Δίοδος Zener – Ορισμός, σύμβολο κυκλώματος και εφαρμογές.

Εκτός από το ότι επιτρέπει στο ρεύμα να ρέει από την άνοδο στην κάθοδο, μια δίοδος Zener επιτρέπει επίσης στο ρεύμα να ρέει αντίθετα μόλις φτάσει στην τάση Zener. Οι δίοδοι Zener είναι οι πιο ευρέως χρησιμοποιούμενες δίοδοι ημιαγωγών λόγω των χαρακτηριστικών τους.

Ορισμός διόδου Zener

Μια ισχυρά ντοπαρισμένη συσκευή ημιαγωγών που δημιουργήθηκε για να λειτουργεί αντίθετα είναι μια δίοδος Zener, που μερικές φορές αναφέρεται ως δίοδος διάσπασης. Η διασταύρωση μιας διόδου Zener καταρρέει και το ρεύμα ρέει προς την αντίθετη κατεύθυνση όταν η τάση μεταξύ των ακροδεκτών της αντιστρέφεται και το δυναμικό πλησιάζει την τάση Zener (επίσης γνωστή ως τάση γονάτου). Το φαινόμενο Zener είναι το όνομα αυτού του φαινομένου.

Κύκλωμα διόδου Zener

Οι τάσεις Zener που χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία διόδων Zener μπορεί να είναι μεταξύ λίγων και εκατοντάδων βολτ. Παρόμοια με τις συμβατικές τιμές αντίστασης σύνθεσης άνθρακα, αυτή η τάση Zener ποικίλλει κάπως ανάλογα με τη θερμοκρασία και μπορεί να αποκλίνει μεταξύ 5% και 10% από τις απαιτήσεις του κατασκευαστή. Η δίοδος Zener χρησιμοποιείται ως ρυθμιστής τάσης στο τυπικό κύκλωμα τροφοδοσίας που φαίνεται στο παρακάτω διάγραμμα λόγω της γενικής καλής σταθερότητας και ακρίβειάς της.

Η τάση Zener είναι 12,6 βολτ στο κύκλωμα ρυθμιστή διόδου Zener.

Λειτουργία μιας διόδου Zener Παρακαλούμε σημειώστε ότι η δίοδος Zener στο παραπάνω κύκλωμα είναι σκόπιμα πολωμένη προς την αντίστροφη κατεύθυνση. Η δίοδος θα έπεφτε μόνο 0,7 βολτ εάν είχε τοποθετηθεί στον «τυπικό» προσανατολισμό ή με πόλωση προς τα εμπρός, όπως μια τυπική δίοδος ανόρθωσης. Πρέπει να χρησιμοποιήσουμε αυτή τη δίοδο σε λειτουργία αντίστροφης πόλωσης εάν θέλουμε να χρησιμοποιήσουμε τις δυνατότητές της αντίστροφης διάσπασης. Η τάση που πέφτει στη δίοδο Zener θα παραμείνει περίπου στα 12,6 βολτ, εφόσον η τάση τροφοδοσίας είναι υψηλότερη από την τάση Zener (12,6 βολτ σε αυτήν την περίπτωση).

Η δίοδος Zener είναι ευαίσθητη στη θερμοκρασία, όπως κάθε συσκευή ημιαγωγών. Οι υψηλές θερμοκρασίες θα καταστρέψουν μια δίοδο Zener και επειδή μεταφέρει ρεύμα και μειώνει την τάση, παράγει επίσης θερμότητα, σύμφωνα με το νόμο του Joule (P=IE). Εξαιτίας αυτού, είναι απαραίτητο να κατασκευαστεί το κύκλωμα του ρυθμιστή έτσι ώστε να μην επιτυγχάνεται η μέγιστη απαγωγή ισχύος της διόδου. Είναι ενδιαφέρον να σημειωθεί ότι όταν οι δίοδοι Zener δυσλειτουργούν λόγω μεγάλης απώλειας ισχύος, συχνά βραχυκυκλώνουν παρά ανοίγουν. Όταν πολώνεται με κάθε τρόπο, όπως ένα μήκος σύρματος, μια αποτυχημένη δίοδος μειώνει ουσιαστικά την ονομαστική της τάση, καθιστώντας την εύκολη αναγνώριση.

