دیود زنر

دیود زنر (به انگلیسی: Zener Diode) یک نوع ویژه از دیود است که اجازه می دهد تا جریان الکتریک در یک جهت به جلو برود و کاربرد آن به عنوان یک دیود ایده آل است ، اما ویژگی این دیود این است که همچنین اجازه میدهد که جریان الکتریک در جهت معکوس، وقت زمانی که ولتاژ بالاتر از یک مقدار مشخص باشد حرکت کند. نام این ولتاژ مشخص "ولتاژ شکست" ، "ولتاژ زانو" و یا "ولتاژ دیود زنر" است. دیود زنر در سال ۱۹۱۵ میلادی (۱۲۹۳ خورشیدی) به دست کلارنس زنر کشف شد و به همین خاطر دیود زنر نامگذاری شد.

ولتاژ شکست

دیود زنر، ولتاژ شکست ۱۷ ولت

دیودهایی که به منظور استفاده در ناحیه شکست معکوس ساخته شده اند به دیود زنر معروف اند. البته اینکه این دیودها را زنر نامیده اند بدان مفهوم نیست پدیده ضرب بهمنی در آنها صورت نمیگیرد، بلکه هر دو پدیده ضرب بهمنی و شکست زنر میتواند در ایجاد شکست در این دیودها نقش داشته باشند. مقدار ولتاژ شکست در دیود زنر به میزان چگالی ناخالصی بستگی دارد. با افزایش چگالی ناخالصی ولتاژ شکست دیود کاهش میابد. دیودهای زنر تجارتی با ولتاژ زنر از ۲٫۴ تا ۲۰۰ ولت و تا توانهای حدود ۱۰۰ وات ساخته میشوند. باید دقت داشت که این دیودها به صورت معکوس بایاس میشوند یعنی کاتد آنها به قطب مثبت منبع ولتاژ و آند آنها به قطب منفی منبع ولتاژ متصل میگردد. معمولا کارخانه سازنده یک جریان حداقل و یک جریان حداکثر مشخص مینماید که تغییرات جریان دیود زنر باید محدود به آنها باشد. از این دیودها جهت تنظیم ولتاژ در مدارهای تنظیم کننده ولتاژ مثلا در منابع تغذیه استفاده میشود.

گروههای دیود زنر

دیود زنر

دیودهای زنر در واقع نوعی دیود سیلیکونی ویژه هستند. طراحی آنها به گونه ای است که بتوانند ولتاژ شکست معکوسی را به صورت مداوم ارائه کنند . گروههای ایزدی از دیودهای زنر وجود دارد (بسته به مشخصه های عمومی ٬ نوع بسته ٬ و توان قابل تحمل). ولتاژ شکست آنها با نامهای ترجیحی سری E12 و E24 مترادف است (ولتاژ شکست آنها از ۲٫۷ ولت تا ۸۶ ولت می باشد).

خانواده های زیر از عادیترین نمونه های دیود زنر میباشند :

• سری BZY88: پوشش شیشه ای کوچک٬ با توان ۵۰۰ میلی وات(در ۲۵ درجه سانتیگراد).محدوده ولتاژ شکست این نوع دیودها از ۲٫۷ تا ۱۵ ولت میباشد. (ولتاژهای مذکور با عبور جریانی معادل ۲۵ میلی آمپر و در دمای ۲۵ درجه سانتیگراد اندازه گیری شده اند).

• سری BZX85: پوشش شیشه ای کوچک٬ با توان ۱٫۳ وات(در دمای ۲۵ درجه سانتیگراد). محدوده ولتاژشکست این نوع دیودها از ۲٫۷ تا ۶٫۸ ولت میباشد.

• سری BZX61: پوشش آلیاژ فلزی٬ با توان ۱٫۳ میلی وات(در ۲۵ درجه سانتیگراد). محدوده ولتاژشکست این نوع دیودها از ۷٫۵ تا ۷۲ ولت میباشد.

• سری BZY93: پوشش تکمه ای٬ با توان ۲۰ وات بای کار در دمای محیط ۷۴ درجه سانتیگراد٬ محدوده ولتاژشکست این نوع دیودها از ۹٫۱ تا ۷۵ ولت میباشد.

