دیود زنر چیست؟

در این مطلب از سایت سیسوگ به مفهوم دیود زنر، نماد آن کاربرد های دیود زنر، ولتاژ و جریان مناسب این دیود و خلاصه هر اطلاعاتی که برای کار با این دیود نیاز دارید خواهیم پرداخت. با ما همراه باشید.

دیود زنر چیست؟

دیود زنر در یک مدار شامل مقاومت با ولتاژ 12.6

زمانی که دیودهای یکسوکننده خراب می‌شوند، به صورت مخرب عمل می کنند. بااین‌حال، می‌توان نوع خاصی از دیود ساخت که بتواند بدون خراب شدن کل مدار، این مشکلات را کنترل کند. این نوع دیود به نام دیود زنر شناخته می‌شود و نماد آن در شکل بالا قسمت نمایش‌داده‌شده است.

هنگامی که دیودهای زنر بایاس مستقیم هستند، رفتاری مشابه با دیودهای یکسوکننده استاندارد دارند: آن‌ها یک افت ولتاژ مستقیم دارند که از “معادله دیود” پیروی می‌کند و حدود 0.7 ولت است. در حالت بایاس معکوس تا زمانی که ولتاژ اعمال شده به ولتاژ زنر نرسد یا بیش‌تر از آن نشود، جریان هدایت نمی‌شود. در این مرحله دیود قادر است جریان قابل‌توجهی را هدایت کند.

تا زمانی که توان تلف شده توسط این جریان معکوس از حد حرارتی دیود تجاوز نکند، دیود آسیبی نخواهد دید. به همین دلیل، گاهی اوقات از دیودهای زنر به‌عنوان “دیودهای شکست” یاد می‌شود. هنگامی که دیودهای زنر بایاس مستقیم هستند، رفتاری مشابه با دیودهای یکسوکننده استاندارد دارند: آن‌ها یک افت ولتاژ مستقیم دارند که از “معادله دیود” پیروی می‌کند و دارای ولتاژ 0.7 ولت است.

در حالت بایاس معکوس، دیودهای زنر بایاس مستقیم تا زمانی که ولتاژ اعمال شده به ولتاژ زنر نرسد یا بیش‌تر نشود، هدایت نمی‌شوند؛ در آن نقطه دیود قادر است جریان قابل‌توجهی را هدایت کند و با انجام این کار سعی می‌کند ولتاژ افت شده در آن را به نقطه ولتاژ زنر برساند. تا زمانی که توان تلف شده توسط این جریان معکوس از حد حرارتی دیود تجاوز نکند، دیود آسیبی نخواهد دید. به همین دلیل، گاهی اوقات از دیودهای زنر به‌عنوان “دیودهای شکست” یاد می‌شود.

دیودهای زنر با ولتاژهای زنر در مقادیر مختلف از چند ولت تا صدها ولت تولید می‌شوند. این ولتاژهای زنر با دما کمی تغییر می‌کنند. به‌طورکلی ثبات و دقت آن‌ها به‌ اندازه کافی خوب است که دیود زنر به‌عنوان یک دستگاه تنظیم‌کننده ولتاژ در مدار منبع تغذیه مشترک استفاده شود.

نماد دیود زنر

دیودها اغلب در بسته‌های استوانه‌ای شیشه‌ای یا پلاستیکی به بازار عرضه می‌شوند. همچنین، آن‌ها با یک نوار در یک طرف به‌منظور نشان‌دادن قطبیت مشخص می‌گردند. در یک دیود ایده‌آل، جریان فقط در یک جهت وجود دارد؛ از آند به کاتد که این جهت با نوار مشخص شده است.

به‌طورکلی، نماد شماتیک دیود زنر، یک مثلث است که به سمت میله‌ای اشاره می‌کند که جهت جریان نیز به همان سمت (از آند به کاتد) است. نماد دیود زنر به صورت تصویر بالا است.

کاربرد دیود زنر

از کاربردهای مهم دیود زنر می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

۱. تنظیم‌کننده ولتاژ

 به‌طورکلی، در مدارهای تنظیم‌کننده (مانند رگولاتور خطی) از دیود زنر برای تنظیم ولتاژ استفاده می‌شود. این کاربرد دیودهای زنر تا میزان بسیار زیادی به قابلیت آن‌ها در حفظ ولتاژ ثابتی که مستقل از تغییرات جریان منبع و بار می‌باشد، بستگی دارد.

