد می آوریم که ولتاژ خروجی DC از یکسو کننده های نیمه موج یا کامل شامل موج هایی است که روی ولتاژ DC قرار گرفته اند و با تغییر مقدار بار ، میانگین ولتاژ خروجی نیز تغییر می کند.

با اتصال یک‌مدار تثبیت‌کننده زنر ساده همانطور که در زیر در‌خروجی یکسوساز نشان داده‌شده است‌، می‌توان ولتاژ خروجی پایدارتری تولید‌کرد.

تنظیم کننده دیود زنر

مقاومت‌،‌RS به‌طور سری با دیود زنر متصل می‌شود تا گردش‌جریان را از‌طریق دیود با منبع ولتاژ محدود کند‌،‌VS‌در‌سراسر ترکیب متصل‌شود.

ولتاژ خروجی تثبیت شده Vout از آن طرف دیود زنر گرفته می شود.

دیود زنر به ترمینال کاتدی خود متصل به ریل مثبت منبع تغذیه DC متصل است‌، بنابراین مغناطیسی معکوس دارد و در شرایط خرابی کار خواهد کرد.

مقاومت RS برای محدود کردن حداکثر گردش جریان در مدار انتخاب شده است.

بدون اتصال بار به مدار‌،‌جریان بار صفر خواهد بود‌(0 = IL)‌و تمام جریان مدار از دیود زنر عبور می‌کند که در‌نتیجه حداکثر توان خود را از بین می‌برد.

همچنین مقدار‌کمی از مقاومت سری RS در‌هنگام اتصال مقاومت RL و بزرگ بودن باعث ایجاد جریان دیود بیشتر می‌شود .

زیرا این امر باعث افزایش اتلاف توان دیود می شود بنابراین باید در انتخاب مقدار مناسب مقاومت سری دقت شود.

که تحت این شرایط بدون بار یا امپدانس بالا ، از حداکثر درجه قدرت zener فراتر نرود.

بار به‌صورت موازی با دیود زنر وصل می‌شود‌، بنابراین ولتاژ RL همیشه با ولتاژ زنر یکسان است (VR = VZ).

حداقل جریان زنر وجود دارد که تثبیت ولتاژ برای آن مثر است و جریان زنر باید همیشه بالای این مقدار باقی بماند و در منطقه خرابی خود تحت بار کار کند.

حد بالای جریان البته به میزان قدرت دستگاه بستگی دارد. ولتاژ تغذیه VS باید بیشتر از VZ باشد.

یک مشکل کوچک در مدارهای تثبیت کننده دیود زنر این است که دیود در برخی مواقع که می تواند ولتاژ را تثبیت کند ، می تواند نویز الکتریکی را در بالای منبع تغذیه تولید کند.

به طور معمول این برای اکثر برنامه ها مشکلی ایجاد نمی کند.

اما اضافه‌کردن یک خازن جدا کننده بزرگ مقدار در خارج از خروجی زنر ممکن‌است برای صاف کردن اضافی مورد‌نیاز باشد.

سپس کمی خلاصه کنم. یک دیود زنر همیشه در شرایط مغرضانه معکوس خود کار می کند.

بدین ترتیب می توان یک مدار تنظیم کننده ولتاژ ساده را با استفاده از یک دیود zener طراحی کرد.

تا ولتاژ خروجی DC ثابت در بار را با وجود تغییرات در ولتاژ ورودی یا تغییرات جریان بار‌، حفظ کند.

تنظیم کننده ولتاژ زنر متشکل از یک مقاومت محدود کننده جریان RS است که به صورت سری با ولتاژ ورودی VS با دیود زنر به موازات بار RL در این شرایط مغرض معکوس متصل می شود.

ولتاژ خروجی تثبیت شده همیشه برابر با ولتاژ شکست VZ دیود انتخاب می شود.

مثال شماره 1 دیود زنر

یک منبع تغذیه تثبیت شده 5.0 ولت لازم است تا از منبع ورودی منبع تغذیه 12 ولت DC تولید شود.

