دیود زنر چیست

مقدمه: 

دیود زنر یا “دیود شکست”، همان‌طور که گاهی اوقات نیز به آن‌ها اشاره می‌شود، اساساً همان دیودهای اتصال PN استاندارد هستند، به‌جز اینکه آن‌ها به‌طور ویژه برای داشتن یک ولتاژ معکوس پایین و مشخص طراحی‌شده‌اند که از هر ولتاژ معکوس اعمال‌شده به آن استفاده می‌کند.در جهت بایاس روبه‌جلو، یعنی آند نسبت به کاتد خود مثبت‌تر است، یک دیود زنر مانند یک دیود اتصال معمولی رفتار می‌کند زمانی که ولتاژ جلویی VF در سراسر دیود از 0.7 ولت (سیلیکون) فراتر می‌رود و باعث هدایت دیود زنر می‌شود. در این سری از مقالات اسکای تک به بررسی دیود زنر می پردازیم .

 جریان روبه‌جلو که از طریق دیود رسانا می‌گذرد در حداکثر آن تنها توسط بار متصل تعیین می‌شود؛ بنابراین در جهت بایاس روبه‌جلو، زنر مانند یک دیود معمولی در محدوده جریان و/یا توان مشخص‌شده خود رفتار می‌کند و به‌این‌ترتیب، ویژگی‌های روبه‌جلو یک دیود زنر معمولاً موردتوجه نیست. بااین‌حال، برخلاف یک دیود معمولی که در هنگام بایاس معکوس، هر جریانی را از طریق خود مسدود می‌کند، یعنی کاتد مثبت‌تر از آند می‌شود، به‌محض اینکه ولتاژ معکوس به مقدار از پیش تعیین‌شده برسد، دیود زنر شروع به هدایت در دیود می‌کند.

ازآنجایی‌که یک دیود زنر برای کار در ناحیه شکست معکوس منحنی مشخصه خود طراحی‌شده است، آن‌ها دارای یک ولتاژ شکست ثابت، مقدار VZ هستند که در طول ساخت تعیین می‌شود. با افزایش ولتاژ معکوس در دیود زنر از 0 ولت به ولتاژ شکست زنر، جریان معکوس یا نشتی کوچکی از دیود عبور می‌کند که با افزایش ولتاژ معکوس نسبتاً ثابت می‌ماند.

هنگامی‌که ولتاژ معکوس اعمال‌شده در دیود زنر از ولتاژ نامی دستگاه فراتر رفت، فرآیندی به نام شکست زنر در لایه تخلیه نیمه‌هادی رخ می‌دهد و جریانی شروع به عبور از دیود می‌کند تا این افزایش ولتاژ را محدود کند. جریانی که اکنون از دیود زنر می‌گذرد به‌طور چشمگیری به حداکثر مقدار مدار خود (که معمولاً توسط یک مقاومت سری محدود می‌شود) افزایش می‌یابد.

هنگامی‌که خرابی زنر رخ می‌دهد، افت ولتاژ در سراسر دیود نسبتاً ثابت می‌ماند، حتی اگر جریان زنر، IZ از طریق آن به‌طور قابل‌توجهی متفاوت باشد. نقطه ولتاژی که در آن ولتاژ در دیود زنر پایدار می‌شود، “ولتاژ زنر” (VZ) نامیده می‌شود.

برای دیودهای زنر، این مقدار ولتاژ شکست می‌تواند از چند ولت تا چند صد ولت متغیر باشد. نقطه‌ای که در آن ولتاژ زنر جریان را برای عبور از دیود تحریک می‌کند را می‌توان با دقت بسیار دقیق (باتحمل کمتر از 1٪) در مرحله دوپینگ ساخت نیمه‌هادی دیودها کنترل کرد که به دیود یک ولتاژ شکست خاص زنر (VZ) می‌دهد. به عنوان مثال، 4.3 ولت یا 7.5 ولت. این ولتاژ شکست زنر در منحنی I-V تقریباً یک خط مستقیم عمودی است.