وظیفه اصلی یک دستگاه تنظیم‌کننده ولتاژ، فراهم‌کردن یک ولتاژ خروجی ثابت برای بار متصل موازی با آن است، بدون آنکه تغییرات انرژی جذب شده توسط بار (جریان بار) و عدم ثبات در ولتاژ منبع بر روی آن تأثیر بگذارد. دراین‌خصوص، دیود زنر نیز ولتاژ ثابتی را فراهم می‌نماید درحالی‌که جریان آن در محدوده مینیمم و ماکزیمم جریان معکوس باقی بماند.

۲. برش دهنده طول‌موج

 یکی از کاربردهای دیودهای زنر در مدارهای برش دهنده و جابه‌جاکننده سطح سیگنال است. این مدارها برای شکل‌دادن یا اصلاح شکل موج ورودی AC یا سیگنال استفاده می‌شوند و باعث ایجاد اشکال متفاوتی برای خروجی سیگنال می‌گردند که نوع این اشکال به نوع مدارت برش دهنده و جابه‌جاکننده آن بستگی دارد.

به‌طورکلی، مدارهای برش دهنده مدارهایی هستند که بدون ایجاد تغییری در سیگنال ورودی یا شکل موج، از بالارفتن سیگنال خروجی یک مدار نسبت به یک ولتاژ مشخص و از پیش تعیین شده جلوگیری می‌نمایند. این مدارها در کنار مدار جابه‌جاکننده سطح سیگنال، به طور گسترده در فرستنده‌های تلویزیون‌های آنالوگ و رادیوهای FM استفاده می‌شوند تا از تداخل امواج جلوگیری کرده و پیک‌های نویز را از طریق برش پیک‌های بالا محدود نمایند.

۳. انتقال‌دهنده ولتاژ

 یکی از ساده‌ترین و درعین‌حال، جذاب‌ترین کاربردهای دیود زنر، انتقال ولتاژ می‌باشد.

اگر شما نیز قبل از این تجربه اتصال یک سنسور 3.3 ولتی به یک MCU (واحد میکروکنترلر) 5 ولتی را داشته اید و در همان ابتدای کار با خطاهایی مانند خطای خواندن مقدار و… مواجه شده اید، پس این تجربه باعث شده است تا به اهمیت انتقال دهنده های ولتاژ پی ببرید!

وظیفه انتقال‌دهنده‌های ولتاژ تبدیل سیگنال از یک ولتاژ به ولتاژ دیگر است و دیود زنر به علت توانایی در ثابت نگه‌داشتن ولتاژ خروجی در ناحیه شکست خود، قطعه‌ای ایده‌آل برای انتقال سطح سیگنال به‌حساب می‌آید.

شاید برای شما مفید باشد: آموزش الکترونیک از 0 تا 100

ولتاژ و جریان مناسب دیود زنر

ولتاژ نامی دیود زنر که ولتاژ شکست هم نامیده می‌شود، یکی از مهم‌ترین معیارهایی است که در انتخاب دیود زنر باید به آن توجه کرد. دیودهای زنر اغلب با ولتاژ ۲٫۴ تا ۲۰۰ ولت تولید می‌شوند. البته این ولتاژ می‌تواند تا 1 کیلو ولت هم بالا برود؛ در حالی که ولتاژ نامی دیود زنر SMD حداکثر حدود 47 ولت می باشد.

ماکزیمم (حداکثر) جریان دیود زنر

ماکزیمم جریان دیود زنر بیش‌ترین مقدار جریانی است که بدون این‌که به دیود آسیبی برسد، از آن عبور دهد و اغلب تا 200 A می‌باشد.

مینیمم (حداقل) جریان دیود زنر

به کمترین مقدار جریانی که برای شروع کار دیود زنر لازم است، مینیمم جریان زنر گفته می‌شود که اغلب 5 میلی آمپر و 10 میلی آمپر می‌باشد.

تعیین مقدار دیود زنر

دیود زنر را می‌توان همانند دیودهای معمولی در مدار استفاده کرد. (بایاس مستقیم) ولی دیود زنر را برخلاف دیودهای معمولی بیش‌تر به‌صورت بایاس معکوس (غیرمستقیم) در مدار قرار می‌دهند.

همان‌طور که می‌دانید، اگر دیودهای معمولی را معکوس در مدار قرار دهیم، موجب جلوگیری از عبور جریان الکتریکی در مدار می‌شوند و این موضوع تا زمانی ادامه دارد که ولتاژ در آن نقطه کمتر از ولتاژ کار (ولتاژ آستانه) دیود باشد. به‌عنوان‌مثال، اگر ولتاژ شکست یک دیود 1N4007  برابر با 1000 ولت باشد، در صورتی که اختلاف ولتاژ دو سر آن به بیش‌تر از 1000 ولت برسد، این قطعه الکترونیکی هادی می‌شود و در نهایت، جریان را از خود عبور می‌دهد. البته در این حالت، دیود می‌سوزد و دیگر قابل استفاده نمی‌باشد.

