آشنایی کامل با دیود زنر

دیود زنر چیست | دیودهای سیلیکونی معمولی هر گونه جریان را در هنگام بایاس معکوس مسدود می‌کنند و زمانی که ولتاژ معکوس بیش از حد بالا باشد، آسیب می‌بینند. بنابراین، این دیودها هرگز به‌طور عمدی در ناحیه شکست کار نمی‌کنند. اما دیودهای زنر متفاوت هستند. این دیودها به‌طور خاص برای کار در ناحیه شکست بدون خرابی طراحی شده‌اند. به همین دلیل، دیودهای زنر گاهی به عنوان دیودهای شکست نیز شناخته می‌شوند. دیودهای زنر ستون فقرات رگولاتورهای ولتاژ و مدارهایی هستند که ولتاژ بار را تقریباً ثابت نگه می‌دارند، حتی با تغییرات بزرگ در ولتاژ خط و مقاومت بار. شکل‌های زیر نمادهای شماتیک یک دیود زنر را نشان می‌دهند. در هر یک از این نمادها، خطوط شبیه به حرف “Z” هستند که نمایانگر “زنر” است. در ادامه جهت آشنایی بیشتر با آموزشگاه خانه رباتیک ایران همراه باشید.

دیود زنر چیست؟

نحوه کارکرد دیود زنر

یک دیود زنر می‌تواند در یکی از سه ناحیه عمل کند: پیش رانش، نشتی و شکست. این موضوع را از طریق نمودار I-V یک دیود زنر بررسی می‌کنیم.

محدوده پیش‌رانش:

زمانی که دیود زنر در حالت پیش‌رانش قرار می‌گیرد، معادل یک دیود سیلیکونی رفتار می‌کند. وقتی که ولتاژ به حدود ۰.۷ ولت می‌رسد جریان از آن عبور می‌کند. این ولتاژ آستانه معمولی برای اکثر دیودهای سیلیکونی است.

محدوده نشتی:

محدوده نشتی بین جریان صفر و شکست (breakdown) وجود دارد. در ناحیه نشتی، یک جریان معکوس کوچک از طریق دیود حتی زمانی که ولتاژ معکوس به آن اعمال می‌شود عبور می‌کند.

محدوده شکست:

اگر به افزایش ولتاژ معکوس ادامه دهید، در نهایت به ولتاژ زنر (VZ) دیود خواهید رسید. در این نقطه، فرآیندی به نام شکست بهمن (Avalanche Breakdown) در لایه تخلیه نیمه‌هادی رخ می‌دهد و دیود به شدت در جهت معکوس شروع به هدایت می‌کند.

نمودار نشان می‌دهد که شکست دارای یک شیب بسیار تند است که به دنبال آن افزایش تقریباً عمودی در جریان مشاهده می‌شود. همچنین ولتاژ در سراسر دیود زنر تقریباً ثابت و تقریباً برابر با VZ در اکثر ناحیه شکست است. همچنین حداکثر جریان معکوس (IZ(Max)) را نشان می‌دهد. تا زمانی که جریان معکوس کمتر از IZ(Max) باشد، دیود در محدوده ایمن خود عمل می‌کند و هنگامی که جریان از IZ(Max) بیشتر شود، دیود خراب خواهد شد.

دیود زنر چیست؟

رگولاتور ولتاژ زنر:

دیود زنر در ناحیه شکست، ولتاژ خروجی ثابتی را حفظ می‌کند، حتی اگر جریان عبوری از آن متغیر باشد. این ویژگی مهم دیود زنر است که می‌تواند در رگولاتورهای ولتاژ مورد استفاده قرار گیرد. به همین دلیل، دیود زنر گاهی اوقات به عنوان دیود رگولاتور ولتاژ نیز شناخته می‌شود.
شکل زیر یک رگولاتور ولتاژ زنر ساده (که به آن رگولاتور زنر نیز گفته می‌شود) را نشان می‌دهد.

برای اینکه دیود زنر در وضعیت شکست خود عمل کند، دیود زنر به صورت معکوس بایاس می‌شود، به‌طوری که کاتد آن به پایانه مثبت منبع ورودی متصل می‌شود. یک مقاومت سری (محدودکننده جریان) به نام RS به صورت سری با دیود زنر متصل می‌شود تا جریان عبوری از دیود کمتر از حداکثر جریان مجاز آن باشد و از سوختن دیود جلوگیری کند.
برای اینکه دیود در وضعیت شکست باقی بماند، ولتاژ منبع VS باید بیشتر از ولتاژ شکست زنر VZ باشد.
ولتاژ خروجی پایدار Vout بر اساس ولتاژ شکست (VZ) دیود زنر تعیین می‌شود.