 ویژگی‌های Zener Diode I-V:

دیود زنر در حالت “بایاس معکوس” یا حالت شکست معکوس استفاده می‌شود، یعنی آند دیودها به منبع منفی متصل می‌شود. از منحنی مشخصه‌های I-V در بالا، می‌بینیم که دیود زنر دارای ناحیه‌ای در ویژگی‌های بایاس معکوس خود تقریباً یک ولتاژ منفی ثابت است، صرف‌نظر از مقدار جریانی که از دیود می‌گذرد. این ولتاژ حتی با تغییرات زیاد در جریان تقریباً ثابت می‌ماند تا جریان دیودهای زنر بین جریان شکست IZ(min) و حداکثر امتیاز جریان آن IZ(max) باقی بماند.

این توانایی دیود زنر برای کنترل خود می‌تواند برای تنظیم یا تثبیت یک منبع ولتاژ در برابر تغییرات منبع یا بار بسیار مؤثر باشد. این واقعیت که ولتاژ در سراسر دیود در ناحیه شکست تقریباً ثابت است، مشخصه مهم دیود زنر است زیرا می‌توان از آن در ساده‌ترین انواع برنامه‌های تنظیم‌کننده ولتاژ استفاده کرد. عملکرد یک رگولاتور ولتاژ ارائه ولتاژ خروجی ثابت به بار متصل به‌موازات آن باوجود امواج ولتاژ تغذیه یا تغییرات در جریان بار است. یک دیود زنر به تنظیم ولتاژ خود ادامه می‌دهد تا زمانی که دیودهای نگهدارنده جریان از حداقل مقدار IZ(min) در ناحیه شکست معکوس پایین بیایند.

رگولاتور دیود زنر:

  دیودهای زنر را می‌توان برای تولید یک خروجی ولتاژ تثبیت‌شده با ریپل کم تحت شرایط فعلی بار استفاده کرد. با عبور جریان کمی از دیود از منبع ولتاژ، از طریق یک مقاومت محدودکننده جریان مناسب (RS)، دیود زنر جریان کافی برای حفظ افت ولتاژ Vout را هدایت می‌کند. ما میدانیم که ولتاژ خروجی DC از یکسو کننده‌های نیمه یا تمام موج حاوی امواجی است که بر روی ولتاژ DC قرار می‌گیرد و با تغییر مقدار بار، ولتاژ خروجی متوسط نیز تغییر می‌کند. بااتصال یک مدار تثبیت‌کننده ساده زنر همان‌طور که در زیر نشان داده‌شده است در سرتاسر خروجی یکسوساز، ولتاژ خروجی پایدارتری را می‌توان تولید کرد.

مقاومت، RS به‌صورت سری به دیود زنر متصل می‌شود تا جریان را از طریق دیود با منبع ولتاژ محدود کند، VS در سراسر ترکیب وصل می‌شود. ولتاژ خروجی تثبیت‌شده Vout از سراسر دیود زنر گرفته می‌شود.دیود زنر با ترمینال کاتدی خود متصل به ریل مثبت منبع DC است، بنابراین بایاس معکوس است و در شرایط خرابی خود کار خواهد کرد. مقاومت RS برای محدود کردن حداکثر جریان در مدار انتخاب‌شده است.

بدون اتصال بار به مدار، جریان بار صفر خواهد بود (IL = 0) و تمام جریان مدار از دیود زنر عبور می‌کند که به‌نوبه خود حداکثر توان آن را تلف می‌کند. همچنین مقدار کمی از مقاومت سری RS منجر به جریان دیود بیشتر در هنگام اتصال مقاومت بار RL و بزرگ‌تر می‌شود، زیرا این امر نیاز به اتلاف توان دیود را افزایش می‌دهد، بنابراین هنگام انتخاب مقدار مناسب مقاومت سری باید دقت شود؛ که در این شرایط بی باری یا امپدانس بالا از حداکثر توان زنر تجاوز نمی‌شود.