Μαθηματική ανάλυση του κυκλώματος ρύθμισης της διόδου Zener

Ας κάνουμε μια μαθηματική ανάλυση ενός κυκλώματος ρύθμισης κυκλώματος διόδου Zener για να εξακριβώσουμε όλες τις τάσεις, τα ρεύματα και τις διαρροές ισχύος. Για να αποφύγουμε να χαρακτηρίσουμε όλους τους αριθμούς στο σχήμα (α) παρακάτω ως "κατά προσέγγιση", θα εκτελέσουμε υπολογισμούς χρησιμοποιώντας το ίδιο είδος κυκλώματος που φαίνεται πριν και μια αντίσταση σειράς με τιμή 1000, τάση Zener 12,6 βολτ και τροφοδοτικό τάση 45 βολτ.

Εάν η τάση τροφοδοσίας είναι 45 βολτ και η τάση κατά μήκος της διόδου Zener είναι 12,6 βολτ, τότε θα χαθούν 32,4 βολτ στην αντίσταση (45 βολτ – 12,6 βολτ =32,4 βολτ). Τα 32,4 βολτ που εφαρμόζονται σε 1000 έχουν ως αποτέλεσμα 32,4 mA ρεύματος κυκλώματος. (Εικόνα β) παρακάτω)

(α) Μια αντίσταση 1000 και έναν ρυθμιστή τάσης Zener. (β) Υπολογισμός ρεύματος και τάσης μειώνεται.

Καθώς το ρεύμα φορές η τάση ισούται με ισχύ (P=IE), είναι απλό να προσδιοριστεί η απαγωγή ισχύος, τόσο της αντίστασης όσο και της διόδου Zener:

Presistor =(32,4mA)(32,4V) Presistor =1,0498W

P_δίοδος =(324A) (12,6V) P_δίοδος =4,0824 mW

Μια αντίσταση με ονομαστική διασπορά 1,5 ή 2 watt και μια δίοδο Zener με ονομαστική ισχύ 0,5 θα ήταν κατάλληλη.

Κύκλωμα για δίοδο Zener με μεγαλύτερη αντίσταση

Γιατί να μην σχεδιάσετε το κύκλωμα διόδου Zener ώστε να διαχέει τη μικρότερη δυνατή ποσότητα ισχύος εάν η υπερβολική διασπορά ισχύος είναι επιβλαβής; Γιατί να μην μετράτε απλώς την αντίσταση για μια πολύ υψηλή τιμή αντίστασης, περιορίζοντας σοβαρά το ρεύμα και διατηρώντας ελλιπή ποσοστά απαγωγής ισχύος;

Σκεφτείτε αυτό το κύκλωμα, εκτός από την αντικατάσταση της αντίστασης 1 k με μια αντίσταση 100 k. Η τάση Zener της διόδου και η τάση τροφοδοσίας στο παρακάτω σχήμα είναι παρόμοια με εκείνα στο προηγούμενο παράδειγμα.

Ρυθμιστής Zener με αντίσταση 100 k.

Presistor =(3244A)(32,4V) Presistor =10,498mW

P_δίοδος =(324A) (12,6V) P_δίοδος =4,0824 mW

Και οι δύο τιμές απαγωγής ισχύος θα πρέπει να είναι 100 φορές μικρότερες όταν το ρεύμα είναι μόλις το 1/100 αυτού που ήταν πριν (324 A σε αντίθεση με 32,4 mA):

 Δυνατότητες V-I μιας διόδου Zener

Όταν χρησιμοποιείται αντίστροφη τάση στη δίοδο Zener, μόνο μια πολύ μικρή ποσότητα ρεύματος διαρροής μπορεί να ρέει έως ότου η τάση πέσει κάτω από την τάση Zener.

Οι ιδιότητες V-I μιας διόδου Zener μπορούν να ταξινομηθούν σε δύο κατηγορίες ως εξής:

•  Λειτουργίες προώθησης
• Αντίστροφες λειτουργίες

Χαρακτηριστικά εμπρός διόδου Zener

Οι μπροστινές ιδιότητες μιας διόδου Zener φαίνονται στο επάνω τεταρτημόριο του γραφήματος. Μπορούμε να συμπεράνουμε από το γράφημα ότι οι ιδιότητές του με έντονη γραφή είναι πανομοιότυπες με αυτές οποιασδήποτε άλλης διόδου σύνδεσης P-N.

Η δίοδος Zener αντιστρέφει τα χαρακτηριστικά

Ένα μέτριο αντίστροφο ρεύμα κορεσμού που ονομάζεται Io διασχίζει τη δίοδο όταν εφαρμόζεται αντίστροφη τάση σε μια τάση Zener. Οι μειοψηφικοί φορείς που παράγονται θερμικά είναι η αιτία αυτού του ρεύματος. Ανάλογα με την ποσότητα της αντίστροφης τάσης, το αντίστροφο ρεύμα αυξάνεται δραματικά και απότομα καθώς αυξάνεται η αντίστροφη τάση. Αυτό είναι σημάδι ότι η κατάρρευση έχει γίνει. Αυτή η τάση διάσπασης τάσης, γνωστή και ως τάση Zener, συμβολίζεται με το σύμβολο Vz.

Προδιαγραφές για μια δίοδο Zener

Οι παρακάτω είναι χρήσεις των διόδων Zener που χρησιμοποιούνται συχνά:

• Τάση Zener/Διακοπής – Η τάση αντίστροφης διακοπής έχει εύρος από 2,4 V έως 200 V και, σε σπάνιες περιπτώσεις, 1 kV, με μέγιστο 47 V για επιφανειακές συσκευές.
• Ρεύμα Iz (μέγιστο):Αυτό το ρεύμα κυμαίνεται από 200 A έως 200 A στην ονομαστική τάση Zener.
• Το ρεύμα Iz (min) είναι το ελάχιστο ρεύμα που απαιτείται για να αποτύχει μια δίοδος.
• Η βαθμολογία ισχύος της διόδου Zener υποδεικνύει την υψηλότερη ποσότητα ισχύος που μπορεί να διαχέει. Καθορίζεται διαιρώντας την τάση της διόδου με το ρεύμα της.
• Οι δίοδοι στα 5 V έχουν την υψηλότερη σταθερότητα θερμοκρασίας.
• Αντίσταση Zener (Rz) είναι η αντίσταση που δείχνει μια δίοδος Zener. Η ανοχή τάσης είναι γενικά 5%.

Εφαρμογή της Διόδου Zener

Τα παρακάτω είναι παραδείγματα εφαρμογών διόδων Zener και χρήσης διόδων Zener:

• Ρύθμιση τάσης
• προστατεύει από υπέρταση
• χρησιμοποιείται σε κυκλώματα που κουμπώνουν
• χρησιμοποιείται για την αλλαγή της τάσης

Η δίοδος Zener είναι κατάλληλη για έλεγχο τάσης επειδή η πτώση τάσης στη δίοδο είναι σταθερή σε ένα ευρύ φάσμα τάσεων.

Η δίοδος Zener ρυθμίζει την τάση

Οι αντιστάσεις που είναι συνδεδεμένες σε σειρά ελέγχουν το ρεύμα μέσω της διόδου όταν υπάρχει περίσσεια τάσης όταν η δίοδος άγει όταν η τάση φορτίου ταιριάζει με την τάση διάσπασης. Η δίοδος παράγει κάποιο θόρυβο κατά τη διαδικασία, ο οποίος μπορεί να μειωθεί συνδέοντας έναν πυκνωτή αποσύνδεσης με υψηλή τάση κατά μήκος της διόδου.

Μια δίοδος Zener προστατεύει την υπέρταση

Το ρεύμα που διαρρέει τη δίοδο θα προκαλέσει πτώση τάσης στην αντίσταση όταν η τάση εισόδου ανέλθει στο σημείο διάσπασης Zener. Ως αποτέλεσμα, ξεκινά ένα βραχυκύκλωμα στη γη.

Τα κυκλώματα αποκοπής χρησιμοποιούν διόδους Zener

Τα κυκλώματα κοπής εμποδίζουν το σήμα εξόδου να υπερβεί μια συγκεκριμένη τιμή χωρίς να επηρεάζεται το σήμα εισόδου. Οι δίοδοι Zener μπορούν να αλλάξουν και να διαμορφώσουν τροχιές που κόβουν την κυματομορφή AC. Τα κυκλώματα αποκοπής περιορίζουν ένα τμήμα της κυματομορφής AC για την προστασία ή τη διαμόρφωση της κυματομορφής. Αυτά τα κυκλώματα βρίσκονται συνήθως σε πομπούς τηλεόρασης και FM για τη μείωση των παρεμβολών.

Η τάση μπορεί να μετατοπιστεί χρησιμοποιώντας μια δίοδο Zener

Μια δίοδος Zener είναι να αλλάξει την τάση ενός σήματος. Στη ζώνη βλάβης, μπορεί να διατηρήσει μια σταθερή τάση εξόδου. Λόγω της ικανότητάς της να αλλάζει την τάση, μια δίοδος Zener είναι ένα τέλειο στοιχείο για τη λειτουργία. Ακολουθούν αρκετές εφαρμογές για περισσότερες διόδους zen.

Συχνές ερωτήσεις 

1. Πώς η δίοδος Zener κάνει τη ρύθμιση τάσης;

Χρησιμοποιώντας ως συμπληρωματικά φορτία και αντλώντας περισσότερο ή λιγότερο ρεύμα όσο χρειάζεται για να διατηρηθεί μια σταθερή πτώση τάσης σε όλο το φορτίο, οι δίοδοι Zener ως ρυθμιστές τάσης το ελέγχουν. Αυτό ισοδυναμεί με την αλλαγή της ταχύτητας ενός οχήματος φρενάροντας αντί για αλλαγή της θέσης του γκαζιού:όχι μόνο είναι αναποτελεσματικό, αλλά τα φρένα πρέπει να είναι κατασκευασμένα για να χειρίζονται όλη την ισχύ του κινητήρα όταν οι οδηγικές συνθήκες δεν το απαιτούν.

Παρά την υποκείμενη αναποτελεσματικότητα αυτού του σχεδιασμού, τα κυκλώματα ρυθμιστή διόδων Zener χρησιμοποιούνται συχνά επειδή είναι απλά. Άλλες μέθοδοι ρύθμισης τάσης χρησιμοποιούνται σε καταστάσεις υψηλής ισχύος όπου οι ανεπάρκειες θα ήταν απαράδεκτες. Ακόμη και σε αυτές τις περιπτώσεις, μικροσκοπικά κυκλώματα που βασίζονται στο Zener χρησιμοποιούνται συχνά για την παροχή τάσης «αναφοράς» για την τροφοδοσία ενός πιο αποτελεσματικού κυκλώματος ενισχυτή που διαχειρίζεται την κύρια δύναμη.

2. Τι ξεχωρίζει μια δίοδο Zener από μια τυπική δίοδο;

Μια δίοδος Zener είναι ένα ηλεκτρικό εξάρτημα με δύο ακροδέκτες που μεταφέρει ηλεκτρισμό μόνο προς μία κατεύθυνση. Μια σταθερή τάση αναφοράς μπορεί να παραχθεί χρησιμοποιώντας μια δίοδο Zener. Η κύρια εφαρμογή για αυτές τις διόδους είναι η παροχή τάσης αναφοράς σε τροφοδοτικά. Στο ένα άκρο έχει εξαιρετική αντίσταση, ενώ στο άλλο έχει χαμηλή αντίσταση.

3. Γιατί ένας ρυθμιστής είναι κατασκευασμένος από δίοδο Zener;

Ως ρυθμιστής τάσης ρυθμιστές τάσης διακλάδωσης διόδου Zener, η χρήση διόδων Zener χρησιμοποιείται συχνά για τον έλεγχο της τάσης σε μικροσκοπικά φορτία. Με τις Διόδους Zener, η τάση διάσπασης αντιστρέφεται απότομα και παραμένει σταθερή σε ένα ευρύ φάσμα ρευμάτων. Για να διασφαλίσουμε ότι η εφαρμοζόμενη τάση θα αντιστρέψει την πόλωση της δίοδος Zener ως ρυθμιστή τάσης, θα τη συνδέσουμε έτσι παράλληλα με το φορτίο. Επομένως, η τάση κατά μήκος του ρεύματος θα είναι σταθερή κατά μήκος της διόδου Zener εάν η τάση αντίστροφης πόλωσης υπερβαίνει την τάση στο γόνατο.