دیود زنر
می دانیم که دیود در حالت بایاس معکوس جریان را در جهت معکوس قطع می کند، اما هنگامی که ولتاژ اعمالی به دو سر آن بسیار زیاد باشد دچار آسیب و شکست معکوس می شود.
دیود زنر که به آن دیود شکست نیز گفته می شود، در واقع همان دیود اتصال P-N استاندارد است اما به طور خاص برای یک سطح ولتاژ شکست معکوس تعیین شده طراحی شده است. دیود زنر ساده ترین نوع تنظیم کننده ولتاژ است و سطح ولتاژ یا نقطه ای که در آن دیود دچار شکست می شود ولتاژ دیود یا Vz نامیده می شود.
دیود زنر نیز مانند یک دیود معمولی از اتصال سیلیکون PN تشکیل شده است و زمانی که در جهت مستقیم بایاش شود رفتاری مانند دیود سیگنال معمولی دارد و جریان را از خود عبور می دهد اما زمانی که ولتاژ معکوس اعمال شده به دو سر دیود از ولتاژ دیود که سطح ولتاژ شکست دیود است بیشتر شود، پدیده شکست بهمنی رخ می دهد و جریان از دیود عبور کرده و سطح ولتاژ ثابت و محدود می شود.
در این حالت جریان عبوری از دیود به طور قابل توجه ای افزایش یافته و به ماکسیمم مقدار خود می رسد (که معمولا توسط یک مقاومت سری با آن کنترل می شود).سطح ولتاژی که در آن ولتاژ دو سر دیود ثابت و پایدار می شود ولتاژ زنر می گویند. برای دیودهای زنر این ولتاژ می تواند کمتر از یک ولت تا چند صد ولت متغیر باشد.
ولتاژ شکست دیود زنر بر روی منحنی مشخصه I-V به شکل یک خط راست عمودی است.
منحنی مشخصه I-V دیود زنر
دیود زنر در حالت بایاس معکوس یا شکست معکوس استفاده می شود، یعنی سر مثبت (آند) دیود به سر منفی منبع متصل می شود. در منحنی مشخصه I-V بالا می بینیم که در مشخصه بایاس معکوس دارای یک محدوده ولتاژ منفی ثابت بدون در نظر گرفتن مقدار جریان عبوری از آن می باشد.
از این توانایی کنترل خودکار می توان به طور بهینه جهت تنظیم یا ثابت کردن منبع ولتاژ در برابر تغییرات بار استفاده کرد.
وظیفه یک تنظیم کننده ولتاژ فراهم کردن ولتاژ ثابت برای بار موازی متصل شده به آن با وجود تغییرات در جریان بار و ولتاژ منبع تغذیه است.
دیود زنر تا زمانی که مقدار جریان دیود کمتر از حداقل آن IZ(min) در ناحیه شکست معکوس شود به صورت تنظیم کننده عمل می کند.
دیود زنر تنظیم کننده :
از دیود زنر می توان جهت تولید یک ولتاژ تثبیت شده با ریپل کم تحت وضعیت های مختلف بار استفاده کرد.
دیود زنر تنظیم کننده :
مقاومت Rs جهت محدود کردن جریان به طور سری با دیود متصل شده است. Vs به کل ترکیب متصل می شود. ولتاژ تثبیت شده خروجی از دو سر دیود زنر گرفته شده است. سر منفی (کاتد) به سر مثبت منبع تغذیه متصل شده است بنابراین به صورت معکوس بایاس شده و در وضعیت شکست عمل می کند. مقاومت Rs جهت محدود کردن حداکثر جریان در مدار انتخاب شده است.
بدون وجود بار جریان بار صفر خواهد بود و کل جریان مدار از دیوذ زنر عبور می کند . همچنین بار به صورت موازی با دیود زنر متصل شده است بنابراین ولتاژ اعمال شده به Rl با ولتاژ دو سر دیود زنر برابر است (Vr=Vz) در اینجا وجود دارد یک جریان حداقل که برای تثبیت ولتاژ موثر است و جریان دیود باید بالاتر از این مقدار باقی بماند تا در ناحیه شکست عمل کند. حد بالای جریان به منبع وابسته است و ولتاژ منبع تغذیه Vs باید بزرگتر از ولتاژ دیود زنر Vz باشد.
مشکل کوچکی که در کار کردن با مدارهای تثبیت کننده دیود زنری به وجود می آید در بعضی مواقع دیود زنر تولید نویز الکترونیکی می کند در حالی که سعی در تثبیت ولتاژ دارد.
به طور معمول مشکلی نیست و می توان به وسیله یک خازن با ظرفیت بالا به عنوان صافی این مشکل را حل کرد.
به طور خلاصه دیود زنر در وضعیت بایاس معکوس عمل خواد کرد می توان با استفاده از دیود زنر یک مدار تثبیت ولتاژ خروجی بدون در نظر گرفتن تغییرات ولتاژ ورودی و تغیرات جریان بار طراحی کرد. مدارهای تثبیت کننده ولتاژ دیودی شامل یک مقاومت محدود کننده سری با ولتاژ ورودی و دیود زنر بایاس معکوس موازی با بار Rl می باشد. ولتاژ تثبیت شده خروجی همیشه معادل ولتاژ شکست دیود زنر انتخاب می شود.
