دیود زنر چیست؟ معرفی کامل و نحوه کار دیود زنر

در این مقاله دیود زنر را به صورت کامل توضیح میدهیم و کاربرد های آن را با ذکر مثال بازگو میکنیم.

دیود زنر چیست؟

بطور کلی دیودها بعنوان وسیله ای شناخته می شوند که اجازه عبور جریان را تنها در یک جهت می دهند (بایاس مستقیم) و در بایاس معکوس در برابر عبور جریان از خود مقاومت نشان می دهند. از طرف دیگر دیود زنر (که به افتخار دانشمند امریکایی سی.زنر که اولین فردی بود که اصول موثر این قطعه را تفسیر کرد، با این نام شناخته می شود) نه تنها در بایاس مستقیم اجازه عبور جریان را می دهد ، بلکه در بایاس معکوس نیز تا زمانی که ولتاژ کاری آن بالاتر از ولتاژ شکست دیود (که با نام ولتاژ شکست زنر شناخته می شود) باشد اجازه عبور جریان را خواهد داد. به عبارت دیگر ولتاژ شکست ولتاژی است که در آن ولتاژ، دیود زنر شروع به هدایت در بایاس معکوس می کند.

پیشنهاد میکنم قبل از خواندن ادامه مطلب، نگاهی به مقاله دیود چیست بیاندازید.

پادکست زیر شما را با دیود های زنر آشنا میکند:

اصل اساسی دیود زنر

در دیودهای معمولی ولتاژ شکست بسیار زیاد است و اگر ولتاژ اعمالی به دیود بیشتر از ولتاژ شکست آن باشد، منجر به آسیب دیدن دیود می شود. اما در دیودهای زنر ولتاژ شکست آن چنان بالا نیست و اگر ولتاژ اعمالی بیشتر از ولتاژ شکست باشد موجب آسیب دائمی دیود زنر نخواهد شد. با افزایش ولتاژ معکوس اعمالی به دیود زنر و نزدیک شدن ولتاژ شکست، جریانی به نام جریان زنر در دیود شروع به جاری شدن می کند و این فرایند نیز با نام شکست بهمنی شناخته می شود. در این فرایند جریان تا رسیدن به مقدار ماکزیمم افزایش یافته و  پس از ان ثابت می شود. این جریان در محدوده وسیعی از ولتاژ اعمالی همچنان ثابت می ماند و دیود زنر را قادر می سازد تا در ولتاژ بالاتر بدون اسیب دیدن به کار خود ادامه دهد. مقدار این جریان توسط مقاومت سری با دیود تعیین می گردد.

تصاویر زیر نشان دهنده عملکرد یک دیود معمولی در حالت فعال است.

برای نشان دادن نحوه عملکرد دیود زنر دو آزمایش A  و B را در شکل های زیر در نظر بگیرید.

در آزمایش A همانگونه که در شکل نشان داده شده است یک دیود زنر 12 ولت در بایاس معکوس قرار دارد و می توان دید که دیود زنر در این حالت بطور موثری ولتاژ را مسدود کرده است زیرا ولتاژ اعمالی برابر یا کمتر از ولتاژ شکست این دیود زنر خاص است و درنتیجه لامپ همچنان خاموش می ماند.

در آزمایش B یک دیود زنر 6 ولتی در بایاس معکوس در حال هدایت است (لامپ روشن است) زیرا ولتاژ اعمالی به دیود بیشتر از ولتاژ شکست آن بوده و نتیجه دو ازمایش نشان می دهد که ناحیه شکست همان ناحیه عملکرد دیود زنر است.

منحنی مشخصه ولتاژ – جریان دیود زنر در شکل زیر امده است:

با توجه به منحنی می توان چنین نتیجه گرفت که دیود زنر در هنگام کار در ناحیه ای از بایاس معکوس دارای ولتاژ نسبتا ثابتی است که مستقل از مقدار جریان اعمالی است.