حداکثر درجه قدرت PZ دیود زنر 2 وات است. با استفاده از مدار تنظیم کننده دیود زنر در بالا محاسبه کنید:

آ) حداکثر جریان عبوری از دیود زنر.

ب) حداقل مقدار مقاومت سری ، RS

ج) اگر مقاومت بار 1kΩ از طریق دیود زنر متصل شود ، IL جریان دارد.

د) گردش جریان زنر در بار کامل.

ولتاژ دیود زنر

علاوه‌بر‌تولید یک‌خروجی ولتاژ ثابت‌،‌دیود زنر همچنین می‌توانند به‎صورت سری‌بهمراه دیودهای سیگنال سیلیکونی متصل‌شوند تا‌انواع مختلف‌خروجی ولتاژ مرجع‌را به‌صورت زیر نشان‌دهند.

دیودهای زنر به صورت سری متصل می شوند

مقادیر دیودزنر های منفرد را می توان متناسب با کاربرد انتخاب کرد در حالیکه دیود سیلیکون در شرایط بایاس رو به جلو همیشه حدود 0.6 – 0.7 ولت کاهش می یابد.

ولتاژ تغذیه‌، Vin البته باید بالاتر از بزرگترین ولتاژ مرجع خروجی باشد و در‌مثال ما در‌بالا این ولتاژ 19v است.

یک دیود زنر معمولی برای مدارهای‌الکترونیکی عمومی‌،‌سری 500mW ، BZX55 یا بزرگتر 1.3W ، سری BZX85 در‌صورت ولتاژ زنر است.

به عنوان مثال ، C7V5 برای یک دیود 7.5V که یک شماره مرجع دیود BZX55C7V5 ارائه می دهد.

سری 500mW دیود زنر ها از حدود 2.4 تا حدود 100 ولت در دسترس هستند.

معمولاً دارای‌همان توالی مقادیری هستند که برای سری مقاومت 5٪‌(E24)‌استفاده‌می شود که دارای‌درجه ولتاژ فردی‌برای این دیود های کوچک اما بسیار‌مفید‌است.

جدول زیر:

ولتاژهای زنر استاندارد دیود زنر

BZX55 Zener Diode Power Rating 500mW
2.4V	2.7V	3.0V	3.3V	3.6V	3.9V	4.3V	4.7V
5.1V	5.6V	6.2V	6.8V	7.5V	8.2V	9.1V	10V
11V	12V	13V	15V	16V	18V	20V	22V
24V	27V	30V	33V	36V	39V	43V	47V
BZX85 Zener Diode Power Rating 1.3W
3.3V	3.6V	3.9V	4.3V	4.7V	5.1V	5.6	6.2V
6.8V	7.5V	8.2V	9.1V	10V	11V	12V	13V
15V	16V	18V	20V	22V	24V	27V	30V
33V	36V	39V	43V	47V	51V	56V	62V

مدارهای قطع کننده دیود زنر

تاکنون ما بررسی کرده ایم که چگونه می توان از یک دیودزنر برای تنظیم منبع DC ثابت استفاده کرد.

اما اگر سیگنال ورودی حالت ثابت DC نبود بلکه شکل موج متناوب AC داشت ، دیود زنر چگونه به سیگنالی که دائماً تغییر می کند واکنش نشان می دهد ، چه می شود.

مدارهای گیره دار یا مهار شده ، مدارهایی هستند که برای شکل دادن یا اصلاح شکل موج AC ورودی (یا هر سینوسی) مورد استفاده قرار می گیرند که بسته به چینش مدار ، شکل موج خروجی با شکل متفاوت ایجاد می کند.

مدارهای قطع‌کننده دیود را محدود‌کننده نیز می‌نامند زیرا آنها قسمت مثبت‌(یا منفی)‌سیگنال AC ورودی را محدود یا از بین می‌برند.

