دیودها انواع گوناگون با کاربردهای متنوعی دارند که یکی از انواع خاص و پر استفاده آن ها دیود زنر است.
این دیود نوع خاصی از دیود است که برخلاف دیود های عادی جریان را در دو جهت عبور می دهد و این موضوع علتی است برای پر استفاده شدن این قطعه در مدارهای الکترونیکی.
در این مقاله و با مشاهده ویدیو با هم بررسی می کنیم که این نوع دیود چه ویژگی ها، انواع و کاربردهایی دارد؟
۱- دیود زنر چیست؟
دیود زنر (Zener diode) یک وسیله نیمه هادی سیلیکونی است که به جریان اجازه می دهد رو به جلو و یا در جهت برعکس حرکت کند.
دیود زنر هم مثل یک دیود نیمه هادی عادی جهت جریان را به یک سمت هدایت می کند؛ اما خصوصیت منحصر به فرد آن، این است که وقتی ولتاژ به یک مقدار مشخص (ولتاژ شکست) می رسد به جریان اجازه می دهد که در جهت معکوس نیز حرکت کند.
این خاصیت در سال 1915 توسط کلارنس زنر کشف شد و دیود زنری ساخته شد، به همین دلیل این نام را برای آن انتخاب کردند.
۲- مشخصات دیود زنر
عموما دیودها از دو نیمه هادی ساخته می شوند که با فرآیندهای اتمی به نیمه هادی های دارای ناخالصی تبدیل شده اند.
به هر یک از نیمه هادی ها ناحیه N و P گفته می شود که نیمه رسانای p شامل جای خالی الکترون است که به تعبیری بار مثبت دارد و به آن حفره گفته می شود و نیمه رسانای n دارای الکترون اضافه است.
این دو نیمه رسانا به هم متصل می شوند و یک پیوند PN یا PN junction را تشکیل می دهند.
طراحی دیودهای زنر هم مانند دیودهای معمولی از یک پیوند PN است با این تفاوت که ناخالصی های موجود در ناحیه ها بسیار بیشتر است.
به همین دلیل ناحیه تهی و یا تخلیه در این دیودها عرض بسیار کمی دارد و با اعمال اندکی ولتاژ منفی قابل شکسته شدن است.
این دیودها به طور کلی به گونه ای طراحی شده اند که در حالت بایاس معکوس کار کنند تا در ولتاژ شکست، جریان معکوس ایجاد کنند تا ولتاژ پایدار داشته باشیم.
مقدار ولتاژ شکست وابسته به عرض ناحیه تهی است که بر اساس میزان ناخالصی موجود در نیمه هادی ها متفاوت است.
همان طور که در نمودار زیر می بینید، بعد از اینکه ولتاژ شکست به دیود زنر اعمال شود، مقدار جریان از (Iz(min تا (Iz(max تغییر چندانی ندارد و تقریبا مقدار آن ثابت در نظر گرفته می شود و در ولتاژ ثابت شکست این مقدار جریان در مدار دیود جاری خواهد شد.
ولتاژ زنر به نام های دیگری مانند موارد زیر شناخته می شود:
- ولتاژ شکست
- ولتاژ زانویی
رنج دیود زنر در بازه 2.4 تا 220 ولت می تواند متغیر باشد.
۲-۱- جدول دیود زنر
این قطعه ها نیز مانند تمامی قطعات و تجهیزات الکترونیکی همواره دارای دیتاشیت هستند.
اطلاعات مشخصات الکتریکی زنر معمولا در یک جدول مشابه تصویر زیر ارائه می شود که مقادیر مشخص آن برای انواع خانواده این دیودها متفاوت است.
دیودهای زنر ممکن است با اسامی خانواده های زیر تولید شده و در بازار موجود باشند:
- 1Nnnnn
- BZXnnCnVn
- BZYnnCnVn
که در آن ها در مدل های متفاوت به جای حروف n یک عدد قرار می گیرد که نشانگر یک نوع خاص از این خانواده است.
۳- بایاس مستقیم zener
دیود زنر هم همانند دیودهای معمولی در بایاس مستقیم عمل می کند.
به این صورت که اگر سر مثبت منبع تغذیه به سر مثبت دیود (آند) و سر منفی منبع به سر منفی دیود (کاتد) متصل شوند، این دیود تنها جریان را در جهت معمول از آند به کاتد خودش عبور خواهد داد.
۴- بایاس معکوس zener
برخلاف دیودهای معمولی که در ناحیه بایاس معکس ولتاژ شکست آسیب می بینند، دیود زنر در این شرایط کار می کند.
