دیود زنر چیست؟ تعریف، نماد الکترونیکی، عملکرد و کاربردهای آن

ما در مقالات قبلی در خصوص دیودهای P-N و همچنین دیود شاتکی بطور مفصل صحبت کردم. البته در همان مقاله دیود معمولی در خصوص دیود زنر صحبت کردیم. اما در این مقاله بطور تخصصی راجع به دیود زنر بحث خواهیم کرد.

دیود زنر توسط مهندس آمریکایی کلارنس ملوین زنر اختراع شد، بنابراین به نام او نامگذاری شده است. ویژگی دیود زنر این است که می تواند در هر دو جهت بایاس مستقیم و بایاس معکوس کار کند. در این مقاله نگاهی به عملکرد، ویژگی ها، رتبه بندی، ساختار و کاربردهای آن خواهیم داشت.

دیود زنر چیست؟

دیود زنر یک دیود ویژه است که جریان را قادر می سازد نه تنها از ترمینال مثبت (آند) به ترمینال منفی (کاتد) بلکه در جهت مخالف نیز جریان یابد.

دوپینگ دیود زنر بیشتر از دیود معمولی است، بنابراین قسمت تخلیه آن مساحت کمتری دارد.

دیود عمومی در شرایط بایاس معکوس عمل نمی کند، اما دیودهای زنر به طور ویژه برای عملکرد بایاس معکوس ساخته شده اند.

دیود زنر بیشتر در انواع دستگاه های الکترونیکی مانند کامپیوتر، لپ تاپ و غیره استفاده می شود و جزء اصلی مدارهای الکترونیکی است.

برای مدارهای تثبیت کننده قدرت برای حفظ سطح ولتاژ در یک سطح خاص استفاده می شود.

دیود زنر همچنین از هر مداری در برابر ولتاژ اضافی، به ویژه در برابر ESD (تخلیه الکترواستاتیک) محافظت می کند. در ESD جریان به طور ناگهانی در بین دو نقطه شارژ شده توسط یک اتصال کوتاه یا خرابی عایق جریان می یابد.

شکست در دیود زنر

2 ناحیه شکست اصلی در دیود زنر وجود دارد.

شکست بهمنی

شکست زنری

بیایید هر دو را یک به یک به تفصیل مورد بحث قرار دهیم.

شکست بهمنی

این نوع شکست نه تنها در دیود زنر بلکه در دیود عمومی نیز به دلیل ولتاژ بالاتر در شرایط بایاس معکوس ایجاد می شود.

هنگامی که دیود در شرایط بایاس معکوس قرار دارد، حامل های بار اقلیت انرژی بیشتری از منبع دریافت می کنند و به سرعت حرکت می کنند.

حامل های بار با سرعت بالا با ذرات دیگر برخورد می کنند و الکترون های بیشتری را از اتم خارج می کنند. اینها با سرعت بالاتری حرکت می کنند و همچنین الکترون های بیشتری را از اتم های دیگر خارج می کنند.

با توجه به مقدار بیشتر الکترون ها، جریان معکوس از کاتد به آند جریان می یابد، در برخی شرایط دیود عمومی می تواند آسیب ببیند.

اما دیود زنر ممکن است نسوزد زیرا طراحی شده است تا در آن شرایط کار کند.

نمودار داده شده ولتاژ شکست بهمن را توضیح می دهد.

شکست زنری

این نوع شکست در دیود دوپینگ بالا مانند زنر ظاهر می شود، زیرا این دیود به دلیل دوپینگ بیشتر، سطح تخلیه کمتری دارد.

هنگامی که ولتاژ ارائه شده به دیود افزایش می یابد، در یک منطقه تخلیه نازک، میدان الکتریکی بسیار موثر برقرار می شود.

زمانی که ولتاژ معکوس تقریباً با ولتاژ زنر برابری می کند، میدان الکتریکی در بخش تخلیه آنقدر قوی است که الکترون ها را از باند والانس خود بیرون می کشد.

بیرونی ترین الکترون پوسته ای که نیروی کافی از میدان دریافت می کند، از اثر اتم مادر بیرون می زند.

بیرونی ترین الکترون پوسته ای که از اثر اتم مادرش جدا می شود، آزادانه حرکت می کند.