از آنجا که مدارهای گیرنده دیودزنر باعث کاهش یا قطع بخشی از شکل موج در سرتاسر آنها می شوند ، عمدتا برای محافظت از مدار یا در مدارهای شکل دادن به شکل موج استفاده می شوند.

به عنوان مثال:

اگر می خواهیم شکل موج خروجی را با ولتاژ 7.5 ولت قطع کنیم‌،‌از یک دیود زنر‌ 7.5 ولت استفاده خواهیم کرد.

اگر شکل موج خروجی سعی کند از حد 7.5 ولت فراتر رود ، دیود زنر ولتاژ اضافی ورودی را “قطع” می کند و تولید یک شکل موج با یک صفحه صاف می کند و خروجی را در 7.5 ولت ثابت نگه می دارد.

توجه داشته باشید که در شرایط بایاس جلو ، یک دیود زنر هنوز یک دیود است.

هنگامی که خروجی شکل موج AC به زیر -0.7 ولت منفی می رسد ، دیود زنر مانند هر دیود سیلیکونی معمولی “روشن” می شود و خروجی را -0.7 ولت می کند همانطور که در زیر نشان داده شده است:

سیگنال موج مربعی

دیود زنر های متصل به‌پشت می‌توانند به‌عنوان تنظیم کننده متناوب AC تولید کنند که به شوخی‌”مولد موج مربع ضعیف” نامیده می‌شود.

با استفاده از این ترتیب می توان شکل موج بین مقدار مثبت 8.2V + و مقدار منفی 8/8 ولت را برای یک دیود زنر 7.5 ولت کلیپ کرد.

بنابراین به عنوان مثال ، اگر بخواهیم یک شکل موج خروجی را بین دو مقدار مختلف حداقل و حداکثر مثلاً + 8 ولت و -6 ولت قطع کنیم ، به سادگی از دو دیود‌زنر دارای امتیاز متفاوت استفاده خواهیم کرد.

توجه داشته باشید که خروجی به دلیل اضافه شدن ولتاژ دیود بایاس جهت جلو ، شکل موج AC را بین 8.7 ولت + و -6.7 ولت قطع می کند.

به عبارت دیگر:

ولتاژ پیک به اوج 15.4 ولت به جای انتظار 14 ولت است.

زیرا افت ولتاژ بایاس به جلو در دیود ، 0.7 ولت دیگر را در هر جهت اضافه می کند.

این نوع پیکربندی کلیپر برای محافظت از مدار الکترونیکی از ولتاژ بیش از حد معمول است.

این دو زنر به طور کلی روی پایانه های ورودی منبع تغذیه قرار می گیرند.

در هنگام کار عادی ، یکی از دیود زنر “خاموش” است و دیودها تأثیر کمی دارند یا هیچ تاثیری ندارند.

با این حال ، اگر شکل موج ولتاژ ورودی بیش از حد مجاز خود باشد ، zener را روشن کرده و ورودی را برای محافظت از مدار ببندید.

در آموزش بعدی در مورد دیود ها‌، ما به استفاده از اتصال PN بایاس یک دیود برای تولید نور خواهیم پرداخت.

ما از آموزش های قبلی می دانیم که وقتی حامل های بار از طریق محل اتصال حرکت می کنند ، الکترون ها با سوراخ ترکیب می شوند و انرژی به شکل گرما از بین می رود ، اما همچنین مقداری از این انرژی به صورت فوتون پراکنده می شود اما ما نمی توانیم آنها را ببینیم.

اگر یک لنز شفاف در‌اطراف محل اتصال قرار دهیم‌، نور مرئی تولید می‌شود و دیود به منبع نور تبدیل می‌شود.

این اثر نوع دیگری از دیود را تولید می کند که به عنوان دیود ساطع کننده نور شناخته می شود

از این ویژگی برای تولید نور (فوتون ها) در انواع رنگها و طول موج ها بهره می برد.