بایاس معکوس زمانی رخ می دهد که این دیود ها به صورت موازی به یک منبع ولتاژ متغیر متصل می شوند و سرهای این دیود و منبع به صورت نامتقارن (مثبت منبع به منفی دیود و بلعکس) متصل است.
وقتی دیود در شرایط بایاس معکوس قرار می گیرد تا زمانی که ولتاژ دو سر آن از میزان نوشته شده روی دیود بیشتر نشود، دیود نمی تواند جریان را عبور دهد.
وقتی ولتاژ به ولتاژ معکوس شکست دیود برسد، این دیود جریان را هدایت می کند.
ساختار دیود بهمنی (Avalanche) هم شبیه به این نوع دیود است.
این دیودها طراحی شدند که در یک ولتاژ بایاس معکوس مشخص عمل کنند و هم چنین بهینه شده اند تا این کار را با توجه به مقدار کم اما معنی دار افت ولتاژ، در شرایط شکست مد نظر شما، انجام دهند.
۵- انواع دیود زنر
با توجه به اینکه ساختار درونی دیود زنر بررسی شد، احتمالا شما هم متوجه شده اید که دیودهای زنر که خود یکی از انواع ویژه خانواده Diode ها هستند انواع متنوعی نخواهند داشت.
اما تفاوت اصلی میان دیودهای زنر موجود در بازار در پارامترها و مشخصات آن ها وجود دارد که در هنگام خرید این دیود باید به آن ها به خوبی توجه داشته باشیم.
عدم شناخت زنر مناسب مدار طراحی شده ممکن است باعث آسیب دیدگی خود قطعه و حتی مدار اصلی شود.
- ولتاژ نامی (Nominal Voltage): همان ولتاژ شکست دیود زنر است که مهم ترین پارامتر انتخاب یک زنر می باشد.
- اتلاف توان (Power Dissipation): نمایشگر بیشینه مقدار توانی که برای زنر با توجه به جریان عبوری، قابل تحمل است.
- جریان راه انداز مستقیم (Forward drive current): مقدار موردنیاز جریان بایاس مستقیم برای شروع به کار دیود در بازه خطی ولتاژ-جریان است.
- ولتاژ مستقیم (Forward voltage): مقدار ولتاژ بایاس مستقیم اعمال شده برای شروع ناحیه کار خطی که معمولا بین 0.3 تا 0.7 ولت است.
- نوع بسته بندی (Packaging type): انواع متریال بدنه مثل شیشه، پلاستیک و... ممکن است به کار برده شوند و همچنین ممکن است به صورت پکیج های اس ام دی یا دیپ عرضه شوند.
- ماکزیمم جریان بایاس معکوس (Maximum Reverse Current): بیشینه جریان قابل تحمل برای دیود زنر در بایاس معکوس است.
۶- کاربرد دیود زنر
چون افت ولتاژ معمولا در این دیود ثابت است، این دیود ها برای تنظیم ولتاژ استفاده می شوند.
از کاربردهای اصلی دیود زنر می توان به موارد زیر اشاره کرد:
۶-۱- برش دهنده شکل موج (Waveform clipper)
اگر در سر راه یک منبع تغذیه متناوب، دو دیود زنر را پشت به پشت هم مطابق شکل زیر ببندیم.
شکل موج ولتاژ دو سر آن در نقاط ولتاژ شکست دیودها برش خورده و قله های موج ورودی به مدار حذف می شود.
در شکل زیر خروجی این مدار را می بینید.
از این روش علاوه بر تغییر شکل موج یک منبع، برای حذف قله های ناخواسته ایجاد در ورودی یک مدار استفاده می شود.
۶-۲- رگولاتور ولتاژ (Voltage regulator)
در مدارهای تنظیم کننده ولتاژ (مثل رگولاتور خطی) از دیود زنر به عنوان تثبیت کننده مقدار ولتاژ استفاده می شود.
که خروجی این مدار به شکل زیر است.
۶-۳- شیفت دهنده ولتاژ (Voltage shifter)
یکی دیگر از کاربردهای مهم، استفاده از آن برای شیفت دادن مقدار ولتاژ های DC است.
به این صورت که مدارهای مقاومتی، با قرار دادن دیود زنر بر سر راه ورودی مدار، مقدار ولتاژ اعمال شده به مقاومت به اندازه ولتاژ شکست دیود تغییر پیدا می کند.
و خروجی آن به این شکل خواهد بود.