مثال شماره 1 دیود زنر:
برای تولید یک منبع تغذیه 12 ولت جریان مستقیم به یک منبع تغذیه 5 ولت جریان مستقیم تثبیت شده نیاز داریم. حداکثر توان (Pz) دیود زنر 2 وات می باشد. با استفاده از مدار تثبیت زنری بالا مقادیر زیر را محاسبه کنید :
1- حداکثر جریان عبوری از دیود زنر :
2- حداکثر مقدار مقاوت سری RS:
3- مقدار مقاومت بار Rl هنگامی که مقدار مقاومت سری با دیود زنر 1 کیلو اهم می باشد :
4- مقدار جریان دیود زنر Iz در مقابل مقاومت بار :
دیود زنر ولتاژ یا ولتاژ دیود زنر :
علاوه بر تولید یک ولتاژ ثابت خروجی با اتصال دیود زنر با دیودهای سیلیکونی معمولی می توان مقادیر مختلف خروجی ولتاژ نشان داده شده در زیر را بدست آورد.
اتصال سری دیودهای زنر :
از دیود زنر برای کاربردهای مختلف می توان استفاده کرد در حالی که دیودهای سیلسکونی معمولی دارای مقادیر 0.6 تا 0.7 ولت در شرایط بایاس مستقیم هستند.
دیودهای زنر دارای مقادیر 500mW در سری BZX55 و یا مقادیر بیشتر 1.3W در سری BZX85 که به آن ها زنر ولتاژ هم گفته می شود. به طور مثال C7V5 برای ولتاژ 7.5v دارای شماره مرجع دیود BZX55C7V5 می باشد.
دیود زنر سری 500mW دارای مقادیر 2.4v تا 100v می باشد و ….. در جدول زیر آورده شده است.
استاندارد دیود زنر
مدار کلیپ (قطع) دیود زنر :
تا به حال ما نشان دادیم که چگونه می تون از یک دیود برای تنظیم یک منبع جریان مستقیم استفاده کرد اما اگر سیگنال ورودی یک سیگنال پایدار DC نبود دیود زنر در مقابل یک سیگنال همواره در حال تغییر چگونه رفتار می کند.
مدارهای کلمپ دیودی مداراتی هستند که می توان برای شکل دهی یا اصلاح یک شکل موج AC (یا هر شکل موج سینوسی) و تولید یک شکل موج متفاوت خروجی وابسته به چیدمان مدار استفاده کرد. مدارهای کلمپ دیودی را محدود کننده نیز می نامند زیرا سیگنال AC ورودی را در محدوده مثبت (و منفی) قطع می کنند. از مدارهای کلیپ زنری برای مدارهای محافظ یا شکل دهی موج استفاده می کنیم.
برای مثال اگر بخواهیم شکل طول موج را در +7.5V قطع کنیم باید از یک دیود زنر 7.5V استفاده کنیم. اگر شکل موج خروجی بیشتراز 7.5V شود دیود زنر آن را قطع کرده و یک شکل موج خروجی با سطح بالایی صاف با ولتاژ ثابت +7.5V تولید می کند. توجه داشته باشید در شرایط بایاس مستقیم دیود زنر مانند دیود عمل می کند و زمانی که مقدار شکل موج AC خروجی به -0.7V می رسد دیود مانند یک دیود سیلیکونی معمولی فعال شده و همان طور که در زیر نشان داده شده است شکل موج را در -0.7V قطع می کند.
سیگنال مربعی :
از اتصال مخالف یکدیگر دو دیود زنر همانند شکل بالا (اتصال کاتدها به یکدیگر) می توان به عنوان یک تنظیم کننده ولتاژ AC استفاده کرد که به شوخی به آن تولیید کننده شکل موج مربعی مردان فقیر نیز گفته می شود. با استفاده از این چیدمان برای یک دیود زنر 7.5 ولت می توان یک شکل موج مربعی را در بین مقادیر +8.2v و -8.2v قطع کرد.
به عنوان مثال اگر ما بخواهیم یک شکل موج را در مابین مقادیر حداقل -6v حداکثر +8 باید از دو دیود زنر با مقادیر متفاوت استفاده کنیم توجه داشته باشید که شکل موج خروجی مابین -6.7v و +8.7v می باشد این مقادیر به خاطر وجود ولتاژ بایاس مستقیم دیود زنر می باشد.
به عبارت دیگر ولتاژ پیک تو پیک 15.4v به جای ولتاژ +14v به علت اضافه شدن مقدار 0.7v ولتاژ بایاس دیود ایجاد می شود.
ایجاد چنین پیکربندی کلیپر معمولا جهت محافظت مدار در مقابل اضافه ولتاژ استفاده می شود. معمولا دو دیود زنر را در ورودی منبع تغذیه قرار می دهند یک از دیودها خاموش است و دیود ها بدون تاثیر یا با تاثیر کمی هستند با این حال اگر شکل موج ورودی از حد مجاز بیشتر شود دیود زنر جهت محافظت از مدار روشن می شود.