• سری 1N5333: پوشش پلاستیکی٬ با توان ۵ وات. محدوده ولتاژشکست این نوع دیودها از ۳٫۳ تا ۲۴ ولت میباشد.

بیان بیشتر

دیود زنر، لینک کاتدی

ديود هاي زنر يا شكست ، ديود هاي نيمه هادي با پيوند p-n هستند كه در ناحيه باياس معكوس كار كرده و داراي كاربردهاي زيادي در الكترونيك ، مخصوصآ به عنوان ولتاژ مبنا و يا تثبيت كننده ي ولتاژ دارند.

هنگاميكه پتانسيل الكتريكي دو سر ديود را در جهت معكوس افزايش دهيم در ولتاژ خاصي پديده شكست اتفاق مي افتد، بد ين معني كه با افزايش بيشتر ولتاژ ، جريان بطور سريع و ناگهاني افزايش خواهد داشت. ديود هاي زنر يا شكست ديود هايي هستند كه در اين ناحيه يعني ناحيه شكست كار ميكنند و ظرفيت حرارتي آنها طوري است كه قادر به تحمل محدود جريانمعيني در حالت شكست مي باشند، براي توجيه فيزيكي پديده شكست دو نوع مكانيسم وجود دارد. مكانيسم اول در ولتاژهاي كمتر از ۶ ولت براي ديودهايي كه غلظت حامل ها در آن زياد است اتفاق مي افتد و به پديده شكست زنر مشهور است. در اين نوع ديود ها به علت زياد بودن غلظت ناخالصي ها در دو قسمت p و n ، عرض منطقه ي بار فضاي پيوند باريك بوده و در نتيجه با قرار دادن يك اختلاف پتانسيل v بر روي ديود (پتانسيل معكوس) ، ميدان الكتريكي زيادي در منطقه ي پيوند ايجاد مي شود. با افزايش پتانسيل v به حدي مي رسيمكه نيروي حاصل از ميدان الكتريكي ، يكي از پيوند هاي كووالانسي را مي شكند. با افزايش بيشتر پتانسيل دو سر ديود از انجايي كه انرژي يا نيروهاي پيوند كووالانسي باند ظرفيت در كريستال نيمه هادي تقريبأ مساوي صفر است ، پتانسيل تغيير چنداني نكرده ، بلكه تعداد بيشتري از پيوندهاي ظرفيتي شكسته شده و جريان ديود افزايش مي يابد. آزمايش نشان ميدهد كه ضريب حرارتي ولتاژ شكست براي اين نوع ديود منفي است ، يعني با افزايش درجه حرارت ولتاژ شكست كاهش مي يا بد. بنابر اين ديود با ولتاژ كمتري به حالت شكست مي رود (انرژي باند غدغن براي سيليكن و ژرمانيم در درجه حرارت صفر مطلق بترتيب ۱٫۲۱ و۰٫۷۸۵ الكترون_ولت است، و در درجه حرارت ۳۰۰ درجه كلوين اين انرژي براي سيليكن ev 1.1و براي ژرمانيم ev0.72 خواهد بود). ثابت مي شود كه مي دان الكتريكي لازم براي ايجاد پديده زنر در حدود ۲*۱۰است. اين مقدار براي ديود هايي كه در آنها غلظت حامل ها خيلي زياد است در ولتاژهاي كمتر از ۶ ولت ايجاد مي شود . براي ديودهايي كه داراي غلظت حاملهاي كمتري هستند ولتاژ شكست زنر بالاتر بوده و پديده ي ديگري بنام شكست بهمني در آنها اتفاق مي افتد (قبل از شكست زنر) كه ذيلأ به بررسي آن مي پردازيم. مكانيسم ديگري كه براي پديده شكست ذكر مي شود ، مكانيسم شكست بهمني است. اين مكانيسم در مورد ديودهايي كه ولتاژ شكست آنها بيشتر از ۶ ولت است صادق مي باشد . در اين ديود ها به علت كم بودن غلظت ناخالصي ، عرض منطقه ي بار فضا زياد بوده و ميدان الكتريكي كافي براي شكستن پيوندهاي كووالانسي بوجود نمي آيد ، بلكه حاملهاي اقليتي كه بواسطه انرژي حرارتي آزاد مي شود ، در اثر ميدان الكتريكي شتاب گرفته و انرژي جنبشي كافي بدست آورده و در بار فضا با يون هاي كريستال برخورد كرده و در نتيجه پيوندهاي كووالانسي را مي شكنند . با شكستن هر پيوند حاملهاي ايجاد شده كه خود باعث شكستن پيوند هاي بيشتر مي شوند . بدين ترتيب پيوندها بطور تصاعدي يا زنجيري و يا بصورت پديده ي بهمني شكسته مي شوند و اين باعث مي شود كه ولتاژ دو سر ديود تقريبأ ثابت مانده و جريان آن افزايش يافته و بواسطه ي مدار خارجي محدود مي شود . چنين ديود هايي داراي ضريب درجه ي حرارتي مثبت هستند . زيرا با افزايش درجه ي حرارت اتمهاي متشكله كريستال به ارتعاش در آورده ، در نتيجه احتمال برخورد حاملهاي اقليت با يونها ، بهنگام عبور از منطقه بار فضا زيادتر مي گردد . به علت زياد شدن برخوردها احتمال اينكه انرژي جنبشي حفره يا الكترون بين دو برخورد متوالي بمقدار لازم براي شكست پيوند برسد كمتر شده و در نتيجه ولتاژ شكست.