ناحیه شکست دیود زنر:

برای آزمایش اینکه آیا دیود زنر در ناحیه شکست عمل می‌کند یا خیر، باید محاسبه کنیم که دیود با چه مقدار ولتاژ تِونن (Thevenin voltage) مواجه است. ولتاژ تِونن، زمانی وجود دارد که دیود زنر از مدار جدا شده باشد.

با توجه به تقسیم ولتاژ، می‌توانیم ولتاژ تونن را به صورت زیر بنویسیم:

زمانی که این ولتاژ از ولتاژ زنر (VZ) فراتر رود، شکست (breakdown) اتفاق می‌افتد. در این حالت، دیود زنر به‌عنوان یک رگولاتور ولتاژ عمل کرده و شروع به هدایت جریان در جهت معکوس می‌کند.

جریان سری:

ولتاژ مقاومت سری برابر با تفاوت بین ولتاژ منبع و ولتاژ زنر است. بنابراین، طبق قانون اُهُم، جریان عبوری از مقاومت سری (IS) به‌صورت زیر محاسبه می‌شود:

• IS جریان عبوری از مقاومت سری است.
• VS ولتاژ منبع است.
• VZ ولتاژ زنر (ولتاژ خروجی) است.
• RS مقاومت سری است.

ولتاژ بار و جریان بار:

هنگامی که مقاومت بار (load resistor) به‌صورت موازی با دیود زنر متصل می‌شود، ولتاژ بار (Vload) دقیقاً برابر با ولتاژ زنر (VZ) خواهد بود.

با توجه به قانون اهم، جریان بار به صورت زیر محاسبه می‌شود:

جریان زنر:

دیود زنر و مقاومت بار به صورت موازی وصل شده اند. جریان کل (Itotal) برابر با مجموع جریان‌های عبوری از دیود زینر (IZ) و مقاومت بار (Iload) است. بنابراین می‌توانیم بنویسیم:

دیودهای زنر کاربردهای متعددی دارند که تنظیم ولتاژ یک منبع جریان مستقیم (DC) یکی از آن‌هاست. علاوه بر این، دیودهای زنر کاربردهای دیگری هم دارند که برخی از آن‌ها عبارتند از:

پیش تنظیم‌کننده (Preregulator):

ایده اصلی پیش تنظیم‌کننده این است که ورودی کاملاً تنظیم‌شده‌ای به رگولاتور زنر ارائه دهد تا خروجی تنظیم شود. در تصویر زیر، یک دیود زنر به عنوان پیش تنظیم‌کننده (دیود زنر اول) و دیود زنر دومی به عنوان رگولاتور زنر نشان داده شده‌است.

شکل‌سازی امواج (Waveshaping):

در اکثر کاربردها، دیودهای زنر در ناحیه شکست (breakdown) باقی می‌مانند. اما استثناهایی نیز وجود دارد، مانند مدارهای شکل‌دهی امواج. در مدار شکل‌دهی امواج بالا، دو دیود زنر به صورت معکوس به هم متصل شده‌اند تا یک موج مربعی تولید کنند.

در نیمه مثبت دوره تناوب، دیود بالایی Z1 کار می‌کند و دیود پایینی Z2 دچار شکست می‌شود، بنابراین خروجی بریده می‌شود. در نیمه منفی، عمل معکوس اتفاق می‌افتد. دیود پایینی Z2 کار می‌کند و دیود بالایی Z1 دچار شکست می‌شود. بدین ترتیب خروجی تقریباً یک موج مربعی به دست می‌آید. سطح قطع شدن برابر با ولتاژ زنر (دیود دچار شکست) به اضافه ۰.۷ ولت (دیود در حال جلو رفتن) است.

تولید ولتاژهای خروجی غیر استاندارد:

با ترکیب دیودهای زنر با دیودهای سیلیکونی معمولی، می‌توان چندین ولتاژ DC غیر استاندارد تولید کرد.

راه‌اندازی یک رله:

همانطور که می‌دانید، اتصال یک رله ۶ ولتی به یک سیستم ۱۲ ولتی می‌تواند به رله آسیب برساند. نیاز است که مقداری از ولتاژ کاهش یابد. شکل زیر یکی از روش‌های انجام این کار را نشان می‌دهد.

در مدار بالا، یک دیود زنر ۵.۶ ولتی به صورت سری با رله متصل شده است تا تنها ۶.۴ ولت در ورودی رله ظاهر شود که در حد تحمل ولتاژ رله است.
نتیجه‌گیری
دیودهای زنر با کارکردهای متنوعی که دارند، به ما امکان می‌دهند تا در سیستم‌های مختلف الکتریکی، ولتاژها را به دقت تنظیم کنیم و از آسیب‌های احتمالی جلوگیری کنیم. این دیودها به ویژه در مدارهای الکترونیکی مدرن نقش مهمی ایفا می‌کنند.