با توجه به رانش آزاد این انتخاب، جریان معکوس در دیود جریان می یابد.

افزایش کمتر در ولتاژ باعث می شود جریان به سرعت در قسمت شکست زنر حرکت کند.

تفاوت بین شکست زنری و شکست بهمنی

شکست زنری در مقدار کمتر ولتاژ بایاس معکوس ایجاد می شود در حالیکه شکست بهمنی در ولتاژ بایاس معکوس بالاتر رخ می دهد.

شکست زنری فقط در دیود زنر اتفاق می افتد زیرا آنها دارای ناحیه تخلیه کمتری هستند.

منطقه شکست چنین منطقه ای است که معمولا دیود زنر در آن کار می کند.

اثر زنری

اثر زنری مقوله ای از شکست (خرابی) الکتریکی است که در پیوند PN بایاس معکوس خارج می شود، میدان ایستایی قوی به الکترون ها اجازه می دهد تا از باند والانس به باند رسانای یک نیمه هادی حرکت کنند.

نام آن به دلیل استفاده از این عامل در عملکرد دیود زنر است.

مشخصه I-V دیود زنر

دیود زنر در شرایط بایاس معکوس کار می کند، در حالت بایاس معکوس آند دیود به پایه منفی و کاتد به پایه مثبت منبع تغذیه متصل می شود.

در نمودار داده شده، اثر بایاس معکوس زنر در منحنی بین جریان و ولتاژ نشان داده شده است.

هنگامی که ما ولتاژ را به زنر می دهیم، تا زمانیکه ولتاژ اعمال شده به زنر کمتر از ولتآژ شکست زنری است مقدار کمی از جریان نشتی در دیود جریان می یابد.

هنگامی که مقدار ولتاژ اعمال شده به ولتاژ زنر نزدیک می شود، مقدار زیادی از جریان معکوس در دیود جریان می یابد و منحنی به طور ناگهانی حالت خود را از صاف به عمودی تغییر می دهد.

به دلیل افزایش لحظه ای مقدار جریان، خرابی که در دیود اتفاق می افتد را شکست زنر می نامند.

مقدار ولتاژ شکست زنر با توجه به سطح دوپینگ دیود در نوسان است.

اگر سطح دوپینگ دیود بزرگتر باشد، خرابی با ولتاژ کمتری رخ می دهد.

اگر دوپینگ کمتر باشد، خرابی در مقدار بالاتر ولتاژ عرضه شده اتفاق می افتد.

معمولاً مقدار ولتاژ زنر برای دیودها (1.8) ولت تا (400) ولت است.

مزایای دیود زنر

مزایای دیود زنر نسبت به دیود معمولی وجود دارد که باعث می شود در شرایط ولتاژ بالا کار کند.

توان مصرف برق آن بالاتر از دیود معمولی است.

کارایی آن بسیار بالاست.

در سایز کوچکتر موجود است.

این یک دیود ارزان تر است.

کاربردهای دیود زنر

معمولاً به عنوان یک قطعه مرجع ولتاژ استفاده می شود.

در تنظیم کننده های ولتاژ استفاده می شود.

برای اهداف سوئیچینگ استفاده می شود.

دیود زنر بخش مهمی از برش و مدارهای برش است.

در بسیاری از مدارهای امنیتی استفاده می شود.

همچنین در دستگاه های الکترونیکی مانند لپ تاپ موبایل، کامپیوتر و غیره استفاده می شود.

زنر به عنوان تثبیت کننده ولتاژ

دیودهای زنر را می توان برای تولید یک خروجی ولتاژ تثبیت شده با ریپل کم تحت شرایط فعلی بار استفاده کرد. از طریق یک مقاومت محدود کننده جریان مناسب (RS)، دیود زنر جریان کافی برای حفظ افت ولتاژ Vout را ایجاد می کند.
از مقاله یکسوکننده ولتاژ به یاد داریم 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. با اتصال یک مدار تثبیت کننده ساده زنر همانطور که در زیر نشان داده شده است در سرتاسر خروجی یکسوساز، ولتاژ خروجی پایدارتری را می توان تولید کرد.