کاربرد دیود زنر

دیودهای زنر در مدارات الکترونیک دارای 3 کاربرد مهم هستند:

1. تنظیم ولتاژ
2. برش دهنده شکل موج
3. انتقال دهنده (سطح) ولتاژ

1. دیود زنر بعنوان تنظیم کننده ولتاژ

تقریبا می توان گفت این خصوصیت رایج ترین کاربرد دیود های زنر است. این کاربرد دیودهای زنر تا حد زیادی به توانایی این دیودها در حفظ ولتاژ ثابتی وابسته است که مستقل از تغییرات جریان منبع و جریان بار باشد. عملکرد اصلی یک دستگاه تنظیم کننده ولتاژ فراهم کردن یک ولتاژ خروجی ثابت برای بار متصل موازی با آن است، بدون انکه تغییرات در انرژی جذب شده توسط بار ( جریان بار) یا تغییرات و عدم ثبات در ولتاژ منبع برروی عملکرد ان تاثیر بگذارد. دیود زنر نیز ولتاژ ثابتی را فراهم می کند درحالی که جریان ان نیز در محدوده مینیمم و ماکزیمم جریان معکوس باقی می ماند.

در شکل زیر دیاگرام مداری را مشاهده می کنید که در آن از دیود زنر بعنوان تنظیم کننده ولتاژ استفاده شده است.

همانگونه که در شکل می بینید، یک مقاومت (R1) بصورت سری با دیود زنر قرار داده شده است تا مقدار جریان عبوری از دیود را محدود کند و ولتاژ ورودی Vin (که بایستی بیشتراز ولتاژ شکست زنر باشد) نیز همانند شکل در مدار قرار دارد ولتاژ خروجی Vout نیز در دو سر دیود زنر است بطوری که

Vout = Vz

بدلیل خصوصیات بایاس معکوس دیود زنر ، برای تنظیم کردن ولتاژ توسط این دیود لازم است تا این دیود در بایاس معکوس قرار بگیرد بگونه ای که کاتد آن به ولتاژ مثبت مدار وصل گردد. در انتخاب مقدار مقاومت R1 بایستی احتیاط کرد، چرا که در زمانی که بار به مدار متصل است، یک مقاومت با مقدار کوچک منجر به ایجاد جریان زیادی برای دیود می گردد و این امر موجب افزایش اتلاف توان مورد نیاز دیود می گردد تا جایی که ممکن است این اتلاف توان بیشتر از ماکزیمم توان مورد نیاز دیود زنر بوده و درنتیجه موجب آسیب دیدن آن گردد.

مقدار مقاومت مورد نیاز را می توان از طریق فرمول های زیر بدست آورد :

R1 = (Vin – VZ) / IZ

• R1 = مقدار مقاومت سری
• Vz = برابر با Vout و ولتاژ دیود زنر
• Vin = ولتاژ ورودی
• Iz = جریان Diode Zener

با بکار بردن این فرمول ها می توان اطمینان یافت که مقدار مقاومت انتخاب شده منجر به ایجاد جریانی بیشتر از جریان قابل کنترل توسط دیود زنر نمی گردد.

مشکل کوچکی که در زمان استفاده از دیود زنر به عنوان رگولاتور مدارات به چشم می خورد این است که این دیود گاهی اوقات در حالی که در تلاش است تا ولتاژ ورودی را تنظیم کند، در مسیر منبع نویز الکتریکی تولید می کند. با وجود انکه این مسئله در بسیاری از کاربردها  یک مشکل قلمداد نمی شود اما می توان با اضافه کردن یک خازن دکوپلاژ با ظرفیت بالا به موازات دیود این مشکل را رفع کرد. وجود این خازن به ثابت ماندن خروجی دیود کمک می کند.

2. دیود زنر بعوان برش دهنده شکل موج

یکی از موارد استفاده دیودهای معمولی بکاررفتن آنها در مدارات برش دهنده و جابجا کننده سطح سیگنال است . این مدارات بمنظور شکل دادن یا اصلاح شکل موج ورودی AC یا سیگنال بکار می روند و منجر به تولید اشکال متفاوتی برای خروجی سیگنال می گردند که نوع این اشکال به نوع مدارت برش دهنده و جابجا کننده آن بستگی دارد. بطور کلی مدارات برش دهنده مداراتی هستند که، بدون ایجاد هیچ گونه تغییری در سیگنال ورودی یا شکل موج،  از بالارفتن سیگنال خروجی یک مدار نسبت به یک ولتاژ مشخص و از پیش تعیین شده جلوگیری می کنند. این مدارات در کنار مدارت جابجا کننده سطح سیگنال بطور گسترده ای در فرستنده های تلویزیون های آنالوگ و رادیوهای FM بکار می روند تا از تداخل امواج (مدارات جابجا کننده سطح) جلوگیری کرده و پیک های نویز را بوسیله برش پیک های بالا محدود کنند.

