Δίοδος Zener ως ρυθμιστής τάσης

Για να λειτουργεί σωστά κατά την αντίστροφη πόλωση, ο ημιαγωγός πυριτίου που χρησιμοποιείται στη δίοδο Zener έχει μια διασταύρωση p-n. Υπάρχει μια μεγάλη ποικιλία ρευμάτων που μπορούν να εφαρμοστούν στην αντίστροφη τάση και ωστόσο να διατηρήσουν μια σταθερή τάση σε ένα ευρύ φάσμα ρευμάτων. Ως αποτέλεσμα αυτής της ιδιότητας, απασχολείται σε δ.κ. κυκλώματα ως δίοδος Zener ως ρυθμιστής τάσης. Η κύρια δουλειά της διόδου Zener ως ρυθμιστή τάσης είναι να διατηρεί σταθερή την τάση τροφοδοσίας. Σε αυτή την περίπτωση, θα δηλώσουμε ότι η τάση παραμένει σταθερή στα 5 V λόγω της τάσης Zener. Οι υπολογιστές, οι γεννήτριες και οι εναλλάκτες χρειάζονται όλοι ρυθμιστές τάσης για να ρυθμίζουν την έξοδό τους.

Δίοδος Zener ως ρυθμιστής τάσης ?

Υπάρχουν διάφοροι τύποι ρυθμιστών τάσης. Μειώνει αποτελεσματικά την τάση εισόδου στο επιθυμητό επίπεδο και διατηρεί αυτό το επίπεδο σε όλη την παροχή. Αυτό διασφαλίζει ότι η τάση δεν πέφτει ακόμη και όταν εφαρμόζεται φορτίο. Υπάρχουν δύο κύριοι λόγοι για τους οποίους η δίοδος Zener ως ρυθμιστής τάσης χρησιμοποιείται:

• Για να αλλάξετε ή να ελέγξετε την έξοδο τάσης
• Για να διατηρήσετε μια σταθερή τάση εξόδου ανεξάρτητα από τις διακυμάνσεις της τάσης εισόδου.

Εξήγηση της διόδου Zener

Η δίοδος προστατεύεται από υπερθέρμανση με μια αντίσταση σειράς στο κύκλωμα. Ο θετικός ακροδέκτης DC είναι συνδεδεμένος σε αυτό. Ως αποτέλεσμα, η αντίστροφη μεροληψία μπορεί να λειτουργήσει ακόμη και σε περίπτωση διακοπής λειτουργίας. Δεν χρησιμοποιούνται δίοδοι με χαμηλότερη ονομαστική ισχύ, καθώς μπορούν να καταστραφούν όταν εφαρμόζεται αντίστροφη πόλωση στην τάση διάσπασής τους. Το ρεύμα της διόδου Zener πρέπει να είναι πάντα το χαμηλότερο όταν εφαρμόζεται η ελάχιστη τάση εισόδου και το υψηλότερο ρεύμα φορτίου.

Η επιλογή μιας διόδου Zener με τάση περίπου ίση με την τάση φορτίου (VZ =VL) είναι εύκολη αφού οι τάσεις εισόδου και εξόδου είναι γνωστές.

Εφέ χιονοστιβάδας και Zener

Η ροή ρεύματος από άνοδο προς κάθοδο είναι δυνατή όταν η δίοδος Zener έχει πόλωση προς τα εμπρός, γεγονός που την κάνει να λειτουργεί όπως κάθε άλλη δίοδος πυριτίου με διασταύρωση PN. Σε αντίθεση με μια τυπική δίοδο, η οποία αναστέλλει τη ροή του ρεύματος όταν είναι αντίστροφη πόλωση, η δίοδος Zener αρχίζει να φέρεται με ρεύμα που ρέει προς την αντίθετη κατεύθυνση όταν φτάσει σε ένα καθορισμένο όριο αντίστροφης τάσης.

Η αντίστροφη τάση που δίνεται στις διόδους Zener προκαλεί διάσπαση χιονοστιβάδας στην περιοχή εξάντλησης των ημιαγωγών, μετά την οποία η δίοδος παράγει ρεύμα προκειμένου να περιορίσει την αύξηση της τάσης σε ένα προκαθορισμένο επίπεδο. Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια συγκρούονται με κοντινά άτομα, δημιουργώντας ηλεκτρικά φορτία, τα οποία οδηγούν στην παραγωγή θερμότητας και την πιθανότητα μόνιμης βλάβης στη συσκευή. Όταν μια δίοδος έχει μια περιοχή εξάντλησης που είναι πολύ λεπτή και βαριά ντοπαρισμένη, μπορεί να δημιουργηθεί ένα αντίστροφο ρεύμα ως αποτέλεσμα της ανάπτυξης ενός ηλεκτρικού πεδίου υψηλής έντασης στη διασταύρωση της διόδου. Η βλάβη Zener είναι αναστρέψιμη και δεν βλάπτει τη δίοδο σε όλη αυτή τη διαδικασία.

Όταν η τάση στη δίοδο Zener σταθεροποιείται σε ένα συγκεκριμένο σημείο στον οριζόντιο άξονα, αυτό το σημείο είναι γνωστό ως τάση Zener (VZ) και η τιμή της μπορεί να κυμαίνεται από μερικά βολτ έως μερικές εκατοντάδες βολτ. Είναι δυνατή η ακριβής ρύθμιση της κλίσης της καμπύλης αγωγιμότητας και της ελάχιστης τιμής αντίστροφου ρεύματος από την οποία ξεκινά η διαδικασία κατά την κατασκευή του ντόπινγκ και της διόδου.

Τυπικές τάσεις Zener

Οι δίοδοι Zener είναι διαθέσιμες σε τάσεις που κυμαίνονται από λίγο πάνω από 1 βολτ έως μερικές εκατοντάδες βολτ στην αγορά σήμερα. Από λίγο κάτω από 1 W έως πάνω από 5 W είναι συνήθως διαθέσιμα για κάθε ρύθμιση τάσης που προσφέρεται. Η σειρά μικρού σήματος διόδων Zener BZX55 έχει τάσεις VZ που κυμαίνονται από 2,4 V έως 75 V και μέγιστη ισχύ 500 mW, καθιστώντας την μια από τις πιο διαδεδομένες οικογένειες διόδων Zener. Μια άλλη δημοφιλής δίοδος ισχύος Zener είναι η BZX85, με τάσεις μεταξύ 2,7 V και 100 V (VZ) και 1.300 mW (μέγιστο ρεύμα).

Ανάλυση Zener

Λόγω του Zener Breakdown, οι δίοδοι Zener λειτουργούν. Όταν μια διασταύρωση P-N στενεύει, τα ηλεκτρόνια μπορούν να περάσουν από τη ζώνη εξάντλησης στην άλλη πλευρά της διασταύρωσης εάν εφαρμοστεί επαρκής τάση. Λόγω της διπλής φύσης του ηλεκτρονίου, η σήραγγα είναι ένα κβαντομηχανικό γεγονός. Τα ηλεκτρόνια περιγράφονται ως κυματικές συναρτήσεις παρά ως βασικά «σωματίδια» στην κβαντική μηχανική. Είναι διασκορπισμένοι γύρω από τον κόσμο, με την πιθανότητα να συναντήσουν κάποιο από αυτά κάποια στιγμή. Η διέλευση ηλεκτρονίων πάνω από ένα φράγμα όπως η περιοχή εξάντλησης είναι δυνατή λόγω της πιθανότητας ένα ηλεκτρόνιο να διαπεράσει το φράγμα. Όταν η διαφορά ηλεκτρικού δυναμικού κατά μήκος της διόδου Zener είναι αρκετά μεγάλη, ένα ηλεκτρόνιο έχει πολύ καλύτερη πιθανότητα να διασχίσει το φράγμα, έτσι συμβαίνει και η διάσπαση του Zener.

Πλεονεκτήματα της διόδου zener

• Η ισχύς διαρροής είναι πολύ υψηλή.
• Υψηλή ακρίβεια
• Μικρό σε μέγεθος 
• Χαμηλό κόστος

Εφαρμογές

• Σαν αναφορά τάσης, χρησιμοποιείται συχνά.
• Οι ρυθμιστές διακλάδωσης και οι σταθεροποιητές τάσης χρησιμοποιούν διόδους Zener.
• Στις διαδικασίες μεταγωγής, χρησιμοποιούνται δίοδοι Zener.
• Τα κυκλώματα κοπής και σύσφιξης χρησιμοποιούν διόδους Zener, οι οποίες μερικές φορές αναφέρονται ως zeners.
• Τα κυκλώματα προστασίας βασίζονται σε διόδους Zener.

Χαρακτηριστικά της διόδου Zener

Οι τυπικές δίοδοι έχουν προκατάληψη προς τα εμπρός και λειτουργούν με τον ίδιο τρόπο που υποδηλώνει το όνομά τους. Ένα τεράστιο προς τα εμπρός ρεύμα ρέει μέσα από αυτά, αν και υπάρχει σχεδόν μικρή πτώση τάσης. Η αντίστροφη πολωμένη λειτουργία μιας κοινής διόδου έχει ως αποτέλεσμα αμελητέα ροή ρεύματος έως ότου η τάση στις διόδους είναι μεγαλύτερη από την αντίστροφη τάση διάσπασης. Η δίοδος μπορεί να καταστραφεί εάν ένα σημαντικό ρεύμα διασχίζει τη διασταύρωση. Σε αυτή την περίπτωση, η δίοδος Zener είναι η καλύτερη λύση. Η αντίστροφη ώθηση μιας διόδου Zener διασφαλίζει ότι δεν θα καταστραφεί ακόμη και αν η τάση που εφαρμόζεται σε αυτήν υπερβαίνει την τιμή που απαιτείται για την αντίστροφη βλάβη.

Συμπέρασμα 

Οι δίοδοι Zener είναι διαθέσιμες σε ένα ευρύ φάσμα τάσεων, μερικές από τις οποίες είναι ρυθμιζόμενες. Αυτό είναι γνωστό ως φαινόμενο Zener, μετά το Clarence Zener, επειδή η κβαντική σήραγγα ηλεκτρονίων συμβαίνει στο στενό κενό μεταξύ των περιοχών p και n μιας διόδου Zener, με αποτέλεσμα την αντίστροφη αγωγιμότητα. Οι ηλεκτρονικές συσκευές διαφόρων ειδών βασίζονται σε διόδους Zener, οι οποίες είναι τα δομικά στοιχεία των ηλεκτρονικών κυκλωμάτων. Χρησιμοποιούνται, για παράδειγμα, για τη δημιουργία σταθεροποιημένων σιδηροτροχιών τροφοδοσίας χαμηλής ισχύος από υψηλότερη τάση και για την παροχή τάσεων αναφοράς για κυκλώματα, ιδίως σταθεροποιημένα τροφοδοτικά . Η υπερένταση και η ηλεκτροστατική εκφόρτιση μπορούν επίσης να αποφευχθούν με τη χρήση αυτών των συσκευών (ESD). Δίοδος Zener ως ρυθμιστής τάσης γιατί αυτή η δίοδος είναι σχεδιασμένη με τέτοιο τρόπο ώστε παρά την αύξηση της τάσης, το κύκλωμα να μπορεί να σπάσει και να συνεχίσει τη ροή του ρεύματος προς την αντίθετη κατεύθυνση.