کاربرد

 

دیود زنر، تنظیم کنندهٔ ولتاژ

دیودهای زنر به طور گسترده ای برای تنظیم ولتاژ در سراسر مدارهای کوچک و به عنوان تنظیم کننده های شنت استفاده می شود. هنگامی که به طور موازی با یک منبع ولتاژ تغییر پذیر به طوری که آن معکوس و یک پهلو متصل شود. زمانی که ولتاژ به ولتاژ شکست معکوس دیود می رسد، به خاطره امپدانس نسبتا کم دیود جریان الکتریک ثابت میماند و ولتاژ دو سر دیود به آن ولتاژ است.

دیود

دیود (به انگلیسی: Diode)، (نام‌های دیگر:دوقطبی الکتریکی، یکسوساز) قطعه‌ای است الکترونیکی که جریان الکتریکی را در یک جهت از خود عبور می‌دهد و در جهت دیگر در مقابل عبور جریان از خود مقاومت بسیار بالایی (در حد بینهایت) نشان می‌دهد. این خاصیت دیود باعث شده بود تا در سالهای اولیه ساخت این وسیله الکترونیکی، به آن دریچه هم اطلاق شود.

از لحاظ الکتریکی یک دیود هنگامی عبور جریان را از خود ممکن می‌سازد که شما با برقرار کردن ولتاژ در جهت درست (+ به آند و - به کاتد) آنرا آماده کار کنید. مقدار ولتاژی که باعث می‌شود تا دیود شروع به هدایت جریان الکتریکی نماید ولتاژ آستانه یا (forward voltage drop) نامیده می‌شود که چیزی حدود ۰٫۶ تا ۰٫۷ ولت می‌باشد(برای دیودهای سیلیکون). اما هنگامی که شما ولتاژ معکوس به دیود متصل می‌کنید (+ به کاتد و - به آند) جریانی از دیود عبور نمی‌کند، مگر جریان بسیار کمی که به جریان نشتی معروف است که در حدود چند µA یا حتی کمتر می‌باشد. این مقدار جریان معمولآ در اغلب مدارهای الکترونیکی قابل صرفنظر کردن بوده و تأثیری در رفتار سایر المانهای مدار نمیگذارد. هرچه جنس کریستال به کار رفته در ساخت دیود از نظر ساختار منظم تر باشد، دیود مرغوبتر و جریان نشتی کمتر خواهد بود. مقدار جریان نشتی در دیود های با تکنولوژی جدید عملا به صفر میل می کند. اما نکته مهم آنکه تمام دیودها یک آستانه برای حداکثر ولتاژ معکوس دارند که اگر ولتاژمعکوس بیش از آن شود دیوید می‌سوزد (کریستال ذوب می شود) و جریان را در جهت معکوس هم عبور می‌دهد. به این ولتاژ آستانه شکست گفته می‌شود.