بطورکلی در دیودهای زنر تا زمانی که ولتاژ اعمالی برابر با ولتاژ شکست نگردد، این دیودها نیز رفتاری مشابه با دیودهای معمولی دارند و درنتیجه در مدارت برش دهنده از این دیودها نیز استفاده می شود. مدارات برش دهنده را بگونه ای می توان طراحی کرد تا سیگنال خروجی را در ناحیه مثبت یا منفی یا هردو ناحیه برش دهد. اگرچه بایستی خاطر نشان کرد که یک دیود ، مستقل از انکه در یک مدار برش دهنده منفی یا مثبت به چه گونه ای طراحی شده است، بطور طبیعی نواحی دیگر را در ولتاژ 0.7 برش می دهد. بطور مثال مدار زیر را در نظر بگیرید:

در شکل بالا مدار برش دهنده بمنظور برش سیگنال خروجی در 6.2 ولت طراحی شده است، درنتیجه از یک دیود زنر 6.2 ولت استفاده شده است. دیود زنر، صرف نظر از شکل موج ورودی،  از بالاتر رفتن ولتاژ سیگنال خروجی نسبت به ولتاژ زنر جلوگیری می کند. در این مثال خاص از یک منبع ولتاژ 20 ولت در ورودی استفاده شده است، و ولتاژ خروجی در نوسان مثبت بوسیله ولتاژ دیود زنر برروی مقدار 6.2 ولت ثابت شده است. اگرچه، در طول نوسان منفی ولتاژ AC دیود زنر رفتاری دقیقا مشابه با دیود معمولی داشته و همانند دیودهای سیلیکون معمولی ولتاژ خروجی را در مقدار ثابت 0.7 ولت برش می دهد.

بمنظور ایجاد مدار برش دهنده ای برای نوسان منفی مدار AC مشابه با مدار نوسان مثبت، بگونه ای که ولتاژ در در سطوح مختلفی از نوسان مثبت و منفی برش داده شود، از دو عدد دیود زنر برش دهنده استفاده شده است که دیاگرام مداری آن در شکل زیر نشان داده شده است.

در مدار برش دهنده بالا، Vz2 نشان دهنده برش ولتاژ AC منبع در نوسان منفی و Vz1 نشان دهنده برش ولتاژ AC منبع در نوسان مثبت است.

جهت کسب اطلاعات بیشتر، مقاله برش دیودی را مشاهده کنید.

3. دیود زنر بعنوان انتقال دهنده ولتاژ

انتقال دهنده ولتاژ یکی از ساده ترین و در عین حال جالب ترین کاربردهای دیود زنر است.

اگر شما نیز پیش از این تجربه اتصال یک سنسور 3.3 ولتی به یک MCU (واحد میکروکنترلر) 5 ولتی را داشته اید و در همان مرتبه اول با بروز خطاهایی از جمله خطای خواندن مقدار و .. مواجه شده اید، پس این تجربه موجب شده است تا به اهمیت انتقال دهنده های ولتاژ پی ببرید! کار انتقال دهنده های ولتاژ تبدیل سیگنال از یک ولتاژ به ولتاژ دیگر است و دیود زنر بدلیل توانایی در ثابت نگه داشتن ولتاژ خروجی در ناحیه شکست خود، قطعه ای ایده آل برای این منظور (انتقال سطح سیگنال) است. در مداری با یک دیود زنر در نقش انتقال دهنده ولتاژ، بوسیله مقداری برابر با ولتاژ شکست این دوید زنر خاص، سطح ولتاژ خروجی مدار پایین آورده می شود. که دیاگرام مداری آن در شکل زیر به تصویرکشیده شده است:

ازمایش زیر را در نظر بگیرید:

مدار بالا نشان دهنده یک دوید زنر 3.3 ولتی در نقش یک انتقال دهده ولتاژ است. ولتاژ خروجی (3.72 ولت) از تفریق ولتاژ شکست دیود زنر (3.3 ولت) از ولتاژ ورودی مدار (7 ولت) حاصل می شود:

Vout = Vin –Vz

Vout = 7 – 3.3 = 3.7v

همانگونه که پیش از این ذکر شد، انتقال دهنده ولتاژ در طراحی مدارات الکترونیکی مدرن امروزی دارای چندین و چند کاربرد است و شما بعنوان یک مهندس طراح ممکن است در حین فرآیند طراحی مدار با بیش از 3 سطح ولتاژ متفاوت سروکار داشته باشید.