بار به‌صورت موازی با دیود زنر وصل می‌شود، بنابراین ولتاژ در سراسر RL همیشه با ولتاژ زنر یکسان است (VR = VZ). حداقل جریان زنر وجود دارد که تثبیت ولتاژ برای آن موثر است و جریان زنر باید همیشه بالاتر از این مقدار باقی بماند که تحت بار در منطقه شکست خود عمل کند. حد بالایی جریان البته به درجه قدرت دستگاه بستگی دارد. ولتاژ تغذیه VS باید بیشتر از VZ باشد. یکی از مشکلات کوچک مدارهای تثبیت‌کننده دیود زنر این است که دیود گاهی اوقات می‌تواند نویز الکتریکی در بالای منبع DC ایجاد کند، زیرا سعی می‌کند ولتاژ را تثبیت کند.

معمولاً این مشکل برای اکثر برنامه‌ها نیست، اما ممکن است برای هموارسازی بیشتر، به‌اضافه کردن یک خازن جداکننده باارزش زیاد در خروجی زنر نیاز باشد. سپس کمی خلاصه کنم. یک دیود زنر همیشه در شرایط بایاس معکوس خود کار می‌کند.

به‌این‌ترتیب یک مدار تنظیم‌کننده ولتاژ ساده را می‌توان با استفاده از دیود زنر برای حفظ ولتاژ خروجی DC ثابت در سرتاسر بار طراحی کرد، علی‌رغم تغییرات در ولتاژ ورودی یا تغییرات در جریان بار. تنظیم‌کننده ولتاژ زنر شامل یک مقاومت محدودکننده جریان RS است که به‌صورت سری با ولتاژ ورودی VS و دیود زنر به‌موازات بار RL در این شرایط بایاس معکوس متصل شده است. ولتاژ خروجی تثبیت‌شده همیشه به‌عنوان ولتاژ شکست VZ دیود انتخاب می‌شود.

ولتاژ دیود زنر:

علاوه بر تولید یک خروجی ولتاژ تثبیت‌شده، دیودهای زنر همچنین می‌توانند به‌صورت سری به همراه دیودهای سیگنال سیلیکونی معمولی به یکدیگر متصل شوند تا مقادیر مختلف خروجی ولتاژ مرجع را مطابق شکل زیر تولید کنند.

دیودهای زنر متصل به سری:

مقادیر تک دیودهای زنر را می‌توان متناسب با کاربرد انتخاب کرد درحالی‌که دیود سیلیکون همیشه در شرایط بایاس روبه‌جلو حدود 0.6 تا 0.7 ولت کاهش می‌یابد. البته ولتاژ منبع تغذیه Vin باید بالاتر از بزرگ‌ترین ولتاژ مرجع خروجی باشد و در مثال ما در بالا این 19 ولت است. یک دیود زنر معمولی برای مدارهای الکترونیکی عمومی، سری 500 میلی‌وات، سری BZX55 یا سری‌های بزرگ‌تر 1.3 وات، BZX85 است که ولتاژ زنر به‌عنوان مثال، C7V5 برای یک دیود 7.5 ولتی داده می‌شود که شماره مرجع دیود BZX55C7V5 را می‌دهد.

سری 500 میلی‌وات دیودهای زنر از حدود 2.4 تا حدود 100 ولت در دسترس هستند و معمولاً دارای همان توالی مقادیری هستند که برای سری مقاومت‌های 5 درصد (E24) استفاده می‌شود با رتبه‌بندی‌های ولتاژ جداگانه برای این دیودهای کوچک اما بسیار مفید در جدول زیر آورده شده است. 

دیود زنر ولتاژ استاندارد زنر:

مدارهای برش (Clipping) زنر:

  تا اینجا ما به نحوه استفاده از دیود زنر برای تنظیم یک منبع DC ثابت نگاه کرده‌ایم، اما اگر سیگنال ورودی DC حالت ثابت نبود، بلکه یک‌شکل موج متناوب AC بود، دیود زنر چگونه به سیگنال دائما در حال تغییر واکنش نشان می‌داد. مدارهای گیره و گیره دیود مدارهایی هستند که برای شکل دادن یا تغییر شکل موج AC ورودی (هر سینوسی) استفاده می‌شوند و بسته به آرایش مدار، شکل موج خروجی متفاوتی تولید می‌کنند.