دسته بندی دیودها

در دسته بندی اصلی، دیودها را به سه قسمت اصلی تقسیم می‌کنند، دیودهای سیگنال که برای آشکار سازی در رادیو بکار می‌روند و جریانی در حد میلی آمپر از خود عبور می‌دهند، دیودهای یکسوکننده (Rectifiers) که برای یکسوسازی جریانهای متناوب بکاربرده می‌شوند و توانایی عبور جریانهای زیاد را دارند و بالآخره دیودهای زنر (Zener) که برای تثبیت ولتاژ از آنها استفاده می‌شود.

برای شناسایی قسمت +و-دیود از اهم متر استفاده می‌شود که باتوجه به عقربهٔ اهم متر می‌توان این شناسایی را انجام داد. زمانی که سیم مشکی به کاتد دیود (قسمت خط دار) و سیم قرمز به آند وصل شود عقربه اهم متر به حرکت در خواهد آمد. گرچه باید بدانیم اهم متر های عقربه ای برای آزمایش دیود چندان کارا نیستند و بهتر است از مولتی متر دیجیتال که قسمت تست دیود دارد استفاده کرد.به خاطر داشته باشید آند/کاتد دیود که نمایانگر جهت حرکت الکترونهاست در پیل الکتریکی، برعکس و به صورت کاتد/آند است. پس از سنجش ولتاژ آستانه که در دیود های سیلسیوم 0.6 و در دیود های ژرمانیوم 0.2 ولت است، جای دو سیم قرمز و مشکی را عوض کرده و با قرار دادن درجه اهم متر بر روی بالاترین محدوده مقاومتی، دیود را از نظر نشتی تست کنید. در این حالت عقربه اهم متر نباید تکان بخورد. توجه داشته باشید که انگشتتان به نوک فلزی پراب (قرمز یا مشکی) متصل نباشد. در اینصورت اهم متر مقاومت بدن شما را به جای نشتی دیود نشان خواهد داد!

کاربرد

مهم‌ترین کاربرد عملی دیود تبدیل جریان الکتریکی متناوب به مستقیم است. در بسیاری از آداپتورها جریان برقی که بوسیله ترانس کاهش پیدا کرده‌است به کمک یک دیود (یکسو سازی نیم موج)، دو دیود ( در ترانس با ثانویه سه سر ) یکسوسازی تمام موج و یا با چهار دیود ( در ترانس با ثانویه دو سر ) یکسو سازی تمام موج انجام می شود . توجه داشته باشید که ولتاز یکسویه پس از این دیود ها، فرکانس ریپل به میزان دو برابر فرکانس متناوب ( در حالت تمام موج ) را دارد و جهت مستقیم شدن کامل ولتاز بایستی خازن صافی با ولتاژ مجاز، ظرفیت بالا ( با توجه به مقدار جریان مصرفی ) و با رعایت پلاریته و بعد از پل دیود نصب شود.

در گیرنده‌های ای ام (مانند رادیو در باند اس دبلیو و ای ام و سیگنال تصویر تلوزیون آنالوگ) دیود نقش آشکار ساز را دارد بطوری که سیگنال مبانی (ای اف) پس از تقویت در بخش تقویت فرکانس میانی وارد یک دیود می‌شود و خروجی آن سیگنال نهایی قابل استفاده‌است. گرچه معمولا به جای دیود از ترانزیستور استفاده می شود تا یک طبقه تقویت صورت گرفته باشد و دیود بیس-امیتر ترانزیستور عملا کار آشکار سازی را هم انجام خواهد داد.

در موارد خاص هنگامی که برای روشن کردن وسایل الکتریکی تنها دسترسی به جریان الکتریکی مستقیم باشد برای جلوگیری از سوختن وسیله الکتریکی بر اثر اتصال معکوس سیم مثبت و منفی، از یک دیود در ابتدای مسیر جریان برق استفاده می‌کنند. اگر این دیود در مسیر مثبت جریان با مصرف کننده در حالت سری باشد به آن دیود رکتیفایر می گویند. ولی اگر بصورت موازی با مصرف کننده و به شکل معکوس قرار گرفته باشد به آن دیود محافظ در بایاس معکوس می گویند. از نوعی دیود به نام زنر در ساخت نوعی رگولاتور(تنظیم کننده ولتاژ) استفاده می شود.

ویکی پدیا