انواع دیود زنر

دیودهای زنر برمبنای پارامتر های زیر تقسیم بندی می شود :

1. ولتاژ نامی
2. اتلاف توان
3. جریان راه اندازی مستقیم
4. ولتاژ مستقیم
5. نوع بسته بندی
6. ماکزیمم جریان معکوس

ولتاژ نامی

ولتاژ کار نامی دیود زنر که با نام ولتاژ شکست نیز شناخته می شود، با توجه به کاربردی که در آن مورد استفاده قرار می گیرد متفاوت است. ولتاژ کار این دیود غالبا مهم ترین معیاری است که در انتخاب آن بایستی مد نظر قرار داد

اتلاف توان

این معیار نشان دهنده ماکزیمم مقدار توانی است که جریان زنر تلف می کند. تجاوز از این مقدار توان باعث افزایش بیش از حد دمای دیود زنر و در نتیجه منجر به خرابی این دیود و قطعاتی می شود که در مدار با آن در ارتباط است. در نتیجه در هنگام انتخاب این دیود بر اساس نوع کاربرد، بایستی حتما این معیار را مورد توجه قرار داد.

ماکزیمم جریان زنر

این مقدار برابر با بیشترین جریانی است که در ولتاژ زنر می تواند از دیود عبور کند بدون آنکه به آن آسیبی برساند.

مینیمم جریان زنر

این مقدار برابر با کمترین جریانی است که برای شروع به کار این دیود در ناحیه شکست مورد نیاز است. سایر پارامترهای ذکر شده نیز جزو ویژگی هایی هستند که بایستی قبل از تصمیم گیری در رابطه با انتخاب نوع این دیود برای یک طرح وِیژه مورد بررسی کامل قرار داد.

نکات مهم در مورد دیود زنر

5 نکته است که هیچ گاه نباید در مورد دیود زیر فراموش کنیم :

1. دیود زنر تنها زمانی همانند یک دیود معمولی عمل می کند که احتمال داده شود دارای یک تیزی در ولتاژ شکست خود است.
2. دیود زنر صرف نظر از میزان ولتاژ ورودی، ولتاژ خروجی را ثابت نگه می دارد. ولتاژ ورودی تامین کننده جریان زنر است تا جایی که این جریان از حد ماکزیمم خود تجاوز نکند
3. دیود زنر در بایاس مستقیم درست همانند یک دیود سیلیکونی معمولی رفتار کرده و بطور مشابه منجر به افت ولتاژ تا 0.7 ولت خواهد شد. در نتیجه می توان در بایاس مستقیم بجای دیود معمولی از این دیود نیز استفاده کرد.
4. بطور پیش فرض، حالت استفاده این دیود در ناحیه شکست (بایاس معکوس) است. این بدان معناست که در حقیقت این دیود زمانی شروع به کار می کند که ولتاژ اعمالی به آن بیشتر از ولتاژ زنر آن در بایاس معکوس باشد.
5. از دیود زنر بطور عمده در کاربردهایی چون تنظیم ولتاژ ، برش مدارات و انتقال سطح ولتاژ استفاده می شود.

سوالات متداول

دیود زنر چیست؟

دیگر دیود زنر نه تنها در بایاس مستقیم اجازه عبور جریان را می دهد، بلکه در بایاس معکوس نیز تا زمانی که ولتاژ کاری آن بالاتر از ولتاژ شکست دیود باشد اجازه عبور جریان را خواهد داد.

انواع دیود زنر کدام است؟

دیود زنر ها بر اساس ولتاژ نامی، اتلاف توان، جریان راه اندازی، ولتاژ مستقیم و … دسته بندی میشوند.

کاربرد دیود زنر در مدار چیست؟

دیود زنر برای تنظیم ولتاژ، برش دهنده شکل موج و انتقال دهنده ولتاژ در مدار ها استفاده میشود.