مدارهای کلیپر دیود را محدودکننده نیز می‌نامند زیرا قسمت مثبت (منفی) سیگنال AC ورودی را محدود یا قطع می‌کنند. ازآنجایی‌که مدارهای گیره زنر قسمتی از شکل موج را در سراسر خود محدود یا قطع می‌کنند، عمدتاً برای حفاظت مدار یا در مدارهای شکل‌دهنده شکل موج استفاده می‌شوند.

برای مثال، اگر بخواهیم یک‌شکل موج خروجی را در +7.5 ولت قطع کنیم، از زنر 7.5 ولت استفاده می‌کنیم. اگر شکل موج خروجی سعی کند از حد 7.5 ولت تجاوز کند، دیود ولتاژ اضافی ورودی را «قطع» می‌کند و شکل موجی با بالای صاف که همچنان خروجی را روی 7.5+ ثابت نگه می‌دارد، تولید می‌کند. توجه داشته باشید که در شرایط بایاس روبه‌جلو، یک دیود زنر همچنان یک دیود است و زمانی که خروجی شکل موج AC به زیر 0.7- ولت منفی می‌شود، دیود زنر مانند هر دیود سیلیکونی معمولی روشن می‌شود و خروجی را در 0.7- ولت می‌بندد. 

سیگنال موج مربعی:

دیودهای زنر متصل پشت به پشت می‌توانند به‌عنوان یک تنظیم‌کننده AC استفاده شوند. با استفاده از این چیدمان می‌توانیم شکل موج را بین مقدار مثبت 8.2 ولت و مقدار منفی 8.2 ولت برای دیود زنر 7.5 ولت قرار دهیم؛ بنابراین، برای مثال، اگر بخواهیم یک‌شکل موج خروجی را بین دو مقدار حداقل و حداکثر مختلف مثلاً 8+ و 6 ولت برش دهیم، به‌سادگی از دو دیود زنر با رتبه‌بندی متفاوت استفاده می‌کنیم.

توجه داشته باشید که خروجی به دلیل اضافه شدن ولتاژ دیود بایاس روبه‌جلو، درواقع شکل موج AC را بین 8.7+ و 6.7- ولت می‌کند. به‌عبارت‌دیگر ولتاژ پیک به پیک 15.4 ولت به‌جای 14 ولت مورد انتظار، زیرا افت بایاس روبه‌جلو ولتاژ در سراسر دیود 0.7 ولت دیگر در هر جهت اضافه می‌کند. این نوع پیکربندی کلیپر برای محافظت از مدار الکترونیکی در برابر ولتاژ بیش از حد معمول است.

دو زنر معمولاً در سرتاسر پایانه‌های ورودی منبع تغذیه قرار می‌گیرند و در حین کارکرد عادی، یکی از دیودهای زنر خاموش است و دیودها تأثیر کمی دارند یا هیچ تأثیری ندارند. بااین‌حال، اگر شکل موج ولتاژ ورودی از حد خود فراتر رفت، زنر «روشن» شده و ورودی را برای محافظت از مدار ببندید. در آموزش بعدی در مورد دیودها، به استفاده از اتصال PN بایاس روبه‌جلو یک دیود برای تولید نور خواهیم پرداخت. ما میدانیم که وقتی حامل‌های بار در سراسر محل اتصال حرکت می‌کنند، الکترون‌ها با حفره‌ها ترکیب می‌شوند و انرژی به شکل گرما از بین می‌رود، اما مقداری از این انرژی به‌صورت فوتون تلف می‌شود اما نمی‌توانیم آن‌ها را ببینیم.

اگر یک عدسی شفاف در اطراف محل اتصال قرار دهیم، نور مرئی تولید می‌شود و دیود به منبع نور تبدیل می‌شود. این اثر نوع دیگری از دیودها را تولید می‌کند که معمولاً به‌عنوان دیود ساطع نور شناخته می‌شود که از این ویژگی تولید نور برای انتشار نور (فوتون) در رنگ‌ها و طول‌موج‌های مختلف استفاده می‌کند.