مقاومت RS به صورت سری به دیود زنر متصل می شود تا جریان عبوری از طریق منبع ولتاژ به دیود را محدود کند، VS به دو سر زنر و مقاومت وصل می شود. ولتاژ خروجی تثبیت شده Vout از دو سر دیود زنر گرفته می شود.
دیود زنر با ترمینال کاتدی خود متصل به بخش مثبت منبع DC است، بنابراین بایاس معکوس است و در شرایط شکست خود کار خواهد کرد. مقاومت RS برای محدود کردن حداکثر جریان در مدار انتخاب شده است.
بدون اتصال بار به مدار، جریان بار صفر خواهد بود (IL = 0) و تمام جریان مدار از دیود زنر عبور می کند که به نوبه خود حداکثر توان آن را تلف می کند.
همچنین انتخاب مقدار کم مقاومت سری RS منجر به افزایش جریان دیود در هنگام اتصال مقاومت بار RL می شود، که این اتفاق یعنی عبور جریان بیشتر از دیود اتلاف توان دیود را افزایش می دهد، بنابراین هنگام انتخاب مقدار مناسب مقاومت سری باید دقت شود. تا توان زنر در این شرایط بی باری یا همان امپدانس بالا از مقدار حداکثر  خودش (مقدار نامی) تجاوز نکند.
بار به صورت موازی با دیود زنر وصل می شود، بنابراین ولتاژ در دو سر RL همیشه با ولتاژ زنر یکسان است (VR = VZ).
یک مقدار حداقلی برای جریان زنر وجود دارد که تضمین کننده عملکرد صحیح زنر برای تثبیت ولتاژ  موثر است و جریان زنر باید همیشه بالاتر از این مقدار باقی بماند تا تحت بار در منطقه شکست خود باقی بماند. حد بالایی جریان البته به مقدار توان دستگاه بستگی دارد. ولتاژ تغذیه VS باید بیشتر از VZ باشد.
یکی از مشکلات کوچک مدارهای تثبیت کننده دیود زنری این است که دیود گاهی اوقات می تواند نویز الکتریکی روی منبع DC ایجاد کند، زیرا سعی می کند ولتاژ را تثبیت کند. معمولاً این مشکل در اکثر کاربردها مشاهده نمی شود، اما ممکن است برای هموارسازی بیشتر، به یک خازن جداکننده با ظرفیت زیاد در خروجی زنر نیاز باشد.
پس بطور خلاصه می توان چنین گفت که تنظیم کننده ولتاژ زنر شامل یک مقاومت محدود کننده جریان RS است که به صورت سری با ولتاژ ورودی VS و دیود زنر به موازات بار RL در این شرایط بایاس معکوس متصل شده است. ولتاژ خروجی تثبیت شده همیشه به عنوان ولتاژ شکست VZ دیود انتخاب می شود.

همانطور که می دانیم در بسیاری از کاربردها ساخت یک منبع تغذیه تثبیت شده 5.0 ولت از منبع تغذیه 12 ولت DC ضروری است. فرض کنید حداکثر توان PZ دیود زنر 2 وات باشد. با استفاده از مدار تنظیم کننده زنر بالا محاسبات را به صورت زیر انجام می دهیم:
آ). حداکثر جریانی که از دیود زنر می گذرد.

ب). حداقل مقدار مقاومت سری، RS

ج). جریان بار IL اگر یک مقاومت بار 1 کیلو اهم در دو سر دیود زنر وصل شود.

د). جریان زنر IZ در بار کامل.

طراحی به همین سادگی و با در نظر گرفتن نکات ذکر شده تمام شد.

یک راهکار دیگر برای طراحی مقادیر مورد نیاز این مدار مراجعه به لینک زیر است:

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Electronic/zenereg.html

علاوه بر تولید یک خروجی ولتاژ تثبیت شده، دیودهای زنر می توانند به صورت سری به همراه دیودهای سیلیکونی معمولی به یکدیگر متصل شوند تا مقادیر مختلف خروجی ولتاژ را مطابق شکل زیر تولید کنند.

مقادیر دیودهای زنر را می توان متناسب با کاربرد انتخاب کرد در حالی که دیود سیلیکون همیشه در شرایط بایاس مستقیم حدود 0.6 تا 0.7 ولت کاهش می یابد. البته ولتاژ منبع تغذیه Vin باید بالاتر از بزرگترین ولتاژ مرجع خروجی باشد و در مثال ما  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 به عنوان 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. جدول زیر را ملاحظه کنید.