روش تشخیص ولتاژ شکست دیود زنر

علاوه بر روش کد دیود زنر، یکی دیگر از روش‌های تشخیص ولتاژ شکست دیود زنر اندازه‌گیری از روی مدار است. به‌طورکلی، هنگامی که شما دیودی را خریداری می‌کنید، می‌توانید از روی آن ولتاژ شکست را بخوانید. اما گاهی اوقات ولتاژ شکست واضح چاپ نشده و یا پاک شده است. در این حالت با کمک یک ولت‌متر می‌توان میزان این ولتاژ شکست را اندازه گرفت.

روش خواندن دیود زنر

جریان و ظرفیت کاری دیود زنر را علاوه بر اینکه روی آن‌ها چاپ می‌شود، می‌توان اندازه‌گیری نیز کرد. در دیودهای زنر از نوارهای رنگی جهت نشان‌دادن ظرفیت و تلرانس دیود استفاده می‌شود. ابعاد فیزیکی دیود نیز نشان‌دهنده توان آن می‌باشد. نوارهای رنگی روی دیود زنر بر اساس یک سیستم در تشخیص ظرفیت این دیودها هستند که کد رنگی دیود زنر نامیده می‌شود.

کد دیود زنر به نام کد رنگی دیود زنر نیز شناخته می‌شود و مطابق با جدول زیر است:

*در این جدول، راهنمای خواندن کدهای دیود زنر آمده است.

میزان ظرفیت دیود نیز به‌صورت زیر محاسبه می‌شود:

خطای تلورانس –  عدد مربوط به Multiplier × کد رنگ نوار اول

نحوه خواندن کد دیود زنر

از نظر ظاهری دیودهای ولتاژ و سیگنال مشابه هم هستند. دیود زنر ولتاژ برای تنظیم ولتاژ کاربرد دارد. روش تشخیص کد این دیودها در جدول زیر بیان داده شده است:

ویژگی تنظیم ولتاژ

تنظیم ولتاژ یک ویژگی مفید برای دیود است. فرض کنید در حال ساخت نوعی مدار هستید که نمی‌تواند تغییرات ولتاژ منبع تغذیه را تحمل کند، اما باید توسط یک باتری شیمیایی تغذیه شود که ولتاژ آن در طی زمانی که از آن استفاده می کنیم تغییر می‌کند؛ در این صورت، این ویژگی به کمک شما می‌آید. همان‌طور که در بالا نشان‌داده‌شده است، شما می‌توانید مداری ایجاد کنید و آن را به مداری که نیاز به ولتاژ ثابت در سراسر دیود دارد وصل کنید، جایی که ولتاژ 0.7 ولت دریافت می‌کند.

به‌طورکلی اکثر مدارها برای داشتن عملکرد مناسب، به ولتاژ منبع تغذیه بیش از 0.7 ولت نیاز دارند. یکی از راه‌هایی که می‌توان نقطه تنظیم ولتاژ را افزایش داد این است که چندین دیود را به‌صورت سری به یکدیگر متصل کنید. به‌عنوان‌مثال، اگر ده دیود به‌صورت سری داشته باشیم، ولتاژ تنظیم شده ده برابر 0.7 ولت یعنی برابر با 7 ولت خواهد بود. مانند شکل b تا زمانی که ولتاژ باتری کمتر از 7 ولت نشده است، همواره ولتاژ حدود 7 ولت افت پیدا می‌کند.

چگونه دیودها افت ولتاژ را تنظیم می‌کنند؟

اگر دیود و مقاومت را به‌صورت سری به منبع ولتاژ DC متصل کنیم تا دیود بایاس مستقیم باشد، افت ولتاژ در سراسر دیود در ولتاژهای مختلف منبع تغذیه، نسبتاً ثابت خواهد ماند. (مانند شکل a) همچنین، جریان عبوری از یک اتصال PN بایاس مستقیم متناسب با e افزایش می‌یابد. ازآنجایی‌که این یک تابع‌نمایی است، جریان برای افزایش افت ولتاژ به‌سرعت افزایش می‌یابد.

از طرف دیگر، می‌توانیم بگوییم افت ولتاژ طی یک دیود بایاس مستقیم تغییرات بسیار کمی در برابر تغییرات بزرگ جریان دیود دارد. در مدار نشان‌داده‌شده در شکل a، جریان دیود توسط ولتاژ منبع تغذیه، مقاومت سری و افت ولتاژ دیود محدود می‌شود.

اگر قرار باشد ولتاژ منبع تغذیه افزایش یابد، افت ولتاژ مقاومت نیز به همان میزان افزایش می‌یابد، اما ولتاژ دیود کاهش می‌یابد. برعکس، اگر ولتاژ منبع تغذیه کاهش یابد، افت ولتاژ مقاومت نیز به همان میزان کاهش می‌یابد. همچنین، فقط کمی افت ولتاژ دیود نیز کاهش پیدا می‌کند. در یک‌کلام، می‌توانیم این رفتار را با اشاره به این موضوع که دیود افت ولتاژ را در حدود 0.7 ولت تنظیم می‌کند، خلاصه کنیم.

چرا دیود زنر به جای دیود معمولی باید استفاده شود؟

به‌طورکلی اگر ولتاژ بالاتری نیاز داشته باشیم، می‌توانیم از دیودهای بیش‌تری به‌صورت سری استفاده کنیم یا روشی متفاوت را امتحان کنیم. همان‌طور که می‌دانید، ولتاژ مستقیم دیود در اغلب موارد مقداری ثابت است. همچنین، ولتاژ شکست معکوس نیز همین‌طور است. ولتاژ شکست معمولاً بیش‌تر از ولتاژ مستقیم است.

اگر قطبیت دیود را در مدار رگولاتور تک دیودی معکوس کنیم و ولتاژ منبع تغذیه را تا جایی افزایش دهیم که دیود خراب شود (یعنی دیگر نتواند ولتاژ بایاس معکوس را تحمل کند) دیود، ولتاژ را در نقطه شکست تنظیم می‌کند و اجازه نمی‌دهد که مقدار آن بیش‌تر شود. این موضوع در شکل زیر قسمت a نشان‌داده‌شده است.

(a) دیود سیگنال کوچک Si بایاس معکوس که در 100 ولت خراب می شود. (b) نماد دیود زنر.

ولتاژهای رایج دیود زنر

دیودهای زنر طبق رتبه‌بندی ولتاژهای ذکر شده در جدول زیر تولید می‌شوند. این جدول ولتاژهای رایج دیود زنر را برای قطعات 0.3 وات و 1.3 وات فهرست می‌کند.

• چرا از دیود زنر به‌عنوان رگولاتور استفاده می‌شود؟

از دیود زنر به‌عنوان رگولاتور ولتاژ استفاده می‌شود؛ زیرا دیود زنر به‌موازات بار متصل می‌شود زمانی که ولتاژ اعمالی بیشتر از ولتاژ شکست دیود باشد جریان را در جهت برعکس در مدار عبور می دهد. دیگر دلیل استفاده از این دیود بعنوان رگولاتور قیمت مناسب آن می باشد.

• تفاوت بین دیود زنر و دیود معمولی چیست؟

تفاوت اصلی بین دیود زنر و دیود معمولی در عبور جریان است. یک دیود معمولی اجازه می‌دهد تا جریان فقط در یک‌جهت حرکت کند، درحالی‌که دیود زنر اجازه می‌دهد تا جریان در هر دو جهت بتواند حرکت کند.

• نام دیگر دیود زنر چیست؟

به دیود زنر، دیود شکست نیز گفته می‌شود.

• اولین کسی که خواص الکتریکی دیود زنر را توصیف کرد چه کسی بود؟

کلارنس ملوین زنر اولین کسی بود که خواص الکتریکی دیود زنر را توصیف کرد.

• انواع خرابی دیود زنر چیست؟

دو نوع خرابی برای دیود زنر وجود دارد که عبارت‌اند از: شکست بهمنی یا Avalanche Breakdown شکست زنر یا Zener Breakdown

• تحمل ولتاژ دیود زنر چقدر است؟

دیود های زنر تجاری موجود در بازار معمولا تحمل ولتاژ بین 2.4 ولت تا 200 ولت را دارند.

• آیا از دیود زنر به‌عنوان رگولاتور ولتاژ شنت (shunt) استفاده می‌شود؟

بله برای تنظیم ولتاژ در بارهای کوچک، از دیود زنر به‌عنوان رگولاتور ولتاژ شنت استفاده می‌شود.

جمع‌بندی

دیودهای زنر به‌گونه‌ای طراحی شده‌اند که در حالت بایاس معکوس کار می‌کنند و یک شکست نسبتاً پایین و پایدار را فراهم می‌کنند که در آن شروع به تولید جریان معکوس قابل‌توجهی می‌کنند.

یک دیود زنر ممکن است به‌عنوان یک رگولاتور ولتاژ و یا به‌عنوان یک بار اضافه عمل کند که چه ولتاژ زیاد و چه کم باشد، دیود زنر جریان زیادی از منبع